La struttura degli atomi — particelle elementari di materia, elettroni, protoni, neutroni
Tutti i corpi fisici in natura sono fatti di un tipo di materia chiamata materia. Le sostanze sono divise in due gruppi principali: sostanze semplici e complesse.
Le sostanze complesse sono quelle sostanze che, attraverso reazioni chimiche, possono essere scomposte in altre sostanze più semplici. A differenza delle sostanze complesse, le sostanze semplici sono quelle che non possono essere scomposte chimicamente in sostanze ancora più semplici.
Un esempio di sostanza complessa è l'acqua, che attraverso una reazione chimica può essere scomposta in altre due sostanze più semplici: idrogeno e ossigeno. Per quanto riguarda gli ultimi due, non possono più essere decomposti chimicamente in sostanze più semplici e sono quindi sostanze semplici o, in altre parole, elementi chimici.
Nella prima metà del XIX secolo, nella scienza si presumeva che gli elementi chimici fossero sostanze immutate che non avevano relazioni comuni tra loro. Tuttavia, lo scienziato russo D. I. Mendeleev (1834-1907) per la prima volta nel 1869rivela la relazione degli elementi chimici, dimostrando che la caratteristica qualitativa di ciascuno di essi dipende dalla sua caratteristica quantitativa: il peso atomico.
Studiando le proprietà degli elementi chimici, D. I. Mendeleev ha notato che le loro proprietà si ripetono periodicamente a seconda del loro peso atomico. Ha mostrato questa periodicità sotto forma di una tavola, che è entrata nella scienza con il nome di "Tavola periodica degli elementi di Mendeleev".
Di seguito è riportata la moderna tavola periodica degli elementi chimici di Mendeleev.
Atomi
Secondo i moderni concetti scientifici, ogni elemento chimico è costituito da una raccolta delle più piccole particelle materiali (materiali) chiamate atomi.
Un atomo è la più piccola frazione di un elemento chimico che non può più essere decomposta chimicamente in altre particelle materiali più piccole e più semplici.
Gli atomi di elementi chimici di diversa natura differiscono l'uno dall'altro nelle loro proprietà fisico-chimiche, struttura, dimensione, massa, peso atomico, energia propria e alcune altre proprietà. Ad esempio, l'atomo di idrogeno differisce nettamente nelle sue proprietà e struttura dall'atomo di ossigeno, e quest'ultimo dall'atomo di uranio, e così via.
Gli atomi degli elementi chimici risultano essere di dimensioni estremamente ridotte. Se assumiamo condizionatamente che gli atomi abbiano una forma sferica, allora i loro diametri devono essere pari a cento milionesimi di centimetro. Ad esempio, il diametro di un atomo di idrogeno - l'atomo più piccolo in natura - è un centomilionesimo di centimetro (10-8 cm) e il diametro degli atomi più grandi, ad esempio l'atomo di uranio, non supera i trecento milionesimi di centimetro (3 10-8 cm).Pertanto, l'atomo di idrogeno è tante volte più piccolo della sfera di raggio un centimetro, quanto quest'ultima è più piccola del globo.
A causa delle dimensioni molto ridotte degli atomi, anche la loro massa è molto piccola. Ad esempio, la massa di un atomo di idrogeno è m = 1,67·10-24 Ciò significa che un grammo di idrogeno contiene circa 6·1023 atomi.
Per l'unità di misura convenzionale dei pesi atomici degli elementi chimici si prende 1/16 del peso di un atomo di ossigeno. In accordo con questo peso atomico di un elemento chimico, viene chiamato un numero astratto, che indica quante volte il peso di un dato elemento chimico è superiore a 1/16 del peso di un atomo di ossigeno.
Nella tavola periodica degli elementi di D. I. Mendeleev sono indicati i pesi atomici di tutti gli elementi chimici (vedere il numero sotto il nome dell'elemento). Da questa tabella vediamo che l'atomo più leggero è l'atomo di idrogeno, che ha un peso atomico di 1,008. Il peso atomico del carbonio è 12, l'ossigeno è 16 e così via.
Per quanto riguarda gli elementi chimici più pesanti, il loro peso atomico supera il peso atomico dell'idrogeno di oltre duecento volte. Quindi il valore atomico del mercurio è 200,6, il radio è 226 e così via. Maggiore è l'ordine numerico occupato da un elemento chimico nella tavola periodica degli elementi, maggiore è il peso atomico.
La maggior parte dei pesi atomici degli elementi chimici sono espressi come numeri frazionari. Ciò è in una certa misura spiegato dal fatto che tali elementi chimici sono costituiti da un insieme di quanti tipi di atomi con pesi atomici diversi ma con le stesse proprietà chimiche.
Gli elementi chimici che occupano lo stesso numero nella tavola periodica degli elementi e quindi hanno le stesse proprietà chimiche ma con pesi atomici diversi sono chiamati isotopi.
Gli isotopi si trovano nella maggior parte degli elementi chimici, ci sono due isotopi, calcio - quattro, zinco - cinque, stagno - undici, ecc. Molti isotopi sono ottenuti attraverso l'arte, alcuni hanno una grande importanza pratica.
Particelle elementari della materia
Per molto tempo si è creduto che gli atomi degli elementi chimici fossero il limite della divisibilità della materia, cioè, per così dire, i "mattoni" elementari dell'universo. La scienza moderna rifiuta questa ipotesi stabilendo che l'atomo di qualsiasi elemento chimico è un aggregato di particelle materiali ancora più piccole dell'atomo stesso.
Secondo la teoria elettronica della struttura della materia, l'atomo di qualsiasi elemento chimico è un sistema costituito da un nucleo centrale attorno al quale ruotano particelle "elementari" della materia chiamate elettroni. I nuclei degli atomi, secondo le opinioni generalmente accettate, sono costituiti da un insieme di particelle materiali "elementari" - protoni e neutroni.
Per comprendere la struttura degli atomi e i processi fisico-chimici in essi, è necessario familiarizzare almeno brevemente con le caratteristiche di base delle particelle elementari che compongono gli atomi.
È determinato che un elettrone è una vera particella con la più piccola carica elettrica negativa osservata in natura.
Se assumiamo condizionatamente che l'elettrone come particella abbia una forma sferica, allora il diametro dell'elettrone dovrebbe essere uguale a 4 ·10-13 cm, cioè decine di migliaia di volte più piccolo del diametro di ciascun atomo.
Un elettrone, come qualsiasi altra particella materiale, ha massa. La "massa a riposo" dell'elettrone, cioè la massa che possiede in uno stato di relativa quiete, è pari a mo = 9,1 · 10-28 G.
La "massa a riposo" estremamente piccola dell'elettrone indica che le proprietà inerziali dell'elettrone sono estremamente deboli, il che significa che l'elettrone, sotto l'influenza di una forza elettrica alternata, può oscillare nello spazio con una frequenza di molti miliardi di periodi per secondo.
La massa dell'elettrone è così piccola che occorrono 1027 unità per produrre un grammo di elettroni. Per avere almeno un'idea fisica di questo numero colossalmente grande, faremo un esempio. Se un grammo di elettroni potesse essere disposto in linea retta uno vicino all'altro, allora formerebbero una catena lunga quattro miliardi di chilometri.
La massa dell'elettrone, come qualsiasi altra microparticella materiale, dipende dalla velocità del suo movimento. Un elettrone in uno stato di relativa quiete ha una "massa a riposo" di natura meccanica, simile alla massa di qualsiasi corpo fisico. Quanto alla "massa di moto" dell'elettrone, che aumenta all'aumentare della velocità del suo moto, essa è di origine elettromagnetica. Ciò è dovuto alla presenza di un campo elettromagnetico in un elettrone in movimento come tipo di materia con massa ed energia elettromagnetica.
Quanto più velocemente si muove l'elettrone, tanto più si manifestano le proprietà inerziali del suo campo elettromagnetico, tanto maggiore è la massa di quest'ultimo e, di conseguenza, la sua energia elettromagnetica.Poiché l'elettrone con il suo campo elettromagnetico rappresenta un unico sistema materiale organicamente connesso, esso è naturale che la quantità di moto del campo elettromagnetico dell'elettrone sia attribuita direttamente all'elettrone stesso.
L'elettrone, oltre alle proprietà di una particella, ha anche proprietà ondulatorie.È stato stabilito sperimentalmente che il flusso di elettroni, come un flusso di luce, si propaga sotto forma di un movimento ondulatorio. La natura del moto ondulatorio del flusso di elettroni nello spazio è confermata dai fenomeni di interferenza e diffrazione delle onde di elettroni.
Interferenza elettronica È il fenomeno della sovrapposizione delle volontà di elettroni l'una sull'altra e la diffrazione degli elettroni è il fenomeno delle onde di elettroni che si piegano ai bordi di una stretta fenditura attraverso la quale passa il raggio di elettroni. Pertanto, l'elettrone non è solo una particella, ma una «onda particella», la cui lunghezza dipende dalla massa e dalla velocità dell'elettrone.
È stato stabilito che l'elettrone, oltre al suo moto traslatorio, compie anche un moto rotatorio attorno al proprio asse. Questo tipo di movimento dell'elettrone è chiamato "spin" (dalla parola inglese "spin" — mandrino). Come risultato di questo movimento, l'elettrone, oltre alle proprietà elettriche dovute alla carica elettrica, acquisisce anche proprietà magnetiche, assomigliando sotto questo aspetto a un magnete elementare.
Un protone è una particella reale con una carica elettrica positiva pari in valore assoluto alla carica elettrica di un elettrone.
La massa del protone è 1,67 ·10-24 r, cioè circa 1840 volte maggiore della "massa a riposo" dell'elettrone.
A differenza di un elettrone e di un protone, un neutrone non ha carica elettrica, cioè è una particella di materia "elementare" elettricamente neutra. La massa del neutrone è praticamente uguale alla massa del protone.
Gli elettroni, i protoni e i neutroni che compongono gli atomi interagiscono tra loro. In particolare, elettroni e protoni si attraggono come particelle con cariche elettriche opposte.Allo stesso tempo, l'elettrone dall'elettrone e il protone dal protone si respingono come particelle con la stessa carica elettrica.
Tutte queste particelle elettricamente cariche interagiscono attraverso i loro campi elettrici. Questi campi sono un tipo speciale di materia costituito da un insieme di particelle materiali elementari chiamate fotoni. Ogni fotone ha una quantità di energia strettamente definita (quanto di energia) inerente ad esso.
L'interazione di particelle di materiali materiali elettricamente carichi avviene attraverso lo scambio di fotoni tra loro. La forza di interazione delle particelle cariche elettricamente è solitamente chiamata forza elettrica.
Anche i neutroni e i protoni nei nuclei degli atomi interagiscono tra loro. Tuttavia, questa interazione tra loro non avviene più attraverso un campo elettrico, essendo il neutrone una particella di materia elettricamente neutra, ma attraverso il cosiddetto campo nucleare.
Questo campo è anche un tipo speciale di materia costituito da un insieme di particelle materiali elementari chiamate mesoni... L'interazione di neutroni e protoni avviene attraverso lo scambio di mesoni tra loro. La forza di interazione tra neutroni e protoni è chiamata forza nucleare.
È stato stabilito che le forze nucleari agiscono nei nuclei degli atomi a distanze estremamente ridotte - circa 10-13 cm.
Le forze nucleari superano di gran lunga le forze elettriche di reciproca repulsione dei protoni nel nucleo di un atomo. Ciò porta al fatto che sono in grado non solo di superare le forze di reciproca repulsione dei protoni all'interno dei nuclei degli atomi, ma anche di creare sistemi di nuclei molto forti dalla raccolta di protoni e neutroni.
La stabilità del nucleo di qualsiasi atomo dipende dal rapporto tra due forze in conflitto: nucleare (reciproca attrazione di protoni e neutroni) ed elettrica (reciproca repulsione di protoni).
Potenti forze nucleari che agiscono nei nuclei degli atomi contribuiscono alla trasformazione di neutroni e protoni l'uno nell'altro. Queste interazioni di neutroni e protoni avvengono in seguito al rilascio o all'assorbimento di particelle elementari più leggere, ad esempio i mesoni.
Le particelle da noi considerate sono chiamate elementari perché non sono costituite da un aggregato di altre particelle di materia più semplici. Ma allo stesso tempo, non dobbiamo dimenticare che sono in grado di trasformarsi l'uno nell'altro, di sorgere a spese dell'altro. Pertanto, queste particelle sono delle formazioni complesse, cioè la loro natura elementare è condizionata.
Struttura chimica degli atomi
L'atomo più semplice nella sua struttura è l'atomo di idrogeno. Consiste in un insieme di sole due particelle elementari: un protone e un elettrone. Il protone nel sistema dell'atomo di idrogeno svolge il ruolo di un nucleo centrale attorno al quale un elettrone ruota in una certa orbita. Nella fig. 1 mostra schematicamente un modello dell'atomo di idrogeno.
Riso. 1. Diagramma della struttura dell'atomo di idrogeno
Questo modello è solo un'approssimazione approssimativa della realtà. Il fatto è che l'elettrone come "onda di particelle" non ha un volume nettamente delimitato dall'ambiente esterno. E questo significa che non si dovrebbe parlare di un'esatta orbita lineare dell'elettrone, ma di una specie di nuvola di elettroni. In questo caso, l'elettrone occupa molto spesso una linea mediana della nuvola, che è una delle sue possibili orbite nell'atomo.
Va detto che l'orbita dell'elettrone stesso non è strettamente immutabile e stazionaria nell'atomo - inoltre, a causa del cambiamento nella massa dell'elettrone, compie un certo movimento rotatorio. Pertanto, il movimento di un elettrone in un atomo è relativamente complicato. Poiché il nucleo dell'atomo di idrogeno (protone) e l'elettrone che ruota attorno ad esso hanno cariche elettriche opposte, si attraggono a vicenda.
Contemporaneamente l'energia libera dell'elettrone, ruotando attorno al nucleo dell'atomo, sviluppa una forza centrifuga che tende ad allontanarlo dal nucleo. Pertanto, la forza elettrica di mutua attrazione tra il nucleo dell'atomo e l'elettrone e la forza centrifuga che agisce sull'elettrone sono forze opposte.
In equilibrio, il loro elettrone occupa una posizione relativamente stabile in qualche orbita dell'atomo. Poiché la massa dell'elettrone è molto piccola, allora per bilanciare la forza di attrazione verso il nucleo dell'atomo, deve ruotare a una velocità enorme pari a circa 6·1015 giri al secondo. Ciò significa che un elettrone nel sistema di un atomo di idrogeno, come qualsiasi altro atomo, si muove lungo la sua orbita con una velocità lineare superiore a mille chilometri al secondo.
In condizioni normali, un elettrone ruota in un atomo del tipo nell'orbita più vicina al nucleo. Allo stesso tempo, ha la minima quantità di energia possibile. Se per un motivo o per l'altro, ad esempio, sotto l'influenza di altre particelle materiali che hanno invaso il sistema atomico, l'elettrone si sposta su un'orbita più distante dall'atomo, allora avrà già una quantità di energia leggermente maggiore.
Tuttavia, l'elettrone rimane in questa nuova orbita per un periodo di tempo insignificante, dopodiché ruota di nuovo nell'orbita più vicina al nucleo dell'atomo.Durante questo corso cede la sua energia in eccesso sotto forma di un quanto di radiazione magnetica, energia radiante (fig. 2).
Riso. 2. Quando un elettrone si sposta da un'orbita lontana a una più vicina al nucleo di un atomo, emette un quanto di energia radiante
Più energia l'elettrone riceve dall'esterno, più si sposta nell'orbita più lontana dal nucleo dell'atomo, e maggiore è la quantità di energia elettromagnetica che emette quando ruota verso l'orbita più vicina al nucleo.
Misurando la quantità di energia emessa dall'elettrone durante il passaggio da orbite diverse a quella più vicina al nucleo dell'atomo, è stato possibile stabilire che un elettrone nel sistema di un atomo di idrogeno, come nel sistema di qualsiasi altro atomo, non può entrare in un'orbita casuale, in un'orbita strettamente determinata in accordo con questa energia che riceve sotto l'influenza di una forza esterna. Le orbite che un elettrone può occupare in un atomo sono chiamate orbitali consentiti.
Poiché la carica positiva del nucleo dell'atomo di idrogeno (la carica del protone) e la carica negativa dell'elettrone sono numericamente uguali, la loro carica totale è zero. Ciò significa che l'atomo di idrogeno nel suo stato normale è una particella elettricamente neutra.
Questo è vero per gli atomi di tutti gli elementi chimici: l'atomo di qualsiasi elemento chimico nel suo stato normale è una particella elettricamente neutra a causa dell'uguaglianza numerica delle cariche positive e negative.
Poiché il nucleo di un atomo di idrogeno contiene solo una particella "elementare" - un protone, il cosiddetto numero di massa di questo nucleo è uguale a uno. Il numero di massa del nucleo di un atomo di qualsiasi elemento chimico è il numero totale di protoni e neutroni che compongono quel nucleo.
L'idrogeno naturale è costituito principalmente da un insieme di atomi con un numero di massa uguale a uno. Tuttavia, contiene anche un altro tipo di atomi di idrogeno, con un numero di massa pari a due. I nuclei di questi atomi di idrogeno pesanti, chiamati deuteroni, sono costituiti da due particelle, un protone e un neutrone. Questo isotopo dell'idrogeno è chiamato deuterio.
L'idrogeno naturale contiene quantità molto piccole di deuterio. Per ogni seimila atomi di idrogeno leggero (numero di massa pari a uno), c'è solo un atomo di deuterio (idrogeno pesante). C'è un altro isotopo dell'idrogeno, l'idrogeno super pesante chiamato trizio. Nel nucleo di un atomo di questo isotopo di idrogeno ci sono tre particelle: un protone e due neutroni, legati insieme da forze nucleari. Il numero di massa del nucleo di un atomo di trizio è tre, cioè l'atomo di trizio è tre volte più pesante dell'atomo di idrogeno leggero.
Sebbene gli atomi degli isotopi di idrogeno abbiano masse diverse, hanno ancora le stesse proprietà chimiche, ad esempio l'idrogeno leggero, entrando in una reazione chimica con l'ossigeno, forma con esso una sostanza complessa: l'acqua. Allo stesso modo, l'isotopo dell'idrogeno, il deuterio, si combina con l'ossigeno per formare acqua, che, a differenza dell'acqua ordinaria, è chiamata acqua pesante. L'acqua pesante è ampiamente utilizzata nella produzione di energia nucleare (atomica).
Pertanto, le proprietà chimiche degli atomi non dipendono dalla massa dei loro nuclei, ma solo dalla struttura del guscio elettronico dell'atomo. Poiché gli atomi di idrogeno leggero, deuterio e trizio hanno lo stesso numero di elettroni (uno per ogni atomo), questi isotopi hanno le stesse proprietà chimiche.
Non è un caso che l'elemento chimico idrogeno occupi il primo numero nella tavola periodica degli elementi.Il fatto è che esiste una qualche relazione tra il numero di ciascun elemento nella tavola periodica degli elementi e l'entità della carica sul nucleo di un atomo di quell'elemento. Può essere così formulato: il numero seriale di ogni elemento chimico nella tavola periodica degli elementi è numericamente uguale alla carica positiva del nucleo di quell'elemento, e quindi al numero di elettroni che gli ruotano attorno.
Poiché l'idrogeno occupa il primo numero nella tavola periodica degli elementi, ciò significa che la carica positiva del nucleo del suo atomo è uguale a uno e che un elettrone ruota attorno al nucleo.
L'elemento chimico elio è il secondo nella tavola periodica degli elementi. Ciò significa che ha una carica elettrica positiva del nucleo pari a due unità, cioè il suo nucleo deve contenere due protoni e nel guscio elettronico dell'atomo - due elettrodi.
L'elio naturale è costituito da due isotopi: elio pesante e leggero. Il numero di massa dell'elio pesante è quattro. Ciò significa che oltre ai due protoni sopra menzionati, altri due neutroni devono entrare nel nucleo dell'atomo di elio pesante. Per quanto riguarda l'elio leggero, il suo numero di massa è tre, cioè, oltre a due protoni, un altro neutrone dovrebbe entrare nella composizione del suo nucleo.
È stato scoperto che nell'elio naturale il numero di atomi di elio leggero è circa un milionesimo degli atomi gen pesanti. Nella fig. 3 mostra un modello schematico dell'atomo di elio.
Riso. 3. Schema della struttura dell'atomo di elio
L'ulteriore complicazione della struttura degli atomi degli elementi chimici è dovuta all'aumento del numero di protoni e neutroni nei nuclei di questi atomi e contemporaneamente all'aumento del numero di elettroni che ruotano attorno ai nuclei (Fig. 4). Utilizzando la tavola periodica degli elementi, è facile determinare il numero di elettroni, protoni e neutroni che compongono i diversi atomi.
Riso. 4. Schemi di costruzione dei nuclei atomici: 1 - elio, 2 - carbonio, 3 - ossigeno
Il numero regolare di un elemento chimico è uguale al numero di protoni nel nucleo dell'atomo e allo stesso tempo al numero di elettroni che ruotano attorno al nucleo. Per quanto riguarda il peso atomico, è approssimativamente uguale al numero di massa dell'atomo, cioè al numero di protoni e neutroni presi insieme nel nucleo. Sottraendo quindi dal peso atomico di un elemento un numero pari al numero atomico dell'elemento, è possibile determinare quanti neutroni sono contenuti in un dato nucleo.
È stato stabilito che i nuclei di elementi chimici leggeri, che hanno un numero uguale di protoni e neutroni nella loro composizione, si distinguono per una forza molto elevata, poiché le forze nucleari in essi contenute sono relativamente grandi. Ad esempio, il nucleo di un atomo di elio pesante è estremamente resistente perché è costituito da due protoni e due neutroni legati insieme da potenti forze nucleari.
I nuclei degli atomi degli elementi chimici più pesanti contengono già nella loro composizione un numero disuguale di protoni e neutroni, motivo per cui il loro legame nel nucleo è più debole che nei nuclei degli elementi chimici leggeri. I nuclei di questi elementi possono essere scissi in modo relativamente semplice se bombardati da "proiettili" atomici (neutroni, nuclei di elio, ecc.).
Per quanto riguarda gli elementi chimici più pesanti, specialmente quelli radioattivi, i loro nuclei sono caratterizzati da una forza così bassa che si disintegrano spontaneamente nelle loro parti componenti. Ad esempio, gli atomi dell'elemento radioattivo radio, costituito da una combinazione di 88 protoni e 138 neutroni, decadono spontaneamente, diventando atomi dell'elemento radioattivo radon. Gli atomi di quest'ultimo, a loro volta, si scompongono nelle loro parti costituenti, passando negli atomi di altri elementi.
Dopo aver familiarizzato brevemente con le parti costitutive dei nuclei degli atomi degli elementi chimici, consideriamo la struttura dei gusci elettronici degli atomi. Come sapete, gli elettroni possono ruotare attorno ai nuclei degli atomi solo in orbite strettamente definite. Inoltre, sono così raggruppati nel guscio elettronico di ogni atomo che i singoli gusci elettronici possono essere distinti.
Ogni guscio può contenere un certo numero di elettroni, che non superano un numero strettamente certo. Quindi, ad esempio, nel primo guscio di elettroni più vicino al nucleo di un atomo possono esserci un massimo di due elettroni, nel secondo - non più di otto elettroni, ecc.
Quegli atomi in cui i gusci elettronici esterni sono completamente riempiti hanno il guscio elettronico più stabile. Ciò significa che un atomo trattiene saldamente tutti i suoi elettroni e non ha bisogno di riceverne una quantità aggiuntiva dall'esterno. Ad esempio, un atomo di elio ha due elettroni che riempiono completamente il primo guscio di elettroni e un atomo di neon ha dieci elettroni, di cui i primi due riempiono completamente il primo guscio di elettroni e il resto - il secondo (Fig. 5).
Riso. 5. Schema della struttura dell'atomo di neon
Pertanto, gli atomi di elio e neon hanno gusci di elettroni abbastanza stabili, non tendono a modificarli in alcun modo quantitativo. Tali elementi sono chimicamente inerti, cioè non entrano in interazione chimica con altri elementi.
Tuttavia, la maggior parte degli elementi chimici ha atomi in cui i gusci elettronici esterni non sono completamente riempiti di elettroni. Ad esempio, un atomo di potassio ha diciannove elettroni, diciotto dei quali riempiono completamente i primi tre gusci, e il diciannovesimo elettrone si trova nel successivo guscio elettronico vuoto. Il debole riempimento del quarto guscio elettronico con elettroni porta al fatto che il nucleo dell'atomo trattiene molto debolmente il più esterno - il diciannovesimo elettrone, e quindi quest'ultimo può essere facilmente rimosso dall'atomo. …
Oppure, ad esempio, l'atomo di ossigeno ha otto elettroni, due dei quali riempiono completamente il primo guscio e i restanti sei si trovano nel secondo guscio. Pertanto, per il completamento completo della costruzione del secondo guscio elettronico nell'atomo di ossigeno, mancano solo due elettroni. Pertanto, l'atomo di ossigeno non solo trattiene saldamente i suoi sei elettroni nel secondo guscio, ma ha anche la capacità di attrarre a sé due elettroni mancanti per riempire il suo secondo guscio di elettroni. Ciò che ottiene mediante combinazione chimica con gli atomi di tali elementi in cui gli elettroni esterni sono debolmente associati ai loro nuclei.
Gli elementi chimici i cui atomi non hanno strati di elettroni esterni completamente riempiti di elettroni sono, di regola, chimicamente attivi, cioè entrano volentieri in un'interazione chimica.
Quindi, gli elettroni negli atomi degli elementi chimici sono disposti in un ordine rigorosamente definito e qualsiasi cambiamento nella loro disposizione spaziale o quantità nel guscio elettronico dell'atomo porta a un cambiamento nelle proprietà fisico-chimiche di quest'ultimo.
L'uguaglianza del numero di elettroni e protoni nel sistema atomico è il motivo per cui la sua carica elettrica totale è zero. Se viene violata l'uguaglianza del numero di elettroni e protoni nel sistema atomico, l'atomo diventa un sistema elettricamente carico.
Un atomo nel sistema di cui l'equilibrio delle cariche elettriche opposte è disturbato a causa del fatto che ha perso parte dei suoi elettroni o, al contrario, ne ha acquisito un eccesso, è chiamato ione.
Al contrario, se un atomo acquista un numero in eccesso di elettroni, diventa uno ione negativo. Ad esempio, un atomo di cloro che ha ricevuto un elettrone in più diventa uno ione di cloro negativo a carica singola Cl-... Un atomo di ossigeno che ha ricevuto due elettroni in più diventa uno ione di ossigeno negativo a doppia carica O, e così via.
Un atomo divenuto ione diventa un sistema elettricamente carico rispetto all'ambiente esterno. E questo significa che l'atomo ha iniziato a possedere un campo elettrico, insieme al quale forma un unico sistema materiale, e attraverso questo campo interagisce elettricamente con altre particelle di materia caricate elettricamente: ioni, elettroni, nuclei di atomi caricati positivamente, eccetera.
La capacità di diversi ioni di attrarsi l'un l'altro è la ragione per cui si combinano chimicamente, formando particelle di materia più complesse: le molecole.
In conclusione, va notato che le dimensioni dell'atomo sono molto grandi rispetto alle dimensioni delle particelle reali di cui sono composte. Il nucleo dell'atomo più complesso, insieme a tutti gli elettroni, occupa un miliardesimo del volume dell'atomo. Un semplice calcolo mostra che se un metro cubo di platino può essere pressato così strettamente da far scomparire gli spazi intraatomici e interatomici, si otterrà un volume pari a circa un millimetro cubo.