Образовавшийся положительно заряженный катион натрия начинает притягивать к себе отрицательно заряженные анионы хлора. И наоборот — анионы хлора притягивают к себе несколько атомов натрия.
Сколько именно? А сколько их поместится вокруг!
Ведь электростатические силы не направлены (электрически заряженный пластмассовый шарик притягивает к себе лёгкую бумажку с любой стороны с одинаковой силой). При этом, конечно, должно строго выполняться условие электронейтральности вещества в целом.
В данном случае это означает, что ионов натрия и хлора должно быть поровну.
Размеры катионов натрия и анионов хлора различаются не очень сильно (анионы больше). В результате вокруг каждого иона натрия размещаются шесть ионов хлора (два сверху и снизу, два справа и слева и два сзади и спереди).
Точно так же вокруг каждого иона хлора размещаются шесть ионов натрия. Получается кристалл с так называемой кубической решёткой, потому что катионы и анионы в строгом порядке располагаются по вершинам кубов.
Модель этой решётки легко сделать из спичек и пластилиновых шариков двух цветов, символизирующих ионы натрия и хлора («хлорные» шарики должны быть больше). Такое строение кристаллической решётки объясняет, почему поваренная соль при выпаривании её раствора кристаллизуется в виде кубиков.
А если большой кристалл такой соли (она называется каменной) раскалывать на кусочки, эти кусочки также будут кубической формы.
Очевидно, что никаких молекул в поваренной соли нет. Это вещество немолекулярного строения.
Устойчивые молекулы NaCl могут существовать в газовой фазе.
Аналогичный процесс происходит и при взаимодействии с хлором очень активного щелочного металла цезия (у него, как и у всех щелочных металлов, имеется один валентный электрон).
В результате реакции образуется бесцветное немолекулярное соединение — хлорид цезия CsCl.
Но ионы Cs+ значительно крупнее ионов Na+, и кристаллическая решётка CsCl устроена иначе: в каждой из восьми вершин куба находится по аниону Cl-, а катион Cs+ расположен точно в центре куба. Как же согласуется такое строение кристаллической решётки с формулой CsCl?
Дело в том, что этот «кубик» — не единственный в кристалле. Со всех сторон к нему примыкают точно такие же кубики, и у каждого в центре находится катион Cs+. Сколько же анионов С1- приходится в среднем на один катион Cs+? Пометим какую-нибудь вершину, находящуюся вверху нашего кубика.
Она принадлежит не только этому кубику. Если приложить к нему вплотную ещё три кубика, чтобы помеченная вершина оказалась в центре, а потом сверху положить ещё четыре кубика, то станет понятно, что рассматриваемая вершина (а также находящийся там ион хлора) принадлежит одновременно восьми кубикам.
Значит, на наш кубик приходится только 1 /8 иона хлора. Всего же в вершинах кубика 8 ионов.
Значит, на данный кубик в среднем приходится ровно один ион хлора, и никакого противоречия с формулой CsCl нет. Теперь посмотрим, что произойдёт, если двухвалентный атом кальция будет сближаться с атомами хлора. У атома Са 20 электронов.
На первой оболочке — 2 электрона, на второй — 8, на третьей тоже 8, наконец, на внешней оболочке находятся 2 валентных электрона. Один атом хлора может принять для образования октета только один электрон.
Как же эти атомы «договорятся» с атомами кальция? Очень просто: к каждому атому кальция подойдут два атома хлора, и каждый возьмёт себе по одному валентному электрону.
В результате образуется изолированная молекула хлорида кальция СаС12. Но если реагировали не отдельные атомы кальция и хлора, а кусочек кальция в виде металла и газообразный хлор (оба вещества, понятно, будут содержать огромное число атомов), то и продукт реакции будет представлять собой твёрдое кристаллическое вещество — хлорид кальция.
Его кристаллическая решётка также ионная, но устроена значительно сложнее, чем у NaCl или CsCl.
Хлорид кальция тоже является веществом немолекулярного строения, как и большинство неорганических соединений. Если же кальций будет реагировать с кислородом, то образуется оксид кальция СаО (негашёная известь).
У атомов кислорода всего 8 электронов, причём валентных — 6. Значит, каждый атом кальция в ходе реакции отдаст по два своих валентных электрона, а каждый атом кислорода два электрона примет, достроив свою валентную оболочку до восьмиэлектронной. Аналогично образуется и фторид алюминия A1F3.
В атоме алюминия всего 13 электронов, которые по оболочкам распределяются так: 2 + 8 + 3. В атоме фтора 9 электронов (распределение 2 + + 7). И в ходе реакции каждый атом алюминия отдаёт три своих валентных электрона трём атомам фтора. При этом устойчивая восьмиэлектронная оболочка образуется у всех четырёх атомов.
Если же реагируют атомы алюминия и кислорода, то для образования восьмиэлектронных оболочек потребуются 2 атома А1 (они оба отдадут 2-3 = 6 электронов) и 3 атома О (все вместе они примут 3*2 = 6 электронов). И когда таких атомов очень много, получится довольно сложно устроенный бесцветный кристалл А12О3.
В природе это минерал корунд, а если он окрашен примесями, получаются ещё более красивые драгоценные камни — синие сапфиры и красные рубины. Валентность с учётом принятия и отдачи электронов и образованием положительно и отрицательно заряженных атомов называют иногда электровалентностью.
Теория валентности позволила объяснить многие факты. Например, почему с атомом углерода может связаться не больше четырёх атомов водорода или какова максимально возможная валентность.
Атомы водорода с трудом принимают электроны, отрывая их от других атомов.
Это возможно только в случае некоторых металлов, которые относительно легко расстаются со своими электронами.
При этом атомы водорода превращаются в отрицательно заряженные ионы Н-, образуя вещества, которые называются гидридами (это слово многим знакомо по никелевым металлогидридным аккумуляторам для мобильных телефонов и других устройств).
Примером могут служить твёрдые ионные гидриды лития LiH или кальция СаН2.