Здесь следует коснуться еще той части квантовой механики, которая известна как принцип исключения Паули и которая объясняет нам, почему электроны не свободны в своем движении и не могут располагаться вокруг ядра беспорядочно. Они должны размещаться в строго определенном порядке. У атома может быть лишь определенное число оболочек, и на каждой оболочке может находиться лишь определенное число электронов. Если у атома больше электронов, чем могут вместить первые прилегающие к ядру оболочки, то эти электроны должны занять новую, еще не заполненную оболочку дальше от ядра. С другой стороны, если у атома имеется точно такое количество электронов, какое необходимо, чтобы заполнить одну или несколько оболочек, и сверх этого нет ни одного лишнего электрона, то такой атом достигает устойчивого состояния. Он химически инертен. Таким свойством обладают инертные газы. Периодическая таблица элементов показывает, что, если атомы имеют 2, 10, 18, 36, 54 и 86 электронов (а это все инертные газы), они очень устойчивы. Они «отказываются» от всех предложений взаимодействовать с другими атомами.
Атомы активных элементов, не имеющие набора электронов, свойственных инертным газам, стремятся достичь устойчивости инертных газов, либо приобретая новые электроны, либо освобождаясь от лишних. В качестве примера опять рассмотрим хлорид натрия. Третий период в периодической таблице элементов начинается с натрия и кончается инертным газом аргоном. У натрия полностью заполнены первая и вторая оболочки (2 и 8), а на третьей находится только один электрон. Поэтому натрий легко отдает этот один электрон на внешней оболочке и приобретает устойчивость инертного газа неона. А хлор тоже находится в третьем периоде, но у него на третьей оболочке находится не один, как у натрия, а 7 электронов, поэтому ему более свойственно не сбросить эти 7 электронов, а присоединить всего лишь один и таким образом приобрести устойчивость инертного газа аргона (2, 8 и 8 электронов). Так и образуется хлорид натрия – натрий отдает один электрон и становится ионом со знаком плюс (+), а хлор присоединяет один электрон и становится ионом со знаком минус (-). И в результате ионного взаимодействия между этими ионами получается устойчивая молекула поваренной соли.
Теперь посмотрим с этой же позиции (с позиции устойчивости атома) на атомы водорода и кислорода. Водород находится в первом периоде периодической таблицы и имеет всего один электрон. А второй элемент этого периода – гелий – имеет два электрона (то есть первая оболочка у него полностью заполнена), и в результате – это химически инертный газ. А водород – химически активный газ. Он не может стать похожим на гелий путем присоединения второго электрона (отрицательного иона водорода никто еще не обнаруживал), так как у него мал заряд. Но для этого (чтобы стать подобным гелию) у него имеется другой путь (об этом чуть ниже).
Второй период таблицы Менделеева заканчивается инертным газом неоном, у которого полностью заполнены электронами первая и вторая оболочки (2 и 8). В этом же периоде находится и кислород, которому недостает двух электронов для полного заполнения второй оболочки, чтобы стать устойчивым, подобно неону. Поэтому кислород и является сильным окислителем – он всегда стремится присоединить на свою вторую оболочку еще два электрона (окислителем называется то вещество, которое в ходе реакции принимает электроны). И если в какой-то момент к атому кислорода приблизится атом водорода (при высокой температуре), может произойти обобщение электронов атомов кислорода и водорода, то есть электрон, принадлежащий водороду, может начать двигаться по орбите и вокруг ядра атома водорода, и вокруг ядра атома кислорода. Одновременно и точно так же один электрон, принадлежащий кислороду, тоже начнет вращаться вокруг ядер и кислорода, и водорода, обеспечивая связь между этими ядрами. Такая связь, образованная парой электронов, находящихся в общем «пользовании» у двух атомов, называется ковалентной связью (приставка «ко» в слове «ковалентная» обозначает совместное участие и соответствует приставке «со» в русских словах, как, например, в словах «сотрудник», «соавтор», в итоге слово «ковалентная» означает «объединенная»). Ковалентная связь настолько широко распространена среди химических веществ, что иногда ее просто называют химической связью. Здесь же следует отметить, что в данном случае для нас наиболее важным положением квантово-механической теории является то, что движение электронов происходит по «разрешенным» орбитам. А понятие орбита означает пространственное описание движения электрона, соответствующее определенному устойчивому состоянию.