Математика раскрывает одну дополнительную странность, своего рода обсессивно-компульсивный синдром атомов, который является главной движущей силой химических реакций во всем космосе. Атомы питают отвращение к частично заполненным уровням. Пустые уровни? Отлично. Заполненные уровни? Тоже хорошо. Но частичная заполненность? Такое состояние заставляет атомы лезть на стенку. Некоторым атомам везет — им досталось ровно столько электронов, чтобы можно было самостоятельно и полностью заполнить несколько уровней. Гелий содержит два электрона, которые компенсируют электрический заряд двух его протонов, и они радостно заполняют первый ярус. У неона десять электронов, которые компенсируют электрический заряд его десяти протонов, и они столь же радостно заполняют первый уровень, вмещающий два электрона, и второй, вмещающий оставшиеся восемь. Но для большинства атомов число электронов, необходимых, чтобы уравновесить число протонов в ядре, не позволяет заполнить какой-то набор уровней целиком22.
Что же они делают?
Они обмениваются электронами с атомами других видов. Допустим, вы атом и вам на внешнем уровне не хватает двух электронов, а я — другой атом и у меня на внешнем уровне всего два электрона; если я подарю вам два электрона, то мы поможем друг другу удовлетворить страсть к заполненным уровням: в результате этого подарка у каждого из нас будут целиком заполненные ярусы. Обратите также внимание, что вы, приняв мои электроны, получите суммарный отрицательный заряд, а я, отдав электроны, получу суммарный положительный заряд и, поскольку противоположные заряды притягиваются, мы с вами обнимемся и вместе образуем электрически нейтральную молекулу.
Или если нам с вами, к примеру, обоим недостает одного электрона до заполнения верхнего уровня, то мы можем заключить сделку другого рода: каждый из нас пожертвует один электрон в общую копилку — этой парой мы будем пользоваться совместно. Тем самым мы удовлетворим страсть друг друга к заполненным уровням и — посредством связи наших общих электронов — опять же объединимся в электрически нейтральную молекулу. Эти процессы, позволяющие заполнить электронные уровни посредством соединения атомов, мы называем химическими реакциями. По этому шаблону строятся подобные реакции у нас на Земле, внутри живых систем и повсюду во Вселенной.
Вода служит важной иллюстрацией этой идеи. Кислород содержит восемь электронов — два на первом ярусе и шесть на втором. Таким образом, кислород жаждет получить еще два электрона и стремится заполнить свой второй уровень до максимальной населенности в восемь электронов. Одним из легкодоступных источников электронов является водород. В каждом атоме водорода имеется один-единственный электрон, который скучает в одиночестве на первом ярусе. Если атом водорода получает возможность дополнить свой первый уровень вторым электроном, он с радостью это делает. Так что водород и кислород соглашаются завести общую пару электронов, что полностью удовлетворяет потребности водорода и делает кислород на один электрон ближе к орбитальному счастью. Добавьте к этому второй атом водорода, который тоже заводит общую с кислородом пару электронов, и все будут счастливы. Общее владение этими электронами привязывает каждый атом кислорода к двум атомам водорода, в результате чего и получается H