Валентні електрони — правила, формули, приклади

У хімії валентними електронами називають ті електрони, які знаходяться на зовнішній оболонці атомного ядра. Вони мають важливе значення, тому що дають глибоке розуміння хімічних властивостей елемента.

Наприклад, чи є речовина за своєю природою електропозитивною або електронегативною, або який порядок зв’язків може утворюватися між двома атомами.

Електрони і валентність

Міжнародний союз теоретичної і прикладної хімії визначив валентність як максимальне число одновалентних атомів (спочатку — водню або хлору), які можуть об’єднуватися з атомом або фрагментом розглянутого елемента.

Сучасне альтернативне трактування звучить трохи інакше: валентність — це число атомів водню, які можуть об’єднуватися з елементом в бінарному гідриді, або подвоєна кількість атомів кисню, що об’єднуються з елементом в його оксиді або оксидах.

Це визначення відрізняється від формулювання МСТПХ, оскільки більшість речовин має більш ніж одну валентність.

Модель ядерного атома Резерфорда (1911) показала, що зовнішню оболонку атома займають заряджені частинки. Це свідчить про те, що електрони відповідальні за взаємодію атомів і утворення хімічних зв’язків.

У 1916 році Гілберт Н. Льюїс пояснив валентність і хімічний зв’язок з точки зору тенденції атомів досягати стабільного октету з 8 електронів у валентній оболонці.

Згідно з Льюїсом, ковалентний зв’язок призводить до октетів при спільному використанні електронів, а іонний зв’язок – при передачі електронів від одного атома до іншого. Термін ковалентність приписується Ірвінгу Ленгмюру. Префікс ко- означає “разом”, тобто атоми поділяють валентність. Тому визначення валентності за формулою з’єднання стало можливим.

У 1930-х роках Лінус Полінг припустив, що існують також полярні ковалентні зв’язки, які є проміжними, а ступінь іонного характеру залежить від різниці електронегативності двох пов’язаних атомів.

Полінг також розглядав гіпервалентні молекули, в яких елементи мають видимі валентності, наприклад, в молекулі гексафториду сірки (SF₆). Вчений вважав, що сірка утворює 6 справжніх двохелектронних зв’язків з використанням sp3d2 гібридних атомних орбіталей, які об’єднують одну s, три p і дві d орбіталі.

Для основних елементів в періодичній таблиці Менделєєва валентність може варіюватися від 1 до 7. Більшість речовин мають загальну валентність, пов’язану з їх положенням в таблиці. Для опису іонів в зарядових станах 1, 2, 3 і т.д. (відповідно) використовуються грецькі/латинські цифрові префікси (моно-, уні-, бі-, три-).

Види з одним зарядом є одновалентними. Наприклад, Cs — одновалентний катіон, тоді як Ca₂⁺ є двовалентним, а Fe₃⁺ — тривалентним. Існують також полівалентні катіони, які не обмежені певною кількістю валентних зв’язків.

На відміну від Cs і Ca, Fe може існувати в інших зарядових станах, особливо 2⁺ і 4⁺, і тому відомий як багатовалентний (полівалентний) іон.

Перехідні метали, як правило, багатовалентні, але, на жаль, не існує простої схеми, яка передбачає їх валентність.

Визначення кількості електронів

Кількість електронів можна визначитиза допомогою спеціального онлайн-калькулятора. Однак його знаходження під рукою не завжди можливо. Тому наступний варіант – звернутися до атомної конфігурації елемента і просто порахувати число заряджених частинок на зовнішній оболонці атома. Однак це надзвичайно виснажливе заняття, тому що, можливо, доведеться перегорнути багато підручників, щоб знайти конфігурації, з якими дослідник не знайомий.

Визначити кількість валентних електронів елемента і його валентність найпростіше по таблиці Менделєєва. Потрібно звернути увагу на вертикальний стовпець, в якому вказана класифікація.

Винятком є перехідні метали — 3-12 групи.

Цифра в порядковому номері групи показує, скільки валентних електронів пов’язано з нейтральним атомом речовини, що зазначений в цьому конкретному стовпці.

Приклад в таблиці:

Треба сказати, що періодична таблиця — це акуратне розташування всіх елементів, які відомі науці на цей час. Вони розташовуються зліва направо в порядку зростання їх атомарних номерів або числа протонів (електронів), які вони містять.

Всі речовини в таблиці Менделєєва діляться на чотири категорії:

• елементи основної групи;
• перехідні елементи;
• лантаноїд;
• актиноїди (актиніди).

Останні дві категорії – це внутрішні перехідні елементи, що утворюють міст в групах 2 і 13. Таблиця містить рядки-періоди та 18 стовпців, що відомі як групи. Є ще підтаблиця, яка містить 7 рядків і 2 стовпці з більш рідкісними речовинами.

Номер рядка (періоду) елемента показує кількість оболонок, що оточують його ядро.

Хімічна реакція

Число електронів, що містяться на зовнішній оболонці атома, яку ще називають валентною, визначає його здатність утворювати зв’язки. Тому елементи з однаковою кількістю валентних електронів в атомі групуються в періодичну таблицю. Зазвичай речовини головної групи, виключаючи гелій і водень, мають тенденцію вступати в реакцію з утворенням замкнутої оболонки, яка відповідає конфігурації електронів s2 P6. Це називається правилом октетів, оскільки у кожного зв’язаного атома буде вісім валентних електронів, враховуючи загальні електрони.

З металевих елементів найбільш реакційноздатними є лужні метали першої групи, наприклад, калій і натрій. Такий атом має тільки один валентний електрон. Ця єдина заряджена частинка з легкістю втрачається під час утворення іонного зв’язку, після чого утворюється катіон (позитивний іон), наприклад, K⁺ або Na⁺, оболонка якого буде закрита.

Друга група – це лужноземельні метали, наприклад, магній, – менш реактивні. Щоб отримати позитивний іон (Mg₂⁺), кожному їх атому потрібно віддати два валентні електрони.

У будь-якій групі (в стовпці таблиці Менделєєва) металів реакційна здатність стає більше, якщо рухатися від легкої речовини до важкої, тобто реакційна здатність збільшується з кожним нижнім рядом таблиці. Відбувається це просто тому, що у важких елементів більше оболонок. Їх валентним електронам доводиться існувати в умовах  високих головних квантових чисел.

Вони знаходяться далі від атомного ядра і, отже, мають вищу потенційну енергію. Це означає, що зв’язок між ними менш тісний.

Атом неметалу налаштований залучати додаткові валентні електрони, щоб утворити повну валентну оболонку.

Це може бути досягнуто одним з двох способів:

• за допомогою ковалентного зв’язку, тобто атом поділиться електронами з сусідом;
• буде використаний іонний зв’язок, тобто електрони будуть забрані з іншого атома.

Найбільш реактивними видами неметалевих елементів є галогени. До них можна віднести хлор (Cl) або, наприклад, фтор (F).

Якщо рухатися від легкого елемента до важкого, в межах кожної групи неметалів їх реакційна здатність буде зменшуватися. Це тому, що валентні електрони будуть втрачати тісний зв’язок, оскільки вони отримують більше  енергії.

За фактом, найлегший елемент в 16 групі — це кисень — найбільш реакційноздатний неметал, після фтору, звичайно.

У таких простих випадках, коли дотримується правило октету, валентність атома дорівнює кількості розділених електронів, втрачених або отриманих для того, щоб сформувався стабільний октет. Однак є також багато молекул, для яких валентність менш чітко визначена, але це, скоріше, винятки.

Електронна конфіґурація

Заряджені частинки, що визначають хімічну реакцію атома, – це ті, чия середня відстань від ядра найбільша, тобто вони володіють найвищою енергією. Для елемента основної групи валентні електрони визначаються як ті, що знаходяться в електронній оболонці з найбільшим головним квантовим числом n.

Отже, число валентних електронів, яке може бути у речовини, залежить від конфігурації самих частинок.

Наприклад, щоб визначити валентні електрони фосфору, потрібно записати його конфігурацію: 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 3. Отже, виходить 5 валентних електронів (3S 2 3P 3), що відповідає максимальній валентності для P, рівній 5.

Однак перехідні елементи мають частково заповнені (_n-1) D енергетичні рівні, до слова, досить близькі по енергії до рівня ns. Тому, на відміну від речовин основної групи, валентний електрон для перехідного металу визначається як частка, яка знаходиться поза ядром благородного газу.

Як правило, d-електрони в перехідних металах поводяться як валентні, хоча вони не знаходяться в оболонці. Наприклад, Марганець (Mn) має конфігурацію 1s2 2s2 2P6 3S2 3P6 4s2 3D5, це скорочено — [Ar] 4s2 3D5, де [Ar] — позначення конфігурації ядра, що ідентичне благородному газу — аргону. Електрон 3D цього атома має енергію, аналогічну 4s, але перевищує 3S або 3P.

За межами аргоноподібного ядра, можливо, є сім валентних електронів (4S2 3d5), це цілком узгоджується з тим фактом, що, наприклад, ступінь окислення марганцю може досягати +7 (в перманганатному іоні MnO — 4).

Чим правіше речовина розташована в ряду перехідних металів, тим енергія її зарядженої частинки в субоболонці нижче, і тим менше валентних властивостей у такого електрона.

Наприклад, хоча зазвичай у атома нікелю десята валентність (4s2 3d8), його ступінь окислення ніколи не перевищує чотирьох. Для цинку 3D-оболонка є повною і поводиться подібно електронам ядра.

Оскільки кількість валентних електронів, що беруть участь в хімічних реакціях фактично, передбачити складно, концепція цієї частинки несе мало користі для перехідних металів, якщо порівнювати з елементами з основної групи. Однак підрахунок електронів для розуміння хімії перехідних металів є альтернативним інструментом.

Електрична провідність

Відповідальність за електричну провідність речовини лежить, в тому числі, і на електронах. Внаслідок чого елементи класифікуються наступним чином:

• металоїди (напівпровідники);
• неметал;
• метал.

У твердому стані металеві елементи, зазвичай, мають високу електропровідність. Оскільки валентний електрон металу має невелику енергію іонізації, перебуваючи в твердому стані, він відносно вільно залишає атом, щоб зв’язуватися з іншими.

Коли електрон вільний, він може переміщатися під впливом електричного поля, тобто створювати електричний струм, відповідаючи за електропровідність металу. Прикладом хороших провідників можуть служити:

• срібло, так само як і золото;
• алюміній;
• мідь.

Неметалічний елемент діє як ізолятор, оскільки має низьку електропровідність. У таблиці Менделєєва такі речовини знаходяться праворуч. Їх валентна оболонка заповнена наполовину (виняток становить бор).

Коли на атом впливає деяке електричне поле, заряджена частинка не може його легко покинути, тому такий елемент може проводити слабкий постійний або змінний електричний струм. Наприклад, сірка і алмаз — одні з таких речовин.

Ізолятором також може бути тверде з’єднання, яке містить метали, якщо для утворення іонних зв’язків використовуються валентні електрони атомів металу. Наприклад, натрій, хоч він і являє собою м’який метал, проте твердий хлорид натрію є ізолятором.

Оскільки для утворення іонного зв’язку валентні електрони натрію переносяться в хлор, електрони не мають можливості легко переміщатися.

Напівпровідники володіють проміжною між металами і неметалами електричною провідністю. Цікаво, що при збільшенні температури у цих речовин поліпшується провідність.

Германій і кремній можна віднести до типових елементарних напівпровідників, кожен їх атом має 4 валентні електрони. Треба сказати, що найкраще властивості напівпровідників пояснюються за допомогою теорії зон.