Валентность атомов

В классическом представлении валентность определяется числом неспаренных электронов в основном или возбужденном состоянии атомов. Основное состояние - электронное состояние атома, в котором его энергия минимальна. Возбужденное состояние - электронное состояние атома, соответствующее переходу одного или нескольких электронов с орбитали с меньшей энергией на свободную орбиталь с большей энергией. Для s- и р-элементов возможен переход электронов только в пределах внешнего электронного слоя. Для d-элементов возможны переходы в пределах d-подуровня предвнешнего слоя и s- и р-подуровней внешнего слоя. Для f-элементов возможны переходы в пределах (n-2)f-, (n-1)d-, ns- и np-подуровней, где n- номер внешнего электронного слоя. Валентными электронами называются электроны, определяющие валентность атома в его основном или возбужденном состоянии. Валентный электронный слой - слой, на котором расположены валентные электроны.

Пример 2

Описать с помощью квантовых чисел электроны внешнего слоя атома серы и валентные электроны железа (основное состояние). Указать возможные валентности и степени окисления атомов этих элементов.

Решение

1). Атом серы.

Сера имеет порядковый номер 16. Она находится в третьем периоде, шестой группе, главной подгруппе. Следовательно, это р-элемент, внешний электронный слой - третий, он и является валентным. На нем шесть электронов. Электронное строение валентного слоя имеет вид

Œ Ž  ‘

Для всех электронов n=3, т. к. они расположены на третьем слое. Рассмотрим их по порядку:

Œ n=3, L=0 (электрон расположен на s-орбитали), m_l=0 (для s-орбитали возможно только такое значение магнитного квантового числа), m_s=+1/2 (вращение вокруг собственной оси происходит по часовой стрелке);

 n=3, L=0, m_l=0 (эти три квантовых числа такие же, как и у первого электрона, т. к. оба электрона находятся на одной орбитали), m_s= -1/2 (только здесь проявляется различие, требуемое по принципу Паули);

Ž n=3, L=1 (это р-электрон), m_l=+1 (из трех возможных значений m_l= ±1, 0 для первой р-орбитали выбираем максимальное, это р_х-орбиталь), m_s= +1/2;

 n=3, L=1, m_l= +1, m_s=-1/2;

 n=3, L=1, m_l= 0 (это р_у-орбиталь), m_s= +1/2;

‘ n=3, L=1, m_l= -1 (это р_z-орбиталь), m_s= +1/2.

Рассмотрим валентности и степени окисления серы. На валентном слое в основном состоянии атома имеются две электронные пары, два неспаренных электрона и пять свободных орбиталей. Следовательно, валентность серы в этом состоянии II. Сера - неметалл. До завершения слоя ей не хватает двух электронов, поэтому в соединениях с атомами менее электроотрицательных элементов, например, с металлами, она может проявлять минимальную степень окисления -2. Распаривание электронных пар возможно, т. к. на этом слое есть свободные орбитали. Следовательно, в первом возбужденном состоянии (S^*)

атом серы может иметь валентность IV, а во втором (S^**) VI:

В соединениях с атомами более электроотрицательных элементов, например, кислородом, все шесть валентных электронов могут быть смещены от атомов серы, поэтому ее максимальная степень окисления +6.

2). Железо.

Порядковый номер железа 26. Оно расположено в четвертом периоде, в восьмой группе, побочной подгруппе. Это d-элемент, шестой в ряду d-элементов четвертого периода. Валентные электроны железа (восемь) расположены на 3d-подуровне (шесть, в соответствии с положением в ряду d-элементов) и на 4s-подуровне (два):

Œ Ž   ‘

’“

Рассмотрим их по порядку:

Πn=3, L=2, m_l= +2, m_s= +1/2;

 n=3, L=2, m_l= +2, m_s= -1/2;

Ž n=3, L=2, m_l= +1, m_s= +1/2;

 n=3, L=2, m_l= 0, m_s= +1/2;

 n=3, L=2, m_l= -1, m_s= +1/2;

‘ n=3, L=2, m_l= -2, m_s= +1/2;

’ n=4, L=0, m_l= 0, m_s= +1/2;

“ n=4, L=0, m_l= 0, m_s= -1/2.

Валентность

На внешнем слое нет неспаренных электронов, поэтому минимальная валентность железа (II) проявляется в возбужденном состоянии атома:

После того, как будут использованы электроны внешнего слоя, в образование химических связей могут быть задействованы 4 неспаренных электрона 3d-подуровня. Следовательно, максимальная валентность железа VI.

Степень окисления

Железо – металл, поэтому для него характерны положительные степени окисления от +2 (задействованы электроны 4s-подуровня) до +6 (задействованы 4s- и все неспаренные 3d-электроны).