Учебник для 11 класса

ХИМИЯ

§ 4. Валентные возможности атомов химических элементов

Структура наружных энергетических уровней атомов химических элементов и определяет в основном свойства их атомов. Эти уровни называют валентными. Электроны этих уровней, а иногда и предвнешних уровней могут принимать участие в образовании химических связей. Такие электроны также называют валентными.

Валентность атома химического элемента определяется в первую очередь числом неспаренных электронов, принимающих участие в образовании химической связи.

Валентные электроны атомов элементов главных подгрупп занимают s- и р-подуровни внешнего энергетического уровня. У элементов побочных подгрупп, кроме лантаноидов и актиноидов, валентные электроны расположены на s-подуровне внешнего и d-подуровне пред-внешнего энергетического уровня.

Для того чтобы верно оценить валентные возможности атомов химических элементов, нужно рассмотреть распределение электронов в них по энергетическим уровням и подуровням и определить число неспаренных электронов в соответствии с принципом Паули и правилом Хунда для невозбужденного (основного, или стационарного) состояния атома и для возбужденного. Говорят, что атом находится в возбужденном состоянии, если он получил дополнительную энергию, в результате чего произошло распаривание электронов внешнего слоя и переход их в другие, не самые энергетически выгодные состояния. Атом в возбужденном состоянии обозначают соответствующим символом элемента со звездочкой. Например, рассмотрим валентные возможности атомов фосфора в стационарном и возбужденном состояниях:

В невозбужденном состоянии атом фосфора имеет три неспаренных электрона на р-подуровне. При переходе атома в возбужденное состояние один из пары электронов Зв-подуровня переходит на Зd-подуровень. Валентность фосфора при этом изменяется с трех (в основном состоянии) до пяти (в возбужденном состоянии).

Разъединение спаренных электронов требует затрат энергии. Вместе с тем расход энергии на перевод атома в возбужденное состояние компенсируется энергией, выделяющейся при образовании химических связей неспаренными электронами.

Так, атом углерода в стационарном состоянии имеет два неспаренных электрона. Следовательно, с их участием могут образоваться две общие электронные пары, осуществляющие две ковалентные связи. Однако вам хорошо известно, что во многих неорганических и во всех органических соединениях присутствуют атомы четырехвалентного углерода. Очевидно, что его атомы образовали четыре ковалентные связи в этих соединениях, находясь в возбужденном состоянии.

Затраты энергии на возбуждение атомов углерода с избытком компенсируются энергией, выделяющейся при образовании двух дополнительных ковалентных связей. Так, для перевода атомов углерода из стационарного состояния 2s²2p² в возбужденное — 2s¹2p³ требуется затратить около 400 кДж/моль энергии. Но при образовании С—Н-связи в предельных углеводородах выделяется 360 кДж/моль. Следовательно, при образовании двух молей С—Н-связей выделится 720 кДж, что превышает энергию перевода атомов углерода в возбужденное состояние на 320 кДж/моль.

В заключение следует отметить, что валентные возможности атомов химических элементов далеко не исчерпываются числом неспаренных электронов в стационарном и возбужденном состояниях атомов. Если вы вспомните донорно-акцепторный механизм образования ковалентных связей, то вам станут понятны и две другие валентные возможности атомов химических элементов, которые определяются наличием свободных атомных орбиталей и неподеленных электронных пар, способных дать ковалентную химическую связь по донорно-акцепторному механизму. Вспомните образование иона аммония NH⁺₄. (Более подробно мы рассмотрим реализацию этих валентных возможностей атомами химических элементов при изучении химической связи.)

Сделаем общий вывод. Валентные возможности атомов химических элементов определяются:

1. числом неспаренных электронов (одноэлектронных атомных орбиталей);
2. наличием свободных атомных орбиталей и неподеленных пар электронов на валентном энергетическом уровне.

Вопросы и задания к § 4

1. Какими тремя факторами определяются валентные возможности атомов химических элементов?
2. Почему максимальная валентность атомов элементов 2-го периода не может быть больше четырех?
3. Вспомните, чем различаются понятия «валентность» и «степень окисления». Что между ними общего?
4. Укажите валентность и степень окисления атомов азота в ионе аммония NH⁺₄?.
5. Определите валентность и степень окисления атомов углерода в веществах с формулами С₂Н₆, С₂Н₄, С₂Н₂.
6. Определите валентность и степень окисления атомов в веществах с формулами N₂, NF₃, NH₃, Н₂O₂, OF₂, O₂F₂.
7. Определите валентные возможности атомов серы и хлора в основном и возбужденном состояниях.