Czym są elektrony walencyjne i jak je znaleźć?

Czym są elektrony walencyjne

Elektrony w atomie są rozmieszczone na powłokach wokół jądra. Elektrony na powłokach wewnętrznych, zwane elektronami rdzenia, są silnie związane i rzadko biorą udział w reakcjach. Elektrony na powłoce najbardziej zewnętrznej leżą dalej od jądra, są słabiej związane i jako pierwsze oddziałują z innymi atomami. To właśnie elektrony walencyjne.

Sód ma 11 elektronów rozmieszczonych jako 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹. Pierwsze dziesięć tworzy trwały rdzeń o takim samym układzie jak neon, a pojedynczy elektron 3s jest jedynym elektronem walencyjnym sodu. Prawie cała chemia sodu wynika z tego jednego elektronu.

Jak znaleźć elektrony walencyjne na podstawie numeru grupy

Dla pierwiastków grup głównych odpowiedź podaje wprost układ okresowy. Pierwiastki z grup 1 i 2 mają odpowiednio 1 i 2 elektrony walencyjne. Dla grup od 13 do 18 odejmij 10 od numeru grupy: grupa 13 ma 3, grupa 14 ma 4, grupa 15 ma 5, grupa 16 ma 6, grupa 17 ma 7, a grupa 18 ma 8.

Zatem węgiel (grupa 14) ma 4 elektrony walencyjne, azot (grupa 15) ma 5, tlen (grupa 16) ma 6, a neon (grupa 18) ma 8. Wyjątkiem w grupie 18 jest hel: ma tylko 2 elektrony walencyjne, które całkowicie zapełniają jego pierwszą powłokę.

Jak znaleźć je na podstawie konfiguracji elektronowej

Jeśli znasz konfigurację elektronową, policz elektrony na powłoce o najwyższym numerze. Dla pierwiastków grup głównych są to zewnętrzne elektrony s i p.

Tlen to 1s² 2s² 2p⁴. Jego najwyższa powłoka to 2, na której znajduje się 2 + 4 = 6 elektronów, więc tlen ma 6 elektronów walencyjnych. Brom to [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁵. Jego najwyższa powłoka to 4, na której znajduje się 2 + 5 = 7 elektronów. Pełna podpowłoka 3d należy do powłoki wewnętrznej i nie jest liczona, więc brom ma 7 elektronów walencyjnych, tak jak każdy inny fluorowiec.

Elektrony walencyjne i jony

Atomy mają skłonność do przyjmowania, oddawania lub uwspólniania elektronów, aż osiągną trwały układ, zwykle osiem elektronów zewnętrznych (oktet) jak gaz szlachetny. Bardzo małe atomy, takie jak wodór i lit, dążą natomiast do układu dwóch elektronów jak w helu.

Pierwiastki z niewielką liczbą elektronów walencyjnych oddają je, tworząc jony dodatnie, a pierwiastki z dużą liczbą przyjmują elektrony, tworząc jony ujemne. Metale grupy 1 tworzą jony +1 (Na⁺), metale grupy 2 tworzą jony +2 (Mg²⁺), a glin z grupy 13 tworzy jony +3 (Al³⁺). Po drugiej stronie azot i fosfor z grupy 15 tworzą jony −3 (N³⁻, P³⁻), tlen i siarka z grupy 16 tworzą jony −2 (O²⁻, S²⁻), a fluorowce z grupy 17 tworzą jony −1 (Cl⁻). Gazy szlachetne mają już pełną powłokę zewnętrzną, więc ich ładunek wynosi 0. Węgiel i krzem z grupy 14 zwykle uwspólniają swoje 4 elektrony walencyjne w wiązaniach kowalencyjnych, zamiast tworzyć proste jony.

Elektrony walencyjne i wiązania

Elektrony walencyjne wyjaśniają także wiązania kowalencyjne. Węgiel ma 4 elektrony walencyjne i potrzebuje jeszcze 4, by dopełnić oktet, więc zwykle tworzy 4 wiązania, jak w metanie (CH₄). Azot, z 5 elektronami, tworzy 3 wiązania w amoniaku (NH₃), a tlen, z 6, tworzy 2 wiązania w wodzie (H₂O).

Struktury kropkowe Lewisa pokazują elektrony walencyjne jako kropki wokół symbolu pierwiastka. Tlen rysuje się z 6 kropkami, a chlor z 7, dzięki czemu łatwo zobaczyć, ile elektronów brakuje każdemu atomowi.

Metale przejściowe: przypadek szczególny

Dla metali przejściowych reguła jest mniej prosta, ponieważ w tworzeniu wiązań mogą uczestniczyć także elektrony z podpowłoki d, leżącej tuż pod powłoką zewnętrzną. Na tej stronie liczba elektronów walencyjnych podana dla metalu przejściowego to liczba elektronów w jego zewnętrznej podpowłoce s. Żelazo, [Ar] 3d⁶ 4s², pokazano z 2 elektronami walencyjnymi.

Pamiętaj, że elektrony d także tworzą wiązania. Żelazo zwykle tworzy zarówno Fe²⁺, jak i Fe³⁺: najpierw oddaje dwa elektrony 4s, a potem elektron 3d, by stać się Fe³⁺. Dlatego wiele metali przejściowych ma więcej niż jeden często spotykany ładunek.