Что такое валентные электроны и как их найти?

Что такое валентные электроны

Электроны атома расположены на оболочках вокруг ядра. Электроны внутренних оболочек, называемые остовными, удерживаются прочно и редко участвуют в реакциях. Электроны внешней оболочки находятся дальше от ядра, удерживаются слабее и первыми взаимодействуют с другими атомами. Это и есть валентные электроны.

У натрия 11 электронов, расположенных как 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹. Первые десять образуют устойчивый остов с тем же распределением, что у неона, а единственный 3s-электрон — единственный валентный электрон натрия. Почти вся химия натрия определяется этим одним электроном.

Как найти валентные электроны по номеру группы

Для элементов главных групп периодическая таблица даёт ответ напрямую. У элементов 1-й и 2-й групп 1 и 2 валентных электрона. Для групп с 13 по 18 вычтите 10 из номера группы: в 13-й группе 3, в 14-й — 4, в 15-й — 5, в 16-й — 6, в 17-й — 7 и в 18-й — 8.

Так, у углерода (14-я группа) 4 валентных электрона, у азота (15-я группа) — 5, у кислорода (16-я группа) — 6, а у неона (18-я группа) — 8. Гелий — исключение в 18-й группе: у него всего 2 валентных электрона, которые полностью заполняют его первую оболочку.

Как найти их по электронной конфигурации

Если вы знаете электронную конфигурацию, сосчитайте электроны на оболочке с наибольшим номером. Для элементов главных групп это внешние s- и p-электроны.

У кислорода 1s² 2s² 2p⁴. Его наибольшая оболочка — вторая, на ней 2 + 4 = 6 электронов, значит, у кислорода 6 валентных электронов. У брома [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁵. Его наибольшая оболочка — четвёртая, на ней 2 + 5 = 7 электронов. Заполненная 3d-подоболочка принадлежит внутренней оболочке и не учитывается, поэтому у брома 7 валентных электронов, как у каждого другого галогена.

Валентные электроны и ионы

Атомы стремятся принять, отдать или обобществить электроны, пока не достигнут устойчивого состояния, обычно из восьми внешних электронов (октета), как у благородного газа. Очень маленькие атомы, такие как водород и литий, стремятся вместо этого к двум электронам, как у гелия.

Элементы с малым числом валентных электронов отдают их, образуя положительные ионы, а элементы с большим числом принимают электроны, образуя отрицательные ионы. Металлы 1-й группы образуют ионы +1 (Na⁺), металлы 2-й группы — ионы +2 (Mg²⁺), а алюминий из 13-й группы — ионы +3 (Al³⁺). С другой стороны, азот и фосфор из 15-й группы образуют ионы −3 (N³⁻, P³⁻), кислород и сера из 16-й группы — ионы −2 (O²⁻, S²⁻), а галогены 17-й группы — ионы −1 (Cl⁻). У благородных газов внешняя оболочка уже заполнена, поэтому их заряд 0. Углерод и кремний из 14-й группы обычно обобществляют свои 4 валентных электрона в ковалентных связях, а не образуют простые ионы.

Валентные электроны и химические связи

Валентные электроны объясняют и ковалентные связи. У углерода 4 валентных электрона, и ему нужно ещё 4 для завершения октета, поэтому он обычно образует 4 связи, как в метане (CH₄). Азот, у которого их 5, образует 3 связи в аммиаке (NH₃), а кислород, у которого 6, — 2 связи в воде (H₂O).

Точечные структуры Льюиса показывают валентные электроны в виде точек вокруг символа элемента. Кислород рисуют с 6 точками, а хлор — с 7, и сразу видно, сколько электронов ещё нужно каждому атому.

Переходные металлы: особый случай

Для переходных металлов правило менее простое, потому что в образовании связей могут участвовать и электроны d-подоболочки, лежащей прямо под внешней оболочкой. На этом сайте число валентных электронов, указанное для переходного металла, — это число электронов на его внешней s-подоболочке. У железа, [Ar] 3d⁶ 4s², указано 2 валентных электрона.

Помните, что d-электроны тоже участвуют в образовании связей. Железо обычно образует и Fe²⁺, и Fe³⁺: сначала оно теряет два 4s-электрона, а затем один 3d-электрон, превращаясь в Fe³⁺. Поэтому у многих переходных металлов бывает более одного распространённого заряда.