Що таке валентні електрони і як їх знайти?

Що таке валентні електрони

Електрони атома розташовані на оболонках навколо ядра. Електрони на внутрішніх оболонках, які називаються остовними, утримуються міцно й рідко беруть участь у реакціях. Електрони на зовнішній оболонці розташовані далі від ядра, утримуються слабше й першими взаємодіють з іншими атомами. Це і є валентні електрони.

Натрій має 11 електронів, розташованих як 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹. Перші десять утворюють стабільний остов з тим самим розташуванням, що й у неону, а єдиний електрон 3s — єдиний валентний електрон натрію. Майже вся хімія натрію зумовлена цим одним електроном.

Як знайти валентні електрони за номером групи

Для елементів головних груп періодична таблиця дає відповідь безпосередньо. Елементи 1-ї та 2-ї груп мають 1 і 2 валентні електрони. Для груп з 13 до 18 віднімайте 10 від номера групи: 13-та група має 3, 14-та — 4, 15-та — 5, 16-та — 6, 17-та — 7, а 18-та — 8.

Отже, вуглець (14-та група) має 4 валентні електрони, азот (15-та група) — 5, кисень (16-та група) — 6, а неон (18-та група) — 8. Гелій — виняток у 18-й групі: він має лише 2 валентні електрони, які повністю заповнюють його першу оболонку.

Як знайти їх за електронною конфігурацією

Якщо ви знаєте електронну конфігурацію, порахуйте електрони на оболонці з найбільшим номером. Для елементів головних груп це зовнішні s- і p-електрони.

Кисень — 1s² 2s² 2p⁴. Його найвища оболонка — 2, на якій 2 + 4 = 6 електронів, тож кисень має 6 валентних електронів. Бром — [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁵. Його найвища оболонка — 4, на якій 2 + 5 = 7 електронів. Повна підоболонка 3d належить до внутрішньої оболонки й не враховується, тож бром має 7 валентних електронів, як і кожен інший галоген.

Валентні електрони та йони

Атоми схильні приєднувати, віддавати або ділити електрони, поки не досягнуть стабільного розташування, зазвичай восьми зовнішніх електронів (октету), як у благородного газу. Дуже малі атоми, як-от водень і літій, прагнуть натомість до двох електронів, як у гелію.

Елементи з малою кількістю валентних електронів віддають їх, утворюючи позитивні йони, а елементи з багатьма приєднують електрони, утворюючи негативні йони. Метали 1-ї групи утворюють йони +1 (Na⁺), метали 2-ї групи — йони +2 (Mg²⁺), а алюміній з 13-ї групи — йони +3 (Al³⁺). З іншого боку, азот і фосфор з 15-ї групи утворюють йони −3 (N³⁻, P³⁻), кисень і сірка з 16-ї групи — йони −2 (O²⁻, S²⁻), а галогени 17-ї групи — йони −1 (Cl⁻). Благородні гази вже мають заповнену зовнішню оболонку, тож їхній заряд 0. Вуглець і кремній з 14-ї групи зазвичай ділять свої 4 валентні електрони в ковалентних зв’язках, а не утворюють прості йони.

Валентні електрони та хімічний зв’язок

Валентні електрони також пояснюють ковалентні зв’язки. Вуглець має 4 валентні електрони й потребує ще 4, щоб завершити октет, тож зазвичай утворює 4 зв’язки, як у метані (CH₄). Азот, маючи 5, утворює 3 зв’язки в амоніаку (NH₃), а кисень, маючи 6, утворює 2 зв’язки у воді (H₂O).

Структури Льюїса показують валентні електрони як крапки навколо символу елемента. Кисень зображують із 6 крапками, а хлор із 7, що дозволяє легко побачити, скільки електронів ще потрібно кожному атому.

Перехідні метали: окремий випадок

Для перехідних металів правило менш просте, бо електрони d-підоболонки безпосередньо під зовнішньою оболонкою також можуть брати участь у зв’язку. На цьому сайті кількість валентних електронів для перехідного металу — це кількість електронів на його зовнішній s-підоболонці. Залізо, [Ar] 3d⁶ 4s², показано з 2 валентними електронами.

Пам’ятайте, що d-електрони теж утворюють зв’язки. Залізо зазвичай утворює і Fe²⁺, і Fe³⁺: спершу воно віддає два електрони 4s, а потім електрон 3d, щоб стати Fe³⁺. Тому багато перехідних металів мають більше ніж один поширений заряд.