Як знайти валентні електрони в атомі?

Валентні електрони грають найважливішу роль визначенні хімічних властивостей атомів. Розуміння того, як знайти ці ключові електрони в атомі, допомагає передбачати та пояснювати реакційну здатність речовин, а також багато іншого. Давайте розберемося!

Що таке валентні електрони

Валентними називаються електрони у зовнішньому енергетичному рівні (шарі) атома. Саме вони визначають хімічні властивості елемента та його здатність вступати в реакції.

У різних елементів може бути різна кількість валентних електронів. Це від будови їх електронних оболонок. Наприклад, у натрію всього один валентний електрон, а у кисню – шість.

Як визначити валентні електрони атома

Щоб знайти валентні електрони, потрібно переглянути електронну конфігурацію елемента. Це запис, що показує розподіл всіх його електронів за енергетичними рівнями та підрівнями.

Наприклад, електронна конфігурація натрію виглядає так:

Тут видно, що останній, найдальший від ядра електрон знаходиться на рівні 3s. Отже, натрій має один валентний електрон.

Зв'язок валентних електронів та властивостей елементів

Кількість валентних електронів визначає здатність атома притягувати чи віддавати електрони при взаємодії коїться з іншими атомами.

• Елементи, що легко віддають електрони, - відновники. Вони мають мало валентних електронів.
• Елементи, що легко приймають електрони, - окислювачі. Вони мають багато валентних електронів.

Також від кількості валентних електронів залежить максимальна кількість інших атомів, з якими цей елемент може з'єднуватися.

Приклади підрахунку валентних електронів

Давайте підрахуємо валентні електрони для деяких елементів.

1. Вуглець C.Його конфігурація: 1s 2 2s 2 2p 2 . Значить, 4 валентні електрони (2s 2 2p 2 ).
2. Азот N: 1s 2 2s 2 2p 3 . 3 валентні електрони.
3. Неон Ne: 1s 2 2s 2 2p 6 . 0 валентних електронів (оболонка закрита).

Як бачите, підрахунок досить простий. Головне – розглянути зовнішній енергетичний шар та порахувати там електрони.

Особливості перехідних металів

Для перехідних металів правило визначення валентних електронів дещо інше. Вони валентними можуть вважатися як електрони зовнішнього енергетичного рівня, а й глибших d-подуровней.

Наприклад, залізо валентними є як 4s-, так і 3d-електрони. В результаті всього у нього 8 валентних електронів (а не 2, як за класичним правилом).

Така поведінка зумовлена ​​особливостями електронної будови перехідних металів.

Загалом принцип визначення для них той же - розглянути електронну конфігурацію і знайти зовнішні електрони, здатні до участі в хімічних реакціях.

Розподіл валентних електронів в атомі

Як ми з'ясували, валентні електрони перебувають у зовнішньому енергетичному шарі атома. Але більш детально можна розглянути їх розподіл за орбіталями та підрівнями.

Валентні електрони заповнюють атомні орбіталі у порядку зростання їхньої енергії. Спочатку заповнюються 1s, потім 2s, 2p, 3s і т.д. При цьому в кожній p-орбіталі може бути не більше 2 електронів, а в кожній s-орбіталі - не більше одного.

Вплив валентних електронів на фізичні властивості

Крім хімічних характеристик, кількість валентних електронів впливає і деякі фізичні властивості елементів.

Наприклад, провідність металів забезпечується рухом їх слабозв'язаних валентних електронів. А неметали із закритими оболонками, навпаки, зазвичай є діелектриками.

Методи визначення валентних електронів

Крім розгляду електронних конфігурацій, існують інші способи знаходження кількості валентних електронів.

Один з них - за положенням елемента в періодичній системі. Елементи в одній групі мають подібне число валентних електронів.

Крім того, приблизну оцінку можна робити за ступенями окислення елемента в з'єднаннях. Це також пов'язано з кількістю електронів, що віддаються або приймаються.

Застосування знань про валентні електрони

Інформація про валентні електрони використовується хіміками для:

• Прогнозування хімічних реакцій та їх продуктів
• Пояснення природи хімічного зв'язку у сполуках
• Розуміння механізмів окисно-відновних реакцій

Крім того, вона застосовується в науках про матеріали, електрохімію, кристалографію та інші галузі.

Приклад: прогноз реакцій щодо валентних електронів

Розглянемо простий приклад того, як знання про валентні електрони дозволяють передбачати реакції.

Візьмемо літій та кисень. У Li всього 1 валентний електрон, а у O - 6. Значить, 2 атоми Li можуть віддати по 1 електрону, щоб заповнити оболонку атома O. У результаті утворюється стабільне з'єднання Li2O.

Інші приклади прогнозування реакцій

Розглянемо ще кілька прикладів того, як аналіз валентних електронів допомагає прогнозувати реакції.

Візьмемо азот і водень У азоту 3 валентні електрони, у водню – 1. Щоб заповнити оболонку азоту, потрібно 3 атоми водню, кожен з яких віддасть свій єдиний електрон.

А тепер розглянемо хлор та натрій. У хлору 7 валентних електронів, натрію потрібен всього 1 електрон, щоб завершити оболонку. Тому 1 атом Na віддасть свій валентний електрон атому Cl.Утворюється іонний зв'язок у хлориді натрію NaCl.

Межі застосування даного підходу

Хоча аналіз валентних електронів нерідко дозволяє чітко прогнозувати реакції та продукти, є й винятки з цього правила.

По-перше, у перехідних металів за рахунок d-електронів можливий прояв різних ступенів окиснення. Це дуже ускладнює картину.

По-друге, реакції можуть впливати додаткові чинники – каталізатори, температура, тиск тощо. В результаті замість очікуваного продукту виходить інша речовина.

Альтернативні методи прогнозування

Крім аналізу валентних електронів, існує кілька інших підходів до теоретичного моделювання хімічних реакцій та передбачення їх продуктів:

• Квантово-хімічні розрахунки будови молекул та їх взаємодії
• Методи комп'ютерного моделювання речовин та реакцій
• Застосування поверхонь потенційної енергії, теорії перехідного стану
• Використання даних про термодинамічні та кінетичні характеристики реакцій

Комбінування цих методів з класичним аналізом по валентних електронах дозволяє отримувати найбільш точні та надійні прогнози.

Електронна будова атома хлору

Електронна будова нейтрального атома хлору здебільшого.

Схема будови електронних оболонок

Розподіл електронів за енергетичними рівнями (або електронними шарами) в атомі хлору.

Електронно-графічна схема

Розподіл електронів за атомними орбіталями в атомі хлору.

Валентні орбіталі атома хлору виділені фіолетовим кольором.

Електронна конфігурація

Повна електрична конфігурація атома хлору.

₁₇Cl 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5

Скорочена електронна конфігурація атома хлору.

Квантові числа валентних електронів

Головне (n), орбітальне (l), магнітне (m) та спинове (s) квантові числа валентних електронів атома хлору.

Електронна конфігурація атома хлору (Cl)

Cl (хлор) - елемент із прядковим номером 17 у періодичній системі. Знаходиться в III періоді. Температура: -101 ℃. Щільність: 0.00295 г/см3.

Електронна формула

Електронна формула атома хлору:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5

Скорочена електронна конфігурація Cl:
[Ne] 3s 2 3p 5

Електронно-графічна схема

Енергетичні рівні

Розподіл електронів за енергетичними рівнями в атомі Cl

1-й рівень (K): 2
2-й рівень (L): 8
3-й рівень (M): 7

Валентні електрони хлору

Кількість валентних електронів в атомі хлору – 7.
Нижче наведені їх квантові числа (N – головне, L – орбітальне, M – магнітне, S – спин)

Стабільні ізотопи