Возбуждённое состояние, валентные электроны и ионы
Откуда у серы валентность VI и почему катион всегда меньше своего атома.
7. Возбужденное состояние атома
Возбужденное состояние — это нестабильное состояние атома, в которое он переходит при получении энергии (нагревание, облучение). При этом электроны распариваются и переходят на свободные орбитали того же энергетического уровня.
Условие перехода: наличие свободных орбиталей на внешнем уровне и наличие спаренных электронов.
Пример: Углерод (C, №6)
Основное состояние: 1s22s22p2.
На внешнем уровне (2-м) есть 2 распаренных электрона (на p-подуровне) и одна пустая p-орбиталь.
Валентность = II.
Возбужденное состояние (C*):
Один электрон с 2s-подуровня "перепрыгивает" на пустую 2p-орбиталь.
Конфигурация: 1s22s12p3.
Теперь 4 неспаренных электрона. Валентность = IV (именно она проявляется в органической химии,
CO2, CH4).
Пример: Азот (N, №7)
Конфигурация: 1s22s22p3. У азота на 2-м уровне нет
d-подуровня (он появляется только с 3-го уровня). Электрону с 2s некуда переходить в пределах своего
уровня. Поэтому азот не имеет возбужденного состояния с распариванием электронов и не
может быть 5-валентным.
Пример: Хлор (Cl, №17)
У хлора (3-й период) есть свободный d-подуровень, поэтому возможны переходы электронов с s- и p-подуровней на d-подуровень.
1. Основное состояние: ...3s23p5.
1 неспаренный электрон. Валентность = I (например, в HCl).
2. Первое возбужденное состояние (Cl*):
Один p-электрон переходит на d-подуровень.
...3s23p43d1. 3 неспаренных электрона. Валентность =
III (HClO2).
3. Второе возбужденное состояние (Cl**):
Еще один p-электрон переходит на d-подуровень.
...3s23p33d2. 5 неспаренных электронов. Валентность =
V (HClO3).
4. Третье возбужденное состояние (Cl***):
Один s-электрон переходит на d-подуровень.
...3s13p33d3. 7 неспаренных электронов. Валентность =
VII (HClO4).
8. Внешние и валентные электроны
Часто возникает путаница между этими понятиями. Давайте разберем их отдельно.
Внешние электроны
Это электроны, которые находятся на самом последнем (внешнем) уровне. Найти их просто: ищем в формуле самую большую цифру перед буквой (номер уровня) и считаем все электроны на этом уровне.
уровень
уровень
уровень
уровень
(сходная электронная конфигурация)
(для главных подгрупп)
Пример: Мышьяк (As, №33).
Электронная формула: [Ar] 3d10 4s2 4p3.
Самый высокий уровень — 4-й.
Электроны на 4-м уровне: 2 (на s) + 3 (на p) = 5 внешних электронов.
Валентные электроны
Это электроны, которые способны образовывать химические связи.
1. Для элементов главных подгрупп (s- и p-элементы):
Валентные электроны = Внешние электроны = Номер группы.
2. Для элементов побочных подгрупп (d-элементы):
Валентные = Внешние (s) + Предвнешние (d) (незавершенные).
Пример: Марганец (Mn, №25).
Электронная формула: [Ar] 3d5 4s2.
Внешние: 2 (на 4s).
Валентные: 2 (4s) + 5 (3d) = 7.
9. Ионы и радиусы частиц
Ион — это заряженная частица, образующаяся при потере или приобретении электронов. Атомы стремятся приобрести конфигурацию благородного газа (октет, ns2np6) для максимальной стабильности.
Катионы (+)
Металлы отдают валентные электроны. При этом часто исчезает целый внешний электронный слой.
Na (1s22s22p63s1) - 1e → Na+ (1s22s22p6)
Радиус катиона всегда меньше радиуса исходного атома, так как уменьшается число электронных оболочек и взаимное отталкивание электронов.
Анионы (-)
Неметаллы принимают электроны до завершения слоя.
Cl (...3s23p5) + 1e → Cl- (...3s23p6)
Радиус аниона всегда больше радиуса атома, так как усиливается межэлектронное отталкивание при неизменном заряде ядра, и электронное облако "распухает".
Изоэлектронный ряд
Это ряд частиц, имеющих одинаковое количество электронов. Например, ряд с конфигурацией аргона (18e):
S2- → Cl- → Ar0 → K+ → Ca2+
заряд ядра, тем сильнее оно притягивает электроны. Поэтому радиус частиц в изоэлектронном ряду уменьшается с ростом заряда ядра.