Валентные электроны¶

Валентные электроны — электроны внешнего (наиболее удалённого от ядра) энергетического уровня атома, которые участвуют в образовании химических связей. Именно их число определяет химические свойства элемента, его место в периодической таблице и валентность. Термин происходит от латинского valentia — «сила, мощь».

¶Общие сведения

Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов, распределённых по энергетическим уровням (оболочкам). Электроны внутренних оболочек при обычных условиях в химических реакциях не участвуют. Валентными называют электроны внешней оболочки, а в случае переходных элементов — также электроны предвнешней d-оболочки.

Количество валентных электронов элемента совпадает с номером его группы в периодической таблице Менделеева (для главных подгрупп). Так, у щелочных металлов (I группа) один валентный электрон, у галогенов (VII группа) — семь, у благородных газов (VIII группа) — восемь, что и объясняет их химическую инертность.

¶Определение по электронной конфигурации

Электронная конфигурация атома записывается в виде последовательности заполнения подуровней: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p и т. д. Валентными считаются электроны, находящиеся на подуровнях с наибольшим главным квантовым числом n. Например, для кальция (Z = 20) конфигурация 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²: валентными являются два электрона подуровня 4s.

Для переходных элементов ситуация сложнее. У железа (Z = 26) конфигурация [Ar]3d⁶4s², и в химических реакциях железо может отдавать как два электрона 4s, так и электроны 3d, поэтому число валентных электронов у переходных элементов не всегда однозначно.

¶Связь с периодической таблицей

Периодическая система Д. И. Менделеева построена так, что номер элемента в периоде равен числу электронных оболочек, а номер группы (для s- и p-элементов) — числу валентных электронов. Это позволяет по положению элемента в таблице предсказывать:

• валентность и характер химических связей;
• тип оксида (кислородный или основный);
• возможность образования солей, гидридов, летучих водородных соединений.

Например, углерод (IV группа) образует четыре связи, кислород (VI группа) — две, натрий (I группа) — одну.

¶Роль в химической связи

При сближении атомов валентные электроны участвуют в перекрывании атомных орбиталей. В зависимости от того, как распределяются эти электроны, различают:

• Ковалентную связь — общие пары электронов принадлежат обоим атомам (например, в молекуле H₂);
• Ионную связь — валентные электроны полностью переходят к более электроотрицательному атому (например, в NaCl);
• Металлическую связь — валентные электроны «делокализованы» между множеством атомов (в меди, железе).

Правило октета (правило восьмёрки) формулируется так: атомы стремятся обладать восемью валентными электронами на внешней оболочке, что соответствует наиболее устойчивой конфигурации благородных газов. Для первых двух периодов это правило выполняется особенно строго.

¶Валентные электроны и химическая активность

Число и расположение валентных электронов определяют химическую активность элемента. Элементы, у которых на внешней оболочке 1–3 электрона (щелочные и щёлочноземельные металлы), как правило, проявляют восстановительные свойства и склонны отдавать электроны. Элементы с 5–7 валентными электронами (галогены, халькогены) склонны присоединять электроны и проявляют окислительные свойства.

Энергия ионизации — энергия, необходимая для удаления валентного электрона из атома — убывает в пределах периода слева направо и возрастает в группе сверху вниз. Это объясняет, почему фтор является наиболее активным неметаллом, а цезий — наиболее активным металлом.

¶Определение по правилам

Для записи электронных конфигураций используются правила:

• Правило Клечковского — при заполнении подуровней сумма главного и орбитального квантовых чисел (n + l) должна быть минимальной. Так 4s заполняется раньше 3d, потому что 4 + 0 < 3 + 2.
• Правило Гунда — электроны сначала занимают свободные орбитали одного подуровня с параллельными спинами.
• Принцип Паули — на одной орбитали может находиться не более двух электронов с противоположными спинами.

Эти правила позволяют точно определить, какие электроны являются валентными для данного атома.

¶Практическое значение

Знание о валентных электронах лежит в основе прогнозирования химических свойств неизученных элементов, что было блестяще подтверждено при открытии Д. И. Менделеевым галлия, скандия и германия. В современной химии концепция валентных электронов дополняется представлениями о молекулярных орбиталях, но остаётся основой начального курса химии и объяснения большинства наблюдаемых закономерностей.

¶Источники

• Менделеев Д. И. «Основы химии»
• Стеклов О. Н., Хомченко Г. П. «Химия для поступающих в вузы»
• Хомченко Г. П. «Химия для поступающих»
• Некрасов Б. В. «Основы общей химии»
• Справочник «Химия» под редакцией Ю. А. Овчинникова