Валентные электроны - это внешние электроны в атоме, которые участвуют в химических реакциях и определяют химические изменения в атомах и молекулах. Узнайте о валентных электронах, значении расположения на орбите и о том, как представить количество валентных электронов на точечной диаграмме Льюиса.
Валентные электроны и энергетические уровни
Валентные электроны могут сильно влиять на свойства атомов одного и того же элемента Характеристики валентных электронов
Электрон является одним из наиболее важных факторов, определяющих, как атом будет реагировать с другим атомом или молекулой. Один-единственный электрон может полностью изменить свойства атома.
Например, натрий имеет один внешний электрон, расположенный на этой 3s-орбитали. Благодаря этому внешнему электрону натрий очень блестящий, серебристый и чрезвычайно взрывоопасный в воде. Это настолько опасно, что вы, скорее всего, никогда не увидите его в его элементарной, нейтральной форме.
И если вы все-таки столкнетесь с некоторым количеством натрия, вы, вероятно, увидите, что его хранят в каком-нибудь масле, чтобы он не вступал в реакцию с влагой в воздухе.
Итак, где вы видели натрий? Возможно, вы посыпали чем-нибудь свою еду сегодня днем! Если бы вы добавляли соль (или хлорид натрия) в пищу, вы бы испытали, на что похож натрий без этого внешнего 3s-электрона.
Натрий в своей серебристой форме легко теряет этот внешний 3s-электрон, превращая его в ион натрия с положительным зарядом 1. Натрий, у которого на один электрон меньше, чем у протона, будет иметь положительный заряд на 1, потому что протоны заряжены положительно, а электроны - отрицательно. Этот ион натрия всего с 10 электронами полностью отличается от нейтрального металлического натрия со всеми 11 электронами.
Ион натрия имеет соленый вкус и вообще не вступает в реакцию с водой. Вы потребляете его каждый день, и это очень важно, потому что он играет важную роль в нервных функциях вашего организма и балансе жидкости.
Валентные электроны
Это было всего лишь краткое введение в то, как электронная структура будет влиять на функцию и реакционную способность (и даже вкус) атома. Как уже упоминалось, расположение и количество электронов являются важными факторами, определяющими, как атом будет реагировать.
Однако наиболее важная информация об электронах связана с самыми внешними электронами, или валентными электронами.
Внутренние электроны в атоме обычно плотно удерживаются ядром, и обычно они не участвуют в очень многих реакциях.
Внешние электроны являются ключевыми участниками всех химических реакций.
Этот маленький 3s-электрон в натрии является самым важным электроном в натрии. Это будет тот, который либо присутствует (во взрывоопасном металлическом натрии), либо отсутствует (в ионе натрия в хлориде натрия в вашей поваренной соли). В этом уроке мы сосредоточимся на двух наиболее важных аспектах этих валентных электронов: количестве валентных электронов и энергии валентных электронов.
Заключительная часть в каждой электронной конфигурации (3s ^ 1 и 4s ^ 1) относится к электронным конфигурациям валентных электронов
Количество валентных электронов
Как уже упоминалось, натрий имеет один валентный электрон (тот самый 3s-электрон), что является одной из причин, почему он настолько реакционноспособен и нестабилен. Если у натрия один валентный электрон, то сколько их у калия? Ответ тоже один!
Однако это электрон 4s. Фактически, все атомы в первом столбце периодической таблицы имеют один валентный электрон, и все атомы в первом столбце периодической таблицы чрезвычайно реакционноспособны и будут иметь тенденцию терять этот внешний электрон и становиться более стабильными.
Поскольку количество валентных электронов настолько важно (в отличие от внутренних), они иногда представлены на точечных диаграммах Льюиса, как показано на рисунке. Точечные диаграммы Льюиса показывают символы атомов с их валентными электронами. Натрий представлен своим символом Na, и поскольку у него есть один валентный электрон, этот 3s-электрон, этот электрон представлен точкой рядом с символом.
Переходя ко второму столбцу, вы заметите, что магний имеет электронную конфигурацию, которая заканчивается на 3s2, что означает, что в магнии есть два валентных электрона. Опять же, эти два электрона чрезвычайно важны, поэтому иногда магний представляется как Mg с двумя точками вокруг него.
Обратите внимание, как точки представлены на противоположных сторонах друг друга в символе. Таким образом, все элементы во втором столбце будут иметь два валентных электрона. Далее мы собираемся пропустить d-блок. Причина, по которой мы пропускаем это, двоякая: во-первых, существует менее предсказуемая закономерность в количестве валентных электронов, которая выходит за рамки этого урока; и, во-вторых (и это самое важное), d-электроны не играют такой большой роли в реакциях, как s и p электроны делают.
Перейдя к 13-му столбцу, который начинается с бора, вы заметите, что там есть три внешних электрона: два s-электрона и один p-электрон. Все атомы в этом семействе будут иметь три валентных электрона. Вы начинаете видеть, как формируется паттерн?
Все элементы семейства углерода будут иметь по четыре валентных электрона, элементы семейства азота - по пять, элементы семейства кислорода - по шесть, галогены - по семь валентных электронов, и, кроме гелия, элементы в последней колонке - благородные газы - все будут иметь восемь валентные электроны (два s-электрона и шесть p-электронов).
Периодическая таблица, показывающая точечные диаграммы Льюиса
Как вы можете видеть, количество валентных электронов, имеющихся в атоме, связано с столбцом, в котором он находится в периодической таблице. Когда атом имеет восемь валентных электронов, говорят, что у него есть октет электронов. Атомы с полным октетом имеют s- и p-орбитали, которые полностью заполнены электронами, поэтому они чрезвычайно стабильны.
Обратите внимание, что точечные диаграммы Льюиса заполняют внешние оболочки, сначала вводя по четыре электрона с каждой стороны, а затем начиная соединять их с добавлением пятого электрона. Это представление поможет нам позже, когда мы будем обсуждать химическую связь.
Энергия валентных электронов
Помимо количества валентных электронов, которыми обладает атом, энергия, которой они обладают (или энергетический уровень, на котором они находятся), является последним битом информации, который помогает предсказать, как атом отреагирует. Давайте взглянем на первый столбец элементов. У всех них есть один валентный электрон, но их валентные электроны расположены все дальше и дальше от ядра по мере продвижения вниз по периодической таблице.
Например, что один валентный электрон в литии находится на 2s-орбитали. Это число 2 является основным квантовым числом, которое представляет размер орбитали. Орбиталь 2s будет намного меньше, чем орбиталь 4s в калии, которая удерживает его валентный электрон. Это означает, что валентный электрон в калии будет обладать большей энергией и находиться дальше от ядра, чем валентный электрон в литии.
Какое это имеет значение? Что ж, как вы, возможно, заметили из примера с натрием, те элементы в первой колонке собираются избавиться от своих внешних электронов как можно быстрее. Наличие этого одного внешнего электрона, летающего в одиночестве, делает этот атом очень химически нестабильным. Способность его вступать в химическую реакцию напрямую зависит от того, насколько легко он может избавиться от этого внешнего электрона.
У калия гораздо больше шансов избавиться от своего внешнего электрона, чем у лития, потому что его внешний электрон находится на 4-й орбитали, которая намного дальше от внутреннего притяжения положительно заряженного ядра. Литий будет цепляться за свой 2s-электрон более плотно, чем калий будет цепляться за свой 4s-электрон, потому что 2s-электрон находится ближе к внутреннему притяжению положительно заряженного ядра. Это делает калий гораздо более реакционноспособным, чем литий. Если вы положите крошечный кусочек лития в воду, он может просто зашипеть, но если вы добавите в воду такое же количество калия, он, вероятно, лопнет или взорвется.
Как вы, возможно, заметили, строка, в которой находится элемент, будет представлять уровень энергии, который будут иметь валентные электроны. Элементы в первом ряду (водород и гелий) будут иметь внешние электроны на первом энергетическом уровне. Их главное квантовое число равно 1.
Элементы во втором ряду (от лития до неона) будут иметь валентные электроны на втором энергетическом уровне с главным квантовым числом 2. Тенденция продолжается вплоть до седьмого ряда. Помните, что эти последние два ряда действительно втиснуты в шестой и седьмой ряды.
Краткое содержание урока
Наиболее важной особенностью атома, которая помогает предсказать его химические свойства, является расположение и количество его электронов - более конкретно, его валентных электронов или внешних электронов. Внешние электроны - это те, которые участвуют в химических реакциях, изменяя свойства атома или молекулы.
Столбец, в котором находится элемент в периодической таблице, укажет, сколько у него валентных электронов, и пока, когда мы будем считать по столбцам, мы пропустим d-блок. Строка, в которой находится элемент, будет указывать уровень энергии внешних электронов. Наконец, поскольку валентные электроны настолько важны, их можно символически представить на точечных диаграммах Льюиса.