§ 4. Валентные возможности атомов химических элементов

Определения и обозначения

Валентность — способность атома образовывать определённое число химических связей. В простом случае её связывают с числом связей, которые атом образует с другими атомами в соединении. Это понятие помогает объяснять состав веществ и записывать их формулы.

Валентные возможности атома — набор валентностей, которые атом одного элемента может проявлять в разных соединениях. Например, фосфор образует соединения, в которых его валентность равна III или V. Такое понятие нужно, чтобы не приписывать каждому элементу только одно неизменное значение.

Основное состояние атома — состояние с наименьшей возможной энергией. Его электронная конфигурация показывает, как электроны распределены по уровням и орбиталям, а значит, позволяет найти неспаренные электроны. Эти сведения используют, чтобы объяснить типичное число образуемых атомом связей.

Возбуждённое состояние атома — состояние, в котором электрон перешёл на более высокий энергетический уровень или подуровень. Для перехода нужна энергия, а число неспаренных электронов при этом может увеличиться. Поэтому возбуждение помогает объяснить некоторые валентности, не характерные для атома в основном состоянии.

Как это устроено

Ковалентная связь возникает, когда атомы предоставляют электроны для образования общей электронной пары. Неспаренный электрон внешнего уровня может войти в такую пару и участвовать в связи. Поэтому число неспаренных электронов в модели строения атома помогает оценить, сколько связей он способен образовать.

Рассмотрим элементы второго периода. У углерода конфигурация внешнего уровня 2s²2p²: согласно правилу распределения по орбиталям, в двух p-орбиталях находятся два неспаренных электрона, что соответствует валентности II в основном состоянии. После возбуждения один 2s-электрон может перейти на свободную 2p-орбиталь, и появятся четыре неспаренных электрона; так объясняют распространённую валентность IV. У азота конфигурация 2s²2p³ и три неспаренных электрона, поэтому характерна валентность III; у кислорода 2s²2p⁴ и два неспаренных электрона, поэтому характерна валентность II.

У атомов третьего периода электронная оболочка устроена иначе: в школьной модели доступен переход электрона на свободные орбитали более высокого подуровня. У фосфора в основном состоянии три неспаренных электрона, а после возбуждения одного из электронов их может стать пять. Поэтому рассматривают валентности III и V. У серы возможны состояния с двумя, четырьмя и шестью неспаренными электронами, что связывают с валентностями II, IV и VI.

У атомов второго периода внешний уровень состоит из 2s- и трёх 2p-орбиталей. На них может находиться не более восьми электронов, а свободных орбиталей этого уровня для размещения дополнительных электронов нет. Поэтому такие атомы не расширяют внешний уровень за октет — восемь электронов. Это ограничение отличает их от ряда элементов третьего периода.

Валентные возможности зависят от числа доступных неспаренных электронов, строения оболочки и энергетического состояния атома. Степень окисления, напротив, показывает условный заряд атома, рассчитанный при формальном смещении электронов связи. Поэтому эти характеристики не всегда совпадают: степень окисления может быть нулевой, положительной или отрицательной, а валентность обозначает число связей и обычно записывается без знака.

Электронное строение и характерные валентные возможности атомов

Сначала по конфигурации найдите неспаренные электроны в основном состоянии, затем сравните этот результат с указанными валентностями. Если валентность больше, чем число неспаренных электронов, рассмотрите возможность возбуждения и особенности периода. Таблица даёт характерные значения для школьной модели, но не означает, что каждая из перечисленных валентностей встречается у элемента одинаково часто.

Разбор задач

1. Кислород

Условие. По электронной конфигурации атома кислорода определите число неспаренных электронов и объясните его характерную валентность. Чтобы ответить, распределим электроны по орбиталям основного состояния и проверим, какие из них заняты одним электроном. Затем свяжем результат с числом образуемых связей.

1. У кислорода восемь электронов, конфигурация — 1s²2s²2p⁴.
2. На внешнем уровне 2s-орбиталь занята парой, а четыре электрона 2p распределены по трём орбиталям: сначала по одному, затем один из них образует пару.
3. В результате остаются две p-орбитали с неспаренными электронами; каждый из этих электронов может участвовать в ковалентной связи.

Ответ: у атома кислорода два неспаренных электрона, характерная валентность — II. Это согласуется с тем, что атом кислорода обычно образует две связи.

2. Фосфор

Условие. Запишите распределение электронов по орбиталям атома фосфора в основном и возбуждённом состояниях и определите возможные валентности. Сравнение нужно провести именно для внешнего уровня: внутренние электроны в данном объяснении в образовании связей не учитываем. Число неспаренных электронов используем как модель для оценки числа связей.

1. У фосфора 15 электронов; основное состояние записывается как 1s²2s²2p⁶3s²3p³. На трёх 3p-орбиталях находятся три неспаренных электрона.
2. В возбуждённом состоянии один электрон с занятой внешней орбитали переходит на свободную орбиталь более высокого подуровня. В школьной модели распределение внешних электронов записывают как 3s¹3p³3d¹.
3. Теперь неспаренных электронов пять вместо трёх, поэтому атом может образовать больше связей. Число неспаренных электронов связывают с валентностями III и V.

Ответ: для фосфора характерны валентности III и V. Основное состояние объясняет три связи, возбуждённое — возможность пяти связей.

3. Сера и кислород

Условие. Сравните валентные возможности атомов серы и кислорода. Объясните, почему для серы возможны валентности II, IV и VI, а для кислорода характерна валентность II. Ключ к ответу — не только число электронов, но и период, к которому относится элемент.

1. У обоих атомов по шесть электронов на внешнем уровне: у O — 2s²2p⁴, у S — 3s²3p⁴. В основном состоянии у каждого по два неспаренных электрона.
2. Кислород относится ко второму периоду: на его внешнем уровне нет доступных орбиталей для размещения дополнительных электронов, поэтому его характерная валентность — II.
3. Сера относится к третьему периоду; в школьной модели при возбуждении число неспаренных электронов может увеличиваться до четырёх и шести. Этим объясняют валентности IV и VI наряду с II.

Ответ: у кислорода характерна валентность II, а сера может проявлять II, IV и VI. Причина различия — доступные возможности внешнего уровня, а не просто одинаковое число внешних электронов.

Типичные ошибки

Считать валентность неизменной. Ошибка возникает, если запомнить для элемента только одно число из знакомого соединения. Проверяйте себя по нескольким примерам: один элемент может образовывать соединения с разным числом связей. Поэтому валентность рассматривают как одну из возможностей атома, а не как постоянное свойство.

Определять валентность только по номеру группы. Номер группы может подсказать число внешних электронов, но сам по себе не показывает, сколько электронов неспарено и какие состояния возможны. Такую ошибку допускают, подменяя рассмотрение электронной конфигурации простой схемой. Проверка — запишите распределение электронов по орбиталям и учтите период элемента.

Распространять расширение внешнего уровня на второй период. Можно ошибочно применить к кислороду или азоту рассуждение, подходящее некоторым элементам третьего периода. Причина ошибки — попытка объяснить все высокие валентности одним правилом. Проверьте, есть ли у атома второго периода свободные орбитали внешнего уровня: сверх восьми электронов этот уровень не расширяется.

Отождествлять валентность со степенью окисления. Значения иногда совпадают, поэтому кажется, что речь идёт об одной характеристике. Но валентность связана с числом связей, а степень окисления — с условным зарядом, определяемым по электроотрицательности. Для проверки спросите себя, описываете ли вы связи атома или его формальный заряд.

Связь с другими темами

Для работы с валентными возможностями нужно знать строение электронной оболочки, электронные конфигурации и правила заполнения орбиталей. Эти знания помогают объяснять формулы и строение молекул ковалентных соединений, а не только заучивать состав веществ. Тема связана также со степенью окисления, химической связью и периодическими закономерностями свойств элементов. Сравнение элементов в периодах показывает, как строение атома влияет на его химическое поведение.

Что запомнить

• Валентность связана со способностью атома образовывать химические связи.
• Число неспаренных электронов помогает объяснить валентность атома.
• Атом одного элемента может проявлять разные валентности.
• Возбуждение атома иногда увеличивает число неспаренных электронов.
• Атомы второго периода не расширяют внешний электронный уровень свыше восьми электронов.
• Валентность и степень окисления — не одно и то же.