Валентный электрон - Valence electron
В химия и физика, а валентный электрон это внешняя оболочка электрон что связано с атом, и которые могут участвовать в формировании химическая связь если внешняя оболочка не закрыта; в единственном Ковалентная связь, оба атома в связи вносят один валентный электрон, чтобы сформировать общая пара.
Наличие валентных электронов может определять элемент с химический свойства, такие как валентность - может ли он связываться с другими элементами, и если да, то насколько легко и с каким их количеством. Таким образом, реакционная способность данного элемента сильно зависит от его электронной конфигурации. Для элемент основной группы, валентный электрон может существовать только во внешнем электронная оболочка; для переходный металл, валентный электрон также может находиться во внутренней оболочке.
Атом с закрытая оболочка валентных электронов (соответствующих электронная конфигурация s2п6 для элементов основной группы или d10s2п6 для переходных металлов) имеет тенденцию быть химически инертный. Атомы с одним или двумя валентными электронами больше, чем закрытая оболочка, обладают высокой реакционной способностью из-за относительно низкой энергии для удаления лишних валентных электронов с образованием положительного ион. Атом с одним или двумя электронами меньше, чем закрытая оболочка, является реактивным из-за его тенденции либо получить недостающие валентные электроны и образовать отрицательный ион, либо разделить валентные электроны и сформировать ковалентную связь.
Похоже на основной электрон, валентный электрон обладает способностью поглощать или выделять энергию в виде фотон. Увеличение энергии может заставить электрон переместиться (прыгнуть) на внешнюю оболочку; это известно как атомное возбуждение. Или электрон может даже вырваться из оболочки связанного с ним атома; это ионизация с образованием положительного иона. Когда электрон теряет энергию (тем самым вызывая излучение фотона), он может перемещаться во внутреннюю оболочку, которая не полностью занята.
Обзор
Электронная конфигурация
Электроны, определяющие валентность - как атом химически реагирует - те, у кого самый высокий энергия.
Для элемент основной группы, валентные электроны определяются как электроны, находящиеся в электронной оболочке наивысшего главное квантовое число п.[1] Таким образом, количество валентных электронов, которое он может иметь, зависит от электронная конфигурация простым способом. Например, электронная конфигурация фосфор (P) составляет 1 с2 2 с2 2p6 3 с2 3p3 так что имеется 5 валентных электронов (3s2 3p3), что соответствует максимальной валентности для P, равной 5, как в молекуле PF5; эта конфигурация обычно сокращается до [Ne] 3s2 3p3, где [Ne] обозначает остовные электроны, конфигурация которых идентична конфигурации благородный газ неон.
Тем не мение, переходные элементы частично заполнены (п − 1)d уровни энергии, которые очень близки по энергии к пs уровень.[2] Таким образом, в отличие от элементов основной группы, валентный электрон переходного металла определяется как электрон, находящийся вне ядра благородного газа.[3] Таким образом, обычно d Электроны в переходных металлах ведут себя как валентные электроны, хотя они не находятся во внешней оболочке. Например, марганец (Mn) имеет конфигурацию 1s2 2 с2 2p6 3 с2 3p6 4 с2 3D5; это сокращенно [Ar] 4s2 3D5, где [Ar] обозначает конфигурацию активной зоны, идентичную конфигурации благородного газа. аргон. В этом атоме 3d-электрон имеет энергию, схожую с энергией 4s-электрона и намного выше, чем у 3s- или 3p-электрона. Фактически, возможно, существует семь валентных электронов (4s2 3D5) вне аргоноподобного ядра; это согласуется с химическим фактом, что марганец может иметь степень окисления до +7 (в перманганат ион: MnO−
4).
Чем дальше вправо в каждой серии переходных металлов, тем ниже энергия электрона в d подоболочке и тем меньше у такого электрона валентных свойств. Таким образом, хотя никель атом имеет, в принципе, десять валентных электронов (4s2 3D8), его степень окисления никогда не превышает четырех. За цинк, подоболочка 3d является полной во всех известных соединениях, хотя она вносит вклад в валентную зону в некоторых соединениях.[4]
В d количество электронов является альтернативным инструментом для понимания химии переходного металла.
Количество валентных электронов
Число валентных электронов элемента можно определить по группа периодической таблицы (вертикальный столбец), в котором классифицируется элемент. За исключением групп 3–12 ( переходные металлы ), цифра единиц номера группы указывает, сколько валентных электронов связано с нейтральным атомом элемента, указанного в этом конкретном столбце.
| Блок периодической таблицы | Группа периодической таблицы | Валентные электроны |
|---|---|---|
| s | Группа 1 (I) (щелочных металлов ) | 1 |
| Группа 2 (II) (щелочноземельные металлы ) и гелий | 2 | |
| ж | Лантаноиды и актиниды | 3–16[а] |
| d | Группы 3-12 (переходные металлы ) | 3–12[b] |
| п | Группа 13 (III) (группа бора ) | 3 |
| Группа 14 (IV) (группа углерода ) | 4 | |
| Группа 15 (V) (пниктогены или азотная группа) | 5 | |
| Группа 16 (VI) (халькогены или кислородная группа) | 6 | |
| Группа 17 (VII) (галогены ) | 7 | |
| Группа 18 (VIII или 0) (благородные газы ) кроме гелия | 8 |
Гелий - исключение: несмотря на то, что он имеет 1 с2 конфигурация с двумя валентными электронами и, таким образом, имеет некоторое сходство с щелочноземельными металлами с их ns2 валентных конфигураций, его оболочка полностью заполнена и, следовательно, химически очень инертна и обычно помещается в группу 18 с другими благородными газами.
валентной оболочки
Валентная оболочка - это набор орбитали которые энергетически доступны для приема электронов с образованием химические связи.
Для элементов основной группы валентная оболочка состоит из ns и np орбиталей в наиболее удаленных электронная оболочка. В случае переходные металлы ((n-1) d орбитали) и лантаноиды и актиниды ((n-2) f и (n-1) d орбитали), задействованные орбитали также могут находиться во внутренней электронной оболочке. Таким образом ракушка терминология неправильное употребление поскольку нет соответствия между валентной оболочкой и какой-либо конкретной электронной оболочкой в данном элементе. С научной точки зрения правильный термин был бы валентная орбиталь для обозначения энергетически доступных орбиталей элемента.
| Тип элемента | Водород и гелий | p-блок (Элементы основной группы ) | d-блок (Переходные металлы ) | f-блок (Лантаноиды и актиниды ) |
|---|---|---|---|---|
| Валентные орбитали[5] |
|
|
|
|
| Правила счета электронов | Правило дуэта | Правило октета | 18-электронное правило | 32-электронное правило |
Как правило, элемент основной группы (кроме водорода или гелия) имеет тенденцию реагировать с образованием2п6 электронная конфигурация. Эта тенденция называется Правило октета, потому что каждый связанный атом имеет 8 валентных электронов, включая общие электроны. Аналогично переходный металл имеет тенденцию реагировать, чтобы сформировать d10s2п6 электронная конфигурация. Эта тенденция называется 18-электронное правило, потому что каждый связанный атом имеет 18 валентных электронов, включая общие электроны.
Химические реакции
Количество валентных электронов в атоме определяет его связь поведение. Следовательно, элементы, атомы которых могут иметь одинаковое количество валентных электронов, группируются вместе в периодическая таблица элементов.
Большинство реактивный Что-то вроде металлический элемент является щелочной металл группы 1 (например, натрий или же калий ); это потому, что такой атом имеет только один валентный электрон; при формировании ионная связь что обеспечивает необходимые энергия ионизации, этот один валентный электрон легко теряется с образованием положительного ион (катион) с закрытой оболочкой (например, Na+ или K+). An щелочноземельный металл группы 2 (например, магний ) несколько менее реактивен, потому что каждый атом должен потерять два валентных электрона, чтобы сформировать положительный ион с замкнутой оболочкой (например, Mg2+).
В каждой группе (каждом столбце периодической таблицы) металлов реакционная способность увеличивается с каждой нижней строкой таблицы (от легкого элемента к более тяжелому), потому что более тяжелый элемент имеет больше электронных оболочек, чем более легкий элемент; валентные электроны более тяжелого элемента существуют на более высоких главные квантовые числа (они находятся дальше от ядра атома и, следовательно, имеют более высокие потенциальные энергии, что означает, что они менее тесно связаны).
А неметалл атом стремится привлечь дополнительные валентные электроны для достижения полной валентной оболочки; это может быть достигнуто одним из двух способов: атом может делить электроны с соседним атомом ( Ковалентная связь ), или он может удалить электроны из другого атома ( ионная связь ). Самый реактивный вид неметаллического элемента - это галоген (например., фтор (За хлор (Cl)). Такой атом имеет следующую электронную конфигурацию: s2п5; для этого требуется только один дополнительный валентный электрон, чтобы сформировать замкнутую оболочку. Чтобы образовать ионную связь, атом галогена может удалить электрон от другого атома, чтобы образовать анион (например, F−, Cl−, так далее.). Чтобы сформировать ковалентную связь, один электрон от галогена и один электрон от другого атома образуют общую пару (например, в молекуле H – F линия представляет собой общую пару валентных электронов, один от H, а другой от F).
Внутри каждой группы неметаллов реакционная способность уменьшается с каждой нижней строкой таблицы (от легкого элемента к тяжелому) в периодической таблице, потому что валентные электроны имеют все более высокие энергии и, таким образом, все менее прочно связаны. Фактически, кислород (самый легкий элемент в группе 16) является наиболее реакционноспособным неметаллом после фтора, даже если он не является галогеном, потому что валентная оболочка галогена имеет более высокое главное квантовое число.
В этих простых случаях, когда соблюдается правило октетов, валентность атома равно количеству электронов, полученных, потерянных или разделенных для образования стабильного октета. Однако есть также много молекул, которые исключения, и для которых валентность менее четко определена.
Электрическая проводимость
Валентные электроны также ответственны за электрическая проводимость элемента; в результате элемент может быть классифицирован как металл, а неметалл, или полупроводник (или же металлоид ).
Металлы – металлоиды – неметаллы в периодическая таблица | ||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | |||||||||||||||
| Группа → | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| ↓ Период | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1 | ЧАС | Он | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 2 | Ли | Быть | B | C | N | О | F | Ne | ||||||||||||||||||||||||
| 3 | Na | Mg | Al | Si | п | S | Cl | Ar | ||||||||||||||||||||||||
| 4 | K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | В качестве | Se | Br | Kr | ||||||||||||||
| 5 | Руб. | Sr | Y | Zr | Nb | Пн | Tc | RU | Rh | Pd | Ag | CD | В | Sn | Sb | Te | я | Xe | ||||||||||||||
| 6 | CS | Ба | Ла | Ce | Pr | Nd | Вечера | См | Европа | Б-г | Tb | Dy | Хо | Э | Тм | Yb | Лу | Hf | Та | W | Re | Операционные системы | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Би | По | В | Rn |
| 7 | Пт | Ра | Ac | Чт | Па | U | Np | Пу | Являюсь | См | Bk | Cf | Es | FM | Мкр | Нет | Lr | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ц | Og |
МеталлМеталлоидНеметаллНеизвестные свойстваФоновый цвет показывает тенденцию металл – металлоид – неметалл в периодическая таблица | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Металлический элементы обычно имеют высокие электрическая проводимость когда в твердый государственный. В каждом ряду периодическая таблица, металлы находятся слева от неметаллов, и, таким образом, металл имеет меньше возможных валентных электронов, чем неметалл. Однако валентный электрон атома металла имеет небольшую энергия ионизации, а в твердом состоянии этот валентный электрон относительно свободно покидает один атом, чтобы присоединиться к другому, находящемуся поблизости. Такой «свободный» электрон может перемещаться под действием электрическое поле, и его движение составляет электрический ток; он отвечает за электропроводность металла. Медь, алюминий, серебро, и золото примеры хороших проводников.
А неметаллических элемент имеет низкую электропроводность; он действует как изолятор. Такой элемент находится справа от таблицы Менделеева, и его валентная оболочка заполнена как минимум наполовину (исключение составляет бор ). Его энергия ионизации велика; электрон не может легко покинуть атом при приложении электрического поля, и поэтому такой элемент может проводить только очень небольшие электрические токи. Примеры твердых элементарных изоляторов: алмаз (ан аллотроп из углерод ) и сера.
Твердое соединение, содержащее металлы, также может быть изолятором, если валентные электроны атомов металла используются для образования ионные связи. Например, хотя элементаль натрий это металл, твердый хлорид натрия является изолятором, потому что валентный электрон натрия переносится на хлор с образованием ионной связи, и, таким образом, этот электрон не может легко перемещаться.
А полупроводник имеет промежуточную электрическую проводимость между металлом и неметаллом; Полупроводник также отличается от металла тем, что проводимость полупроводника увеличивается с увеличением температура. Типичные элементарные полупроводники: кремний и германий, каждый атом которого имеет четыре валентных электрона. Свойства полупроводников лучше всего объяснить с помощью ленточная теория, как следствие небольшого энергетического зазора между валентная полоса (который содержит валентные электроны в абсолютном нуле) и зона проводимости (к которому валентные электроны возбуждаются тепловой энергией).
Рекомендации
- ^ Petrucci, Ralph H .; Харвуд, Уильям S .; Херринг, Ф. Джеффри (2002). Общая химия: принципы и современные приложения (8-е изд.). Река Аппер Сэдл, штат Нью-Джерси: Prentice Hall. п.339. ISBN 978-0-13-014329-7. LCCN 2001032331. OCLC 46872308.
- ^ ПОРЯДОК ЗАПОЛНЕНИЯ 3Д И 4С ОРБИТАЛЛОВ. Chemguide.co.uk
- ^ Мисслер Г.Л., Тарр Д.А., Неорганическая химия (2-е изд. Прентис-Холл, 1999). стр.48.
- ^ Тосселл, Дж. А. (1 ноября 1977 г.). «Теоретические исследования энергии связи валентных орбиталей в твердом сульфиде цинка, оксиде цинка и фториде цинка». Неорганическая химия. 16 (11): 2944–2949. Дои:10.1021 / ic50177a056.
- ^ Чи, Чаосянь; Пан, Судип; Джин, Джайе; Менг, Луян; Ло, Минбяо; Чжао, Лили; Чжоу, Минфэй; Френкинг, Гернот (2019). «Октакарбонильные ионные комплексы актинидов [An (CO) 8] +/- (An = Th, U) и роль f-орбиталей в связывании металл – лиганд»). Chem. Евро. Дж. 25 (50): 11772–11784. Дои:10.1002 / chem.201902625.
внешняя ссылка
- Фрэнсис, Иден. Валентные электроны.