Номер 1, страница 31, часть 1 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

1. Что является причиной переменной валентности многих элементов?

1. Причиной переменной валентности многих химических элементов является особенность строения их электронных оболочек, а именно наличие нескольких энергетических подуровней, близких по энергии, и возможность участия в образовании химических связей электронов не только с внешнего, но и с предвнешних слоев.

Валентность атома определяется числом неспаренных электронов, которые он может предоставить для образования ковалентных связей, или числом электронов, которые он отдает или присоединяет при образовании ионной связи.

У элементов с постоянной валентностью (например, у щелочных металлов, таких как натрий) для образования связей используются только электроны внешнего энергетического уровня.

У элементов с переменной валентностью (многие p- и d-элементы) в образовании химических связей могут участвовать электроны с разных подуровней. Это становится возможным благодаря тому, что атом может переходить в возбужденное состояние. При поглощении некоторого количества энергии спаренные электроны могут распариваться и переходить на свободные орбитали того же или близкого энергетического уровня. Это увеличивает число неспаренных электронов и, следовательно, возможную валентность. Энергия, затраченная на возбуждение атома, компенсируется выигрышем в энергии при образовании большего числа химических связей.

Рассмотрим на примере серы (S), элемента 3-го периода VI группы.

Электронная конфигурация атома серы в основном (невозбужденном) состоянии: $1s^22s^22p^63s^23p^4$. На внешнем уровне 6 валентных электронов. У атома серы есть два неспаренных p-электрона. В этом состоянии сера проявляет валентность II (например, в сероводороде $H_2S$).

При сообщении атому дополнительной энергии он может перейти в возбужденное состояние.

Первое возбужденное состояние: Один из спаренных 3p-электронов переходит на свободную 3d-орбиталь того же энергетического уровня (поскольку сера находится в 3-м периоде, у нее есть вакантный 3d-подуровень). Электронная конфигурация валентного слоя становится $3s^23p^33d^1$. Число неспаренных электронов становится равным четырем. В этом состоянии сера проявляет валентность IV (например, в диоксиде серы $SO_2$).

Второе возбужденное состояние: Теперь уже пара 3s-электронов распаривается, и один s-электрон также переходит на d-подуровень. Конфигурация становится $3s^13p^33d^2$. Число неспаренных электронов равно шести. В этом состоянии сера проявляет свою высшую валентность VI (например, в триоксиде серы $SO_3$ или гексафториде серы $SF_6$).

Аналогичный механизм наблюдается у переходных металлов (d-элементов), у которых энергетические уровни внешних s-электронов и предвнешних d-электронов очень близки. Например, железо (Fe) с конфигурацией $[Ar]3d^64s^2$ может отдавать два $4s$-электрона, проявляя степень окисления +2, а может отдавать также один $3d$-электрон, проявляя более устойчивую степень окисления +3.

Ответ: Причиной переменной валентности является способность атомов использовать для образования химических связей электроны не только с внешнего, но и с предвнешних энергетических подуровней (d- и f-подуровней), которые близки по энергии к внешнему уровню. Это происходит за счет перехода атома в возбужденное состояние, что приводит к увеличению числа неспаренных электронов, участвующих в образовании связей.