Номер 5, страница 31, часть 1 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

5. Поясните, почему в атомах фосфора, серы и хлора максимальная валентность совпадает с номером группы, а в атомах азота, кислорода и фтора она меньше номера группы?

Различие в максимальной валентности для указанных элементов объясняется строением их электронных оболочек, а именно наличием или отсутствием свободного d-подуровня на внешнем энергетическом уровне.

Фосфор (P), сера (S) и хлор (Cl)

Эти элементы находятся в третьем периоде. Их внешний (валентный) энергетический уровень – третий. Этот уровень, помимо s- и p-подуровней, содержит также вакантный (свободный) d-подуровень ($3d^0$).

При получении энергии (в процессе образования химических связей) атом может переходить в возбужденное состояние. При этом спаренные электроны с $3s$- и $3p$-подуровней могут "распариваться" и переходить на свободные орбитали $3d$-подуровня. Это приводит к увеличению числа неспаренных электронов, которые могут участвовать в образовании ковалентных связей.

• Фосфор (P), группа 15. Электронная конфигурация валентного слоя в основном состоянии: $3s^23p^3$. Имеет 3 неспаренных электрона (валентность III). При возбуждении один электрон с $3s$-орбитали переходит на $3d$-орбиталь. Конфигурация становится $3s^13p^33d^1$. Число неспаренных электронов становится равным 5, что позволяет фосфору проявлять максимальную валентность V, равную номеру группы.
• Сера (S), группа 16. Электронная конфигурация валентного слоя в основном состоянии: $3s^23p^4$. Имеет 2 неспаренных электрона (валентность II). При возбуждении атома возможно распаривание двух электронных пар ($3p^4$ и $3s^2$), в результате чего конфигурация становится $3s^13p^33d^2$. Атом серы получает 6 неспаренных электронов, что соответствует максимальной валентности VI, равной номеру группы.
• Хлор (Cl), группа 17. Электронная конфигурация валентного слоя в основном состоянии: $3s^23p^5$. Имеет 1 неспаренный электрон (валентность I). При максимальном возбуждении атома происходит распаривание всех трех электронных пар, и конфигурация становится $3s^13p^33d^3$. Атом хлора получает 7 неспаренных электронов, что соответствует максимальной валентности VII, равной номеру группы.

Азот (N), кислород (O) и фтор (F)

Эти элементы находятся во втором периоде. Их внешний (валентный) энергетический уровень – второй. На втором энергетическом уровне d-подуровня нет, он состоит только из $2s$- и $2p$-подуровней.

Поскольку на валентном уровне нет свободных орбиталей с близкой энергией, переход электронов в возбужденное состояние с распариванием электронных пар невозможен (переход на следующий, третий, уровень требует слишком больших затрат энергии). Поэтому максимальное число неспаренных электронов ограничено.

• Азот (N), группа 15. Электронная конфигурация валентного слоя: $2s^22p^3$. Имеет 3 неспаренных электрона. Его максимальная валентность равна IV (например, в ионе аммония $NH_4^+$, где три связи образуются по обменному механизму, а одна – по донорно-акцепторному за счет неподеленной пары $2s^2$-электронов). Валентность V для азота невозможна. Это меньше номера группы (V).
• Кислород (O), группа 16. Электронная конфигурация валентного слоя: $2s^22p^4$. Имеет 2 неспаренных электрона. Его валентность обычно равна II. Валентность VI для кислорода невозможна. Это меньше номера группы (VI).
• Фтор (F), группа 17. Электронная конфигурация валентного слоя: $2s^22p^5$. Имеет 1 неспаренный электрон. Его валентность всегда равна I. Как самый электроотрицательный элемент, фтор не может проявлять положительные степени окисления, и его валентность ограничена единицей. Это меньше номера группы (VII).

Ответ: Максимальная валентность фосфора, серы и хлора совпадает с номером их группы, так как у их атомов на внешнем (третьем) энергетическом уровне есть свободный d-подуровень, куда могут переходить электроны для распаривания и увеличения числа валентных связей. У атомов азота, кислорода и фтора внешний уровень – второй, на нем отсутствует d-подуровень, поэтому возможности для распаривания s- и p-электронов нет, и их максимальная валентность ограничена и оказывается меньше номера группы.