Номер 2, страница 31 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Подумайте, ответьте, выполните.... Параграф 6. Валентность и валентные возможности атомов. Глава I. Важнейшие химические понятия и законы - номер 2, страница 31.

Условие.

2. Почему численное значение валентности не всегда совпадает с числом электронов на наружном энергетическом уровне?

Решение.

Решение 2.

Численное значение валентности не всегда совпадает с числом электронов на наружном энергетическом уровне, поскольку валентность определяется не просто количеством электронов на этом уровне, а способностью атома образовывать определенное число химических связей. Эта способность зависит от нескольких факторов.

1. Стремление к завершению внешнего электронного слоя (правило октета)

Для атомов неметаллов, у которых на внешнем уровне находится от 4 до 7 электронов, часто энергетически выгоднее не отдавать все эти электроны, а наоборот, принять недостающие до стабильной восьмиэлектронной оболочки (октета). В таких случаях валентность (в соединениях с водородом или металлами) определяется числом электронов, которых не хватает до восьми. Она рассчитывается по формуле $8 - N$, где $N$ – номер группы элемента (и число электронов на внешнем уровне).

• Пример 1: Кислород ($O$) находится в VI группе, имеет 6 электронов на внешнем уровне. Его валентность в большинстве соединений (например, в воде $H_2O$) равна II, а не VI. Расчет по формуле: $8 - 6 = 2$.
• Пример 2: Хлор ($Cl$) находится в VII группе, имеет 7 внешних электронов. В соединении с водородом ($HCl$) его валентность равна I, а не VII. Расчет по формуле: $8 - 7 = 1$.

2. Возможность перехода атома в возбужденное состояние

Атомы многих элементов (начиная с 3-го периода, так как у них появляется d-подуровень) могут переходить в возбужденное состояние при поглощении энергии. В этом состоянии происходит распаривание электронных пар на внешнем уровне, и электроны переходят на свободные орбитали того же энергетического уровня. Это увеличивает число неспаренных электронов, а следовательно, и число возможных химических связей (валентность).

• Пример: Сера ($S$) находится в VI группе, имеет 6 валентных электронов. Электронная конфигурация внешнего уровня $3s^23p^4$.
  • В основном состоянии у серы 2 неспаренных электрона, и ее валентность равна II (например, в $H_2S$).
  • В первом возбужденном состоянии ($3s^23p^33d^1$) у нее 4 неспаренных электрона, валентность равна IV (например, в $SO_2$).
  • Во втором возбужденном состоянии ($3s^13p^33d^2$) у нее 6 неспаренных электронов, и валентность равна VI (например, в $SO_3$).
  Таким образом, имея 6 электронов на внешнем уровне, сера может проявлять валентности II, IV и VI. Только высшая валентность совпадает с числом внешних электронов.

3. Образование связей по донорно-акцепторному механизму

Химическая связь может образоваться, когда один атом (донор) предоставляет свою неподеленную электронную пару, а другой атом (акцептор) предоставляет для этой пары свободную орбиталь. В этом случае атом-донор образует дополнительную связь, и его валентность увеличивается, хотя число его собственных валентных электронов не меняется.

• Пример: Азот ($N$) имеет 5 электронов на внешнем уровне. В молекуле аммиака ($NH_3$) он образует 3 ковалентные связи, и его валентность равна III. При этом у азота остается одна неподеленная электронная пара. Эта пара может образовать четвертую связь с ионом водорода ($H^+$), у которого есть свободная орбиталь. В результате образуется ион аммония ($NH_4^+$), в котором валентность азота равна IV, хотя на его внешнем уровне по-прежнему 5 электронов.

4. Участие в образовании связей электронов предвнешнего уровня

У d-элементов (элементов побочных подгрупп) в образовании химических связей могут участвовать не только электроны внешнего s-подуровня, но и электроны предвнешнего d-подуровня. Поэтому их валентность часто не совпадает с числом электронов на наружном уровне.

• Пример: Железо ($Fe$) имеет конфигурацию $[Ar]3d^64s^2$. На внешнем (четвертом) уровне у него 2 электрона. Отдавая эти два электрона, железо проявляет валентность II. Однако оно также может отдавать один электрон с предвнешнего 3d-подуровня, проявляя более устойчивую валентность III. Таким образом, при 2 электронах на внешнем уровне железо проявляет валентности II и III.

Ответ: Численное значение валентности не всегда совпадает с числом электронов на наружном энергетическом уровне, так как валентность — это число химических связей, которое атом может образовать. Это число зависит не только от количества внешних электронов, но и от:
1) стремления атома завершить свой внешний слой (например, для неметаллов валентность часто равна $8 - N$);
2) способности атома переходить в возбужденное состояние, увеличивая число неспаренных электронов и, следовательно, валентность;
3) возможности образовывать дополнительные связи по донорно-акцепторному механизму;
4) участия в образовании связей электронов с предвнешних уровней (у d-элементов).