Как найти валентные электроны в атоме?

Автор Николай Шевчук December 18, 2023

Валентные электроны играют важнейшую роль в определении химических свойств атомов. Понимание того, как найти эти ключевые электроны в атоме, помогает предсказывать и объяснять реакционную способность веществ, а также многое другое. Давайте разберемся!

Что такое валентные электроны

Валентными называются электроны во внешнем энергетическом уровне (слое) атома. Именно они определяют химические свойства элемента и его способность вступать в реакции.

У разных элементов может быть разное количество валентных электронов. Это зависит от строения их электронных оболочек. Например, у натрия всего один валентный электрон, а у кислорода - шесть.

Как определить валентные электроны атома

Чтобы найти валентные электроны, нужно посмотреть на электронную конфигурацию элемента. Это запись, показывающая распределение всех его электронов по энергетическим уровням и подуровням.

Например, электронная конфигурация натрия выглядит так:

1s² 2s² 2p⁶ 3s¹

Здесь видно, что последний, самый дальний от ядра электрон находится на подуровне 3s. Значит, у натрия один валентный электрон.

Связь валентных электронов и свойств элементов

Количество валентных электронов определяет способность атома притягивать или отдавать электроны при взаимодействии с другими атомами.

Элементы, легко отдающие электроны, - восстановители . У них мало валентных электронов.
Элементы, легко принимающие электроны, - окислители . У них много валентных электронов.

Также от количества валентных электронов зависит максимальное число других атомов, с которыми данный элемент может соединяться.

Студенты в лаборатории анализируют валентные электроны

Примеры подсчета валентных электронов

Давайте подсчитаем валентные электроны для некоторых элементов.

Углерод C. Его конфигурация: 1s² 2s² 2p². Значит, 4 валентных электрона (2s² 2p²).
Азот N: 1s² 2s² 2p³. 3 валентных электрона.
Неон Ne: 1s² 2s² 2p⁶. 0 валентных электронов (оболочка закрыта).

Как видите, подсчет довольно простой. Главное - рассмотреть внешний энергетический слой и посчитать там электроны.

Особенности переходных металлов

Для переходных металлов правило определения валентных электронов несколько иное. У них валентными могут считаться не только электроны внешнего энергетического уровня, но и более глубоких d-подуровней.

Например, у железа валентными являются как 4s-, так и 3d-электроны. В результате всего у него 8 валентных электронов (а не 2, как по классическому правилу).

Такое поведение обусловлено особенностями электронного строения переходных металлов.

В целом же принцип определения для них тот же - рассмотреть электронную конфигурацию и найти самые внешние электроны, способные к участию в химических реакциях.

Глаз физика с отражением модели атома в зрачке

Распределение валентных электронов в атоме

Как мы уже выяснили, валентные электроны находятся во внешнем энергетическом слое атома. Но более детально можно рассмотреть их распределение по орбиталям и подуровням.

Валентные электроны заполняют атомные орбитали в порядке возрастания их энергии. Сначала заполняются 1s, затем 2s, 2p, 3s и т.д. При этом в каждой p-орбитали может находиться не более 2 электронов, а в каждой s-орбитали - не более одного.

Влияние валентных электронов на физические свойства

Помимо химических характеристик, количество валентных электронов влияет и на некоторые физические свойства элементов.

Например, проводимость металлов обеспечивается движением их слабосвязанных валентных электронов. А неметаллы с закрытыми оболочками, наоборот, обычно являются диэлектриками.

Методы определения валентных электронов

Помимо рассмотрения электронных конфигураций, существуют и другие способы нахождения количества валентных электронов.

Один из них - по положению элемента в периодической системе. Элементы в одной группе обладают сходным числом валентных электронов. Точные значения соответствуют номеру группы.

Кроме того, приблизительную оценку можно делать по степеням окисления элемента в соединениях. Это тоже связано с количеством отдаваемых или принимаемых электронов.

Применение знаний о валентных электронах

Информация о валентных электронах используется химиками для:

Прогнозирования химических реакций и их продуктов
Объяснения природы химической связи в соединениях
Понимания механизмов окислительно-восстановительных реакций

Кроме того, она применяется в науках о материалах, электрохимии, кристаллографии и других областях.

Пример: прогноз реакций по валентным электронам

Рассмотрим простой пример того, как знания о валентных электронах позволяют предсказывать реакции.

Возьмем литий и кислород. У Li всего 1 валентный электрон, а у O - 6. Значит, 2 атома Li могут отдать по 1 электрону, чтобы заполнить оболочку атома O. В результате образуется стабильное соединение Li2O.

Другие примеры прогнозирования реакций

Рассмотрим еще несколько примеров того, как анализ валентных электронов помогает предсказывать реакции.

Возьмем азот и водород. У азота 3 валентных электрона, у водорода – 1. Чтобы заполнить оболочку азота, нужно 3 атома водорода, каждый из которых отдаст свой единственный электрон. Получится аммиак NH3.

А теперь рассмотрим хлор и натрий. У хлора 7 валентных электронов, натрию нужен всего 1 электрон, чтобы завершить оболочку. Поэтому 1 атом Na отдаст свой валентный электрон атому Cl. Образуется ионная связь в хлориде натрия NaCl.

Границы применимости данного подхода

Хотя анализ валентных электронов часто позволяет верно предсказывать реакции и продукты, есть и исключения из этого правила.

Во-первых, у переходных металлов за счет d-электронов возможно проявление разных степеней окисления. Это сильно усложняет картину.

Во-вторых, на реакции могут влиять дополнительные факторы – катализаторы, температура, давление и т.д. В результате вместо ожидаемого продукта получается другое вещество.

Альтернативные методы прогнозирования

Помимо анализа валентных электронов, существует несколько других подходов к теоретическому моделированию химических реакций и предсказанию их продуктов: