Valența electronului

În chimie , electronii de valență sunt numiți electroni localizați pe învelișul exterior (extrem) al unui atom . Electronii de valență determină comportamentul unui element chimic în reacțiile chimice , adică participă la formarea unei legături chimice și completează stratul electronic al atomilor implicați în aceasta. Cu cât un element are mai puțini electroni de valență, cu atât îi oferă mai ușor acești electroni (indică proprietățile unui agent reducător ) în reacțiile cu alte elemente. În schimb, cu cât un atom al unui element chimic conține mai mulți electroni de valență, cu atât acesta dobândește mai ușor electroni ( arată proprietățile unui agent oxidant ) în reacțiile chimice, toate celelalte lucruri fiind egale. Învelișurile de electroni exterioare complet umplute au gaze inerte care prezintă activitate chimică minimă. Periodicitatea umplerii învelișului electronic exterior cu electroni determină modificarea periodică a proprietăților chimice ale elementelor din tabelul periodic .

Un atom cu o înveliș închis electroni de valență (corespunzător configurației electronice s 2 p 6 ) tinde să fie inert din punct de vedere chimic . Atomii cu unul sau doi electroni de valență mai mulți decât învelișul închis au o capacitate mai mare de a intra în reacții chimice datorită energiei relativ mici necesare pentru a elimina excesul de electroni de valență pentru a forma un ion pozitiv . Atomii care au unul sau doi electroni de valență mai puțin decât învelișul închis intră în reacții datorită proprietății de a dobândi electronii de valență lipsă și de a forma un ion negativ sau de a forma o legătură covalentă .

La fel ca un electron dintr-o înveliș interioară, un electron de valență are capacitatea de a absorbi sau elibera energie sub formă de foton . Obținerea de energie poate determina deplasarea electronului către învelișul exterior; acest fenomen este cunoscut sub numele de excitație . În acest caz, dacă electronul primește suficientă energie pentru a depăși bariera de potențial , egală cu potențialul de ionizare , el părăsește atomul, formând astfel un ion pozitiv. În cazul în care electronul pierde energie (determinând emisia unui foton), acesta se poate deplasa în învelișul interior, care nu este complet ocupat.

Nivelurile de energie de valență corespund numerelor cuantice principale (n = 1, 2, 3, 4, 5…) sau sunt etichetate alfabetic cu literele utilizate în notația cu raze X a orbitalilor atomici (K, L, M,…) .

Numărul de electroni de valență

Numărul de electroni de valență ( valența maximă ) este egal cu numărul grupului din tabelul periodic al lui Mendeleev în care se află elementul chimic (cu excepția subgrupurilor laterale). Cu excepția grupurilor 3-12 ( metale de tranziție ), cifra din numărul grupului indică câți electroni de valență sunt asociați cu atomul neutru al elementului enumerat în acea coloană.

Configurații electronice

Reacția chimică a unui atom este determinată de electronii aflați la cea mai mare distanță de nucleul atomic, adică au cea mai mare energie.

Pentru elementele grupului principal , electronii de valență sunt definiți ca acei electroni care se află în învelișul de electroni cu cel mai mare număr cuantic principal n [3] . Astfel, numărul de electroni de valență pe care un element chimic îi poate avea depinde de configurația electronică . De exemplu, configurația electronică a fosforului (P) este 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 , deci există 5 electroni de valență (3s 2 3p 3 ), corespunzător unei valențe maxime pentru P de 5, ca într-un PF 5 molecule .

Metalele de tranziție , la rândul lor, au (n−1)d niveluri de energie parțial umplute, care sunt foarte apropiate ca energie de nivelul ns [4] . Prin urmare, de regulă, electronii d din metalele de tranziție se comportă ca electronii de valență, deși nu se află în învelișul de valență. De exemplu, manganul (Mn) are configurația 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 5 . În acest atom, electronul 3d are o energie similară cu cea a electronului 4s și mult mai mare decât cea a unui electron 3s sau 3p. Astfel, teoretic este posibil ca manganul să aibă șapte electroni de valență (4s 2 3d 5 ), iar acest lucru este în concordanță cu faptul că manganul poate avea o stare de oxidare de până la +7 (în ionul permanganat MnO 4 - ).

În fiecare rând de metale de tranziție, pe măsură ce vă deplasați spre dreapta, energia unui electron din carcasa d scade și cu cât un astfel de electron are mai puțin proprietățile unui electron de valență. Astfel, deși un atom de nichel are în principiu zece electroni de valență (4s 2 3d 8 ), starea sa de oxidare nu depășește niciodată patru. Pentru zinc, învelișul 3d este complet, astfel încât electronii săi d nu prezintă proprietăți de valență.

Deoarece numărul de electroni de valență care vor intra efectiv într-o reacție chimică este dificil de prezis în metalele de tranziție, conceptul de electron de valență este mai puțin util pentru un metal de tranziție decât pentru un element de grup principal.

Reacții chimice

Numărul de electroni din învelișul exterior de valență a unui atom determină comportamentul acestuia în legăturile chimice . Prin urmare, elementele ai căror atomi pot avea același număr de electroni de valență sunt grupate în tabelul periodic al elementelor. În general, un element de grup principal (altul decât hidrogenul sau heliul ) tinde să reacționeze pentru a forma un înveliș închis corespunzător configurației electronice s2p6 . Această tendință se numește regula octetului , deoarece fiecare atom legat are opt electroni de valență, inclusiv electroni împărtășiți.

Metalele cel mai activ implicate în reacțiile chimice sunt metalele alcaline din grupa 1 (de exemplu, sodiu sau potasiu ); acest lucru se datorează faptului că astfel de atomi au un singur electron de valență, iar în timpul formării unei legături ionice, care asigură energia de ionizare necesară, acest electron de valență se pierde ușor, formând un ion pozitiv ( cation ) cu o înveliș închisă. (de exemplu, Na + sau K + ). Un metal alcalino -pământos din grupa 2 (cum ar fi magneziul ) este oarecum mai puțin reactiv, deoarece fiecare atom trebuie să piardă doi electroni de valență pentru a forma un ion pozitiv cu înveliș închis (cum ar fi Mg2 + ).

În fiecare grupă (fiecare coloană a tabelului periodic) de metale, reactivitatea crește de sus în jos (de la elementele ușoare la cele grele), deoarece elementul mai greu are mai multe învelișuri de electroni decât elementul mai ușor; electronii de valență ai elementului mai greu există la numere cuantice principale mai mari (sunt mai departe de nucleul atomic și, prin urmare, au energii potențiale mai mari, ceea ce înseamnă că sunt legați mai puțin strâns).

Atomii nemetalici tind să atragă electroni de valență suplimentari pentru a forma un înveliș de valență complet; acest lucru poate fi realizat într-unul din două moduri: un atom poate fie să împărtășească electroni cu un atom vecin ( legătură covalentă ), fie să trage electroni de la un alt atom ( legătură ionică ). Cele mai reactive nemetale sunt halogenii (de exemplu, fluorul (F) sau clorul (Cl)). Atomii de halogen au configuraţia electronică s 2 p 5 ; acest lucru necesită doar un electron de valență suplimentar pentru a forma un înveliș închis. Pentru a forma o legătură ionică, un atom de halogen poate trage un electron dintr-un alt atom pentru a forma un anion (de exemplu, F− , Cl− , etc.). Pentru a forma o legătură covalentă, un electron dintr-un halogen și un electron dintr-un alt atom formează o pereche comună (de exemplu, în molecula H-F, învelișul reprezintă o pereche comună de electroni de valență - unul de la un atom de hidrogen și unul de la fluor atom).

În cadrul fiecărui grup de nemetale, reactivitatea scade în tabelul periodic de sus în jos (de la elementele ușoare la cele grele), deoarece electronii de valență au energii din ce în ce mai mari și, prin urmare, sunt legați din ce în ce mai puțin strâns. De fapt, oxigenul (cel mai ușor element din grupa 16) este cel mai reactiv nemetal după fluor, chiar dacă nu este un halogen, deoarece învelișul său de valență are un număr cuantic principal mai mic.

În aceste cazuri simple, în care se respectă regula octetului, valența unui atom este egală cu numărul de electroni câștigați, pierduți sau împărțiți pentru a forma un octet stabil. Cu toate acestea, există multe molecule care sunt excepții și pentru care valența este mai puțin clar definită.

Conductivitate electrică

Electronii de valență sunt, de asemenea, responsabili pentru conductivitatea electrică a elementului ; în funcție de valoarea acestei caracteristici, un element poate fi clasificat ca metal , nemetal sau semiconductor (sau metaloid).

Metalele au de obicei o conductivitate electrică ridicată în stare solidă . În fiecare rând al tabelului periodic, metalele sunt situate în stânga nemetalelor, respectiv, atomii de metal au mai puțini electroni de valență posibili decât atomii nemetalici. Cu toate acestea, electronul de valență al unui atom de metal are o energie de ionizare scăzută , iar în stare solidă acest electron de valență lasă atomul relativ liber pentru a se lega cu un alt atom din apropiere. Un astfel de electron „liber” se poate mișca sub influența unui câmp electric , iar mișcarea sa este un curent electric ; acest electron este responsabil pentru conductivitatea electrică a metalului. Exemple de buni conductori sunt metalele precum cuprul , aluminiul , argintul și aurul .

Nemetalele au conductivitate electrică scăzută și acționează ca izolatori . Aceste elemente se află în partea dreaptă a tabelului periodic, iar atomii lor au un înveliș de valență care este cel puțin pe jumătate plin (excepția fiind borul ). Energia de ionizare a borului este mare; un electron nu poate părăsi cu ușurință un atom atunci când este aplicat un câmp electric și astfel elementul poate conduce doar un curent electric foarte mic. Exemple de izolatori solizi sunt diamantul ( un alotrop al carbonului) și sulful .

Un compus solid care conține metale poate fi, de asemenea, un izolator dacă electronii de valență ai atomilor de metal sunt utilizați pentru a forma legături ionice . De exemplu, deși sodiul este un metal, clorura de sodiu solidă este un izolator, deoarece electronul de valență al sodiului este transferat la clor pentru a forma o legătură ionică și, astfel, acest electron nu se poate mișca ușor.

Un semiconductor are o conductivitate electrică intermediară între cea a unui metal și a unui nemetal; De asemenea, un semiconductor diferă de un metal prin faptul că conductivitatea electrică a unui semiconductor crește odată cu temperatura. Semiconductorii tipici sunt siliciul și germaniul , fiecare dintre ele având patru electroni de valență. Proprietățile semiconductorilor sunt explicate cel mai bine folosind teoria benzilor , ca o consecință a decalajului energetic mic dintre banda de valență (care conține electroni de valență la zero absolut) și banda de conducție (la care electronii de valență sunt mutați de energia termică).

Note

1. ↑ Este format din ns și (n-1) d electroni. Alternativ, se utilizează numărul de electroni d .
2. ↑ Cu excepția heliului , care are doar doi electroni de valență.
3. ↑ Petrucci, Ralph H.; Harwood, William S.; Hering, F. Geoffrey. Chimie generală: principii și aplicații moderne  (engleză) . — al 8-lea. - Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall , 2002. - P.  339 . — ISBN 978-0-13-014329-7 .
4. ↑ THE ORDER OF FILLING 3d AND 4s ORBITALS Arhivat 31 decembrie 2017 la Wayback Machine . chemguide.co.uk

Link -uri

• Francis, Eden. Electroni de valență .

Dicționare și enciclopedii	mare danez Un norvegian grozav Britannica (online)