В теории химической связи используется понятие валентности. Различают стехиометрическую валентность, которая характеризует количественное соотношение атомов в молекуле, и ковалентность, или спинвалентность.
Ковалентность, спинвалентность – это количество связей, которое определяется числом неспаренных электронов в атоме, находящемся в основном состоянии, или числом неспаренных электронов, которые появляются в атоме при его возбуждении.
Например, атом элемента кислорода имеет в основном состоянии два неспаренных электрона, а атом азота – три. Эти электроны могут принимать участие в образовании соответствующего количества ковалентных связей, поэтому ковалентность О равна двум, а ковалентность N – трем:
При химических реакциях атомы могут переходить в возбужденное состояние, в результате чего двухэлектронные облака распадаются на одноэлектронные: спаренные электроны распариваются. Например, атом углерода (С: 2s22p2) в основном состоянии имеет два неспаренных электрона, поэтому его ковалентность равна двум:
При переходе в возбужденное состояние электронная конфигурация атома изменяется (С*: 2s12p3), появляется четыре неспаренных электрона. При этом углерод приобретает ковалентность четыре (записывается IV):
У атомов следующих элементов нет свободных орбиталей: N (2s22p3), О (2s22p4),
F (2s22p5). Поэтому атом N может проявлять ковалентность три, атом O – два, а атом F – один.
У атомов элементов третьего периода на внешнем энергетическом уровне имеется вакантный d-подуровень, куда при возбуждении могут переходить s- и p-электроны внешнего слоя. Например, атом хлора в основном состоянии проявляет ковалентность один, а при возбуждении – три, пять и даже семь:
Пример 4.1. Какую ковалентность могут проявлять атомы элементов S и Ti в основном и возбужденном состояниях?
Решение. Ковалентность определяется по числу неспаренных электронов. В основном состоянии ковалентность обоих элементов равна двум, т. к. атомы S (…3s23p4) и Ti (…4s23d2) имеют по два неспаренных электрона, что видно из электронно-графических схем:
При переходе в возбужденное состояние происходит распаривание спаренных электронов, в результате чего в атоме серы появляется шесть неспаренных электронов (ковалентность VI), а в атоме титана – четыре (ковалентность IV):
Пример 4.2. Чем можно объяснить, что элементы VIA-подгруппы кислород О и селен Se проявляют разную высшую валентность?
Решение. Расположение валентных электронов в атоме кислорода отражается электронно-графической структурой:
…
.
Количество неспаренных электронов в атоме О обусловливает ковалентность кислорода, равную двум. Отсутствие на втором энергетическом уровне d-подуровня является препятствием для перехода О в возбужденное состояние, распаривания спаренных электронов и проявления более высокой валентности.
В основном состоянии атома селена распределение электронов на внешнем уровне описывается электронно-графической схемой:
Видно, что ковалентность Se в основном состоянии тоже равна двум. В отличие от кислорода атом Se может перейти в возбужденное состояние. На четвертом энергетическом уровне он имеет незаполненный электронами d-подуровень. В возбужденном состоянии атом Se может приобрести четыре или шесть неспаренных электронов (за счет распаривания электронных пар и перехода электронов с s- и p-подуровней на d-подуровень). Это соответствует валентностям IV и VI:
Ключевые слова и термины
Русский
Украинский
Английский
Французский
Арабский
возбужденное состояние
збуджений стан
excited state, set state
?tat excit?
???? ?????
ковалентность
ковалентність
covalence
covalence
неспаренный
неспарений
uncoupled, unpaired
impaire
??? ?????
распариваться
розпаровуватися
break apart
compagnon
????
распределение
розподілення
distribution
distribution
???????
Контрольные вопросы
Что называется ковалентностью (или спинвалентностью)?
Какую ковалентность могут проявлять атомы элементов H, O, N, C, F? Почему?
Чем объяснить, что атомы элементов F и Cl проявляют в своих соединениях разную высшую валентность?
Какую ковалентность могут проявлять атомы элемента Si в основном и возбужденном состояниях?
Задания для самостоятельной работы
Предложенные задания имеют по четыре варианта ответов, из которых правильных может быть несколько.
Что определяется числом неспаренных электронов в атоме, который находится в основном или возбужденном состоянии:
Чем можно объяснить, что элемент VIA-подгруппы кислород не проявляет высшую валентность, равную номеру группы:
а) большим значением сродства к электрону; б) зарядом ядра атома; в) невозможностью увеличивать количество неспаренных электронов из-за отсутствия d-подуровня на втором энергетическом уровне; г) положением элемента в шкале электроотрицательностей?
Атомы какого элемента способны проявлять ковалентность, равную VII:
а) F; б) Cl; в) S; г) Se?
Почему атомы элемента серы S в своих соединениях проявляют четную переменную валентность:
а) атом S в основном состоянии имеет два неспаренных электрона, а при переходе в возбужденное состояние происходит последовательное распаривание неподеленных электронных пар – это увеличивает валентность на две единицы; б) на внешнем энергетическом уровне атома S имеется незаполненный d-подуровень; в) это объясняется положением S в периодической таблице элементов; г) S является активным неметаллом, поэтому может образовывать соединения с высшей валентностью, равной номеру группы?
Валентные электроны атома серы в основном или возбужденном состоянии могут находиться на орбиталях ...:
