Валентные возможности атомов

Для ответа по п.4 задания I части необходимо из рекомендованного вам «Опорного конспекта лекций по химии» (или из других учебников по химии для высшей школы) выучить раздел «Энергетическое состояние электрона в атоме» (стр. 48-50). Особое значение здесь будет играть схема относительного расположения орбиталей для многоэлектронных атомов (рис. 6(б), стр. 48).

Для начала необходимо:

- написать электронную формулу атома хлора: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵;

- выделить внешние электроны: 3s²3p⁵;

Для дальнейшего ответа необходимо знать основные представления по химической связи («Опорный конспект по химии», стр. 59-63), в том числе:

- основное и возбужденное состояние электронов в атоме (стр. 49);

- обменный механизм образования ковалентной химической связи (стр. 62);

- донорно-акцепторный механизм образования ковалентной химической связи (стр. 62).

Примечание. При рассмотрении валентных возможностей атомов следует учитывать указанные возможности по образованию прежде всего ковалентного типа связи (неполярной и полярной). К тому же следует понимать, что валентные возможности и конкретная валентность (ковалентность) - разные понятия. Валентные возможности – это теоретическая «максимальная» валентность, которая, как правило, всегда меньше валентности конкретных атомов элементов в реально существующих соединениях. При этом, численная величина валентных возможностей, как и численная величина валентности, знака не имеет. При определении валентных возможностей необходимо найти максимально возможные значения валентных возможностей того или иного атома, а также их количество по обменному и донорно-акцепторному механизмам образования ковалетной химической связи. Определение валентных возможностей корректно проводить для атомов неметаллов или полуметаллов, которые могут образовывать химические соединения с ковалентным типом (характером) химической связи.

Для определения валентных возможностей атома хлора в нормальном состоянии необходимо:

- сосчитать количество свободных внешних электронов и количество электронных пар или количество свободных атомных ячеек на последнем задействованном энергетическом подуровне. (Задействованным подуровнем считается такой, на котором в нормальном (невозбужденном) состоянии имеется хотя бы один электрон). В нашем случае количество неспаренных электронов у атома хлора в нормальном состоянии равно 1.

- сосчитать количество электронных пар на внешних подуровнях. В нашем случае их 3 – одна на подуровне 3s и две на подуровне 3p. Таким образом, валентные возможности (В.в.) атома хлора в нормальном состоянии равны 4: В.в. (Cl) = 1_обм + 3^д_д.а., в том числе одна по обменному механизму (обм), три – по донорно-акцепторному (д.а.), где атом хлора выступает в качестве донора (д.), т.е. атома, предоставляющего при образовании ковалентной химической связи электронную пару. Формальная схема реализации таких возможностей представлена ниже:

Для определения валентных возможностей атома хлора в возбужденном состоянии необходимо:

- построить для атома хлора графическую электронную формулу (2-й вариант) с учетом ближайшего незаполненного энергетического подуровня. В нашем случае – это 3d-подуровень (рис. 6, стр. 48. «Опорный конспект лекций по химии»).

Графическая электронная формула будет выглядеть следующим образом:

Отметим, что при возбуждении электронов, т.е. переводе их на более высокий энергетический подуровень того же энергетического уровня, определяемого значением главного квантового числа n (в нашем случае n=3), энергетические затраты (Е_в) не столь значительные и могут быть скомпенсированы при образовании химической связи (Е_хс). При переходе электрона с энергетического подуровня одного электронного слоя на энергетический подуровень другого электронного слоя, энергетические затраты (Е¹_в) оказываются больше, чем выигрыш энергии при образовании химической связи, т.е. такая валентная возможность не может быть даже формально реализована ни в каких химических соединениях. Поэтому такие валентные возможности не учитываются. Вышесказанное поясняют схемы, приведенные ниже.

Образование химической связи энергетически невыгодно.

Образование химической связи энергетически возможно.

Таким образом, в нашем случае распределение электронов для атома хлора в возбужденном состоянии будет выглядеть следующим образом:

Исходя из данной графической формулы, валентные возможности атома хлора в возбужденном состоянии (Cl^*) равны 9: В.в. (Cl^*) = 7_обм + 2^а_д.а., в том числе семь по обменному механизму (обм), две – по донорно-акцепторному в качестве акцептора (а), т.е. атома предоставляющего свободные атомные ячейки на задействованном энергетическом уровне. Формальная схема гипотетической реализации таких возможностей представлена ниже:

Еще раз подчеркнем, что такие максимальные валентные возможности, как правило, не могут быть реализованы в реальных химических соединениях, в частности из-за геометрических размеров атомов.