1.4 Электронные семейства элементов

В зависимости от того, на какой подуровень попадает последний электрон, все элементы делятся на четыре семейства:

s - элементы—I-II группа главная подгруппа, а также водород и гелий;

p - элементы—III-VIII группа главная подгруппа, кроме водорода и гелия;

d - элементы— все побочные подгруппы I- VIII групп;

f - элементы— актиноиды и лантаноиды.

1.5 Атомная валентная зона. Возможные валентные состояния

Атомная валентная зона (АВЗ) – это часть электронной оболочки, которая может перестраиваться по ходу образования химической связи. АВЗ включает, как правило, внешний s– подуровень (ns) и тот подуровень, который заполняется у данного элемента (таблица 3).

Таблица 3 - АВЗ

Семейство	АВЗ	Максимально возможная валентность
s	ns	1-2
p	ns np	1-8
d	(n-1)d ns	1-8
f	(n-2)f ns	1-8

Оставшаяся часть электронной оболочки в совокупности с ядром называется атомным остовом или химическим ядром.

Пример.

Определите возможные валентные состояния и укажите семейство для элементов с порядковыми номерами 11, 20, 8, 34, 22, 43, 28.

Запишем электронные формулы этих элементов, подчеркнём их АВЗ и для неё построим энергетическую диаграмму:

₁₁Na 1s²2s²2p⁶3s¹ На внешнем энергетическом уровне у натрия находится только один электрон, поэтому он может проявлять только одну валентность, равную единице (В=1).

₂₀Ca 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s² На внешнем энергетическом уровне у кальция находится два спаренных электрона. А поскольку с точки зрения спин–валентной теории участвовать в образовании связи могут только свободные электроны, то в стационарном состоянии валентность кальция будет равна нулю (В=0).

При получении незначительного количества энергииэлектроны могут переходить с одного энергетического подуровня на другой, но только в пределах своего уровня. Энергия, затрачиваемая на распаривание электронов, незначительна и окупается энергией, выделяющейся при образовании связи.

В таком состоянии валентность кальция равна двум (В^*=2).

₈O 1s²2s²2p⁴ Поскольку здесь нет свободного d– подуровня на втором энергетическом уровне, то электроны распаривать некуда и кислород может быть только двухвалентен.

₃₄Se 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁴ В=2. Но, не смотря на то, что и селен, и кислород стоят в одной группе, имеют сходное строение электронной оболочки и должны проявлять одинаковую валентность, оказывается, что у селена имеется свободный d– подуровень на четвёртом уровне, куда могут распариваться валентные электроны.

В этом случае В^*=4; 6.

₂₂Ti 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s². На первый взгляд, в атоме титана имеется два неспаренных электрона на предвнешнем d– подуровне, которые могли бы вступить в образование связи. Но, на самом деле, они экранируются внешними спаренными s– электронами, поэтому в стационарном состоянии валентность титана равна нулю. В возбуждённом состоянии внешние s– электроны четвертого уровня распариваются (один из них переходит на р– подуровень того же уровня). Поскольку сразу два электрона получили некоторый избыток энергии, то они оба вступают в химическое взаимодействие, то есть В^*=2.

Что касается d– электронов на третьем энергетическом уровне, то они расположены ближе к ядру и поэтому обладают меньшим запасом энергии. Вследствие этого они менее активны и в образование связи могут вступать по одному. То есть В^*=3; 4. Но, поскольку не все теоретически определённые валентности для элементов d– семейства обнаруживаются экспериментально, для них целесообразно указывать интервал валентностей. Например, В^*=2-4.

₄₃Tc 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d⁵5s²

В стационарном (невозбуждённом) состояние В = 0.

В возбуждённом состоянии В^* = 2-7.

₂₈Ni 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁸4s² В=0.

Следует учитывать, что хотя у никеля присутствуют и спаренные электроны на 3d– подуровне, и вакантные места на 4р– подуровне, мы не можем переместить эти электроны с 3d– подуровня на 4р– подуровень, поскольку это различные энергетические уровни.

В возбуждённом состоянии В^*=2-5.

Первые два элемента (Na и Са) относятся к s– семейству, поскольку у них последним застраивается s- подуровень, вторые два элемента (O и Se) относятся к p– семейству, поскольку у них последним застраивается p– подуровень, последние три элемента (Ti, Tc и Ni) относятся к d– семейству, поскольку у них последним застраивается d– подуровень.