1.3 Электронные семейства элементов

В зависимости от того, какой подуровень в атоме заполняется в последнюю очередь, все химические элементы делятся на четыре электронных семейства: s-, p-, d-, f-элементы.

У s-элементов в последнюю очередь заполняется s-подуровень внешнего уровня. У них валентными являются s-электроны внешнего энергетического уровня. К s–элементам относятся элементы, расположенные в главных подгруппах I –II групп периодической системы, а также водород и гелий.

У р-элементов последним заполняется р-подуровень внешнего уровня. У них валентные электроны расположены на p- и s-подуровнях внешнего уровня. К p–элементам относятся элементы главных подгрупп III –VIII групп, кроме водорода и гелия.

У d-элементов в последнюю очередь заполняется d-подуровень предпоследнего уровня и валентными являются s-электроны внешнего и d-электроны предпоследнего энергетического уровней. К d– элементам относятся элементы побочных подгрупп I–VIII групп.

У f-элементов последним заполняется f-подуровень третьего снаружи энергетического уровня. К f–элементам относятся актиноиды и лантаноиды.

1.4 Атомная валентная зона. Возможные валентные состояния

Атомная валентная зона (АВЗ)– часть электронной оболочки, на которой расположены валентные электроны.

Валентность— способность атомов химических элементов образовывать определённое число химических связей с атомами других элементов. Согласно спин-валентной теории в образовании связи могут участвовать только свободные электроны.

Таким образом, валентность химического элемента определяется числом неспаренных электронов на внешнем энергетическом уровне.

Если все электроны в атоме занимают орбитали в соответствии с законом минимума энергии, то и атом обладает минимальным запасом энергии. Такое состояние называется нормальным или основным.

Например, у атома кальция в основном состоянии на внешнем энергетическом уровне находятся два неспаренных электрона. Электронная конфигурация кальция имеет вид ₂₀Ca 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s².

Следовательно, в основном состоянии валентность кальция равна нулю.

Поглощая энергию извне, электроны переходят на орбитали с более высоким запасом энергии, которые в нормальном состоянии не заняты. Такое состояние атома называется возбужденным. Существуют различные способы возбуждения: тепловое возбуждение, фотовозбуждение, возбуждение с помощью электрического разряда, возбуждение в ходе химической реакции.

Валентные электроны слабее других связаны с ядром, поэтому они легче переходят в возбужденное состояние. При этом происходит переход с энергетического подуровня с меньшей энергией на энергетический подуровень с большей энергией в пределах одного уровня, что приводит к расширению АВЗ.

В результате расширения валентной зоны атома кальция s –электроны внешнего энергетического уровня распариваются, один из них переходит на p– подуровень: ₂₀Ca 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹4p¹.

Валентность кальция в возбужденном состоянии равна двум.

При графическом изображении электронной конфигурации атома в возбужденном состоянии наряду с заполненными изображают вакантные валентные орбитали. Например, в атоме фосфора на третьем энергетическом уровне имеются одна s-АО, три р-АО и пять d-АО. На рисунке 4 изображена электронная конфигурация атома фосфора в основном состоянии.

₁₅Р… 3s² 3p^{3 .}

Рисунок 4– Электронная конфигурация атома фосфора в основном состоянии

Валентность фосфора, определяемая числом неспаренных электронов, равна 3. При переходе атома в возбужденное состояние происходит распаривание электронов состояния 3s и один из электронов с s-подуровня может перейти на d-подуровень. На рисунке 5 показана электронная конфигурация атома фосфора в возбужденном состоянии.

Р*… 3s² 3p³ 3d¹

Рисунок 5– Электронная конфигурация атома фосфора в возбужденном состоянии

При этом валентность фосфора меняется с трех (РСl₃) — в основном состоянии до пяти (РCl₅) — в возбужденном.