Валентные электроны находятся на внешнем энергетическом уровне и незавершенном d-подуровне предвнешнего уровня.
Определим число валентных электронов для марганца:
или сокращенно: Мn … 3d54s2.
Что можно определить по формуле электронной конфигурации атома?
1. Какой это элемент – металл или неметалл?
Марганец – металл, т.к. на внешнем (четвертом) уровне находится два электрона.
2. Какой процесс характерен для металла?
Атомы марганца в реакциях всегда только отдают электроны.
3. Какие электроны и сколько будет отдавать атом марганца?
В реакциях атом марганца отдает два внешних электрона (они дальше всех от ядра и слабее притягиваются им), а также пять предвнешних d-электронов. Общее число валентных электронов – семь (2 + 5). В этом случае на третьем уровне атома останется восемь электронов, т.е. образуется завершенный внешний уровень.
Все эти рассуждения и заключения можно отразить при помощи схемы (рис. 6):
|
Рис. 6. Схема отдачи электронов атомом марганца |
Полученные условные заряды атома называют степенями окисления.
Рассматривая строение атома, аналогичным способом можно показать, что типичными степенями окисления для кислорода является –2, а для водорода +1.
В о п р о с. С каким из химических элементов может образовывать соединения марганец, если учесть полученные выше степени его окисления?
О т в е т. Только с кислородом, т.к. его атом имеет противоположную по заряду степень окисления. Формулы соответствующих оксидов марганца (здесь степени окисления соответствуют валентностям этих химических элементов):
Строение атома марганца подсказывает, что большей степени окисления у марганца быть не может, т.к. в этом случае пришлось бы затрагивать устойчивый, теперь уже завершенный предвнешний уровень. Поэтому степень окисления +7 является высшей, а соответствующий оксид Мn2О7 – высшим оксидом марганца.
Для закрепления всех этих понятий рассмотрим строение атома теллура и некоторые его свойства:
Как неметалл, атом Te может принять 2 электрона до завершения внешнего уровня и отдать «лишние» 6 электронов:
Задание 3.10. Изобразите электронные конфигурации атомов Nа, Rb, Cl, I, Si, Sn. Определите свойства этих химических элементов, формулы их простейших соединений (с кислородом и водородом).
Практические выводы
1. В химических реакциях участвуют только валентные электроны, которые могут находиться только на двух последних уровнях.
2. Атомы металлов могут только отдавать валентные электроны (все или несколько), принимая положительные степени окисления.
3. Атомы неметаллов могут принимать электроны (недостающие – до восьми), приобретая при этом отрицательные степени окисления, и отдавать валентные электроны (все или несколько), при этом они приобретают положительные степени окисления.
Сравним теперь свойства химических элементов одной подгруппы, например натрия и рубидия: Nа ...3s1 и Rb ...5s1.
Что общего в строении атомов этих элементов? На внешнем уровне каждого атома по одному электрону – это активные металлы. Металлическая активность связана со способностью отдавать электроны: чем легче атом отдает электроны, тем сильнее выражены его металлические свойства.
Что удерживает электроны в атоме? Притяжение их к ядру. Чем ближе электроны к ядру, тем сильнее они притягиваются ядром атома, тем труднее их «оторвать».
Исходя из этого, ответим на вопрос: какой элемент – Nа или Rb – легче отдает внешний электрон? Какой из элементов является более активным металлом? Очевидно, рубидий, т.к. его валентные электроны находятся дальше от ядра (и слабее удерживаются ядром).
Вывод. В главных подгруппах сверху вниз металлические свойства усиливаются, т.к. возрастает радиус атома, и валентные электроны слабее притягиваются к ядру.
Сравним свойства химических элементов VIIa группы: Cl …3s23p5 и I …5s25p5.
Оба химических элемента – неметаллы, т.к. до завершения внешнего уровня не хватает одного электрона. Эти атомы будут активно притягивать недостающий электрон. При этом чем сильнее притягивает атом неметалла недостающий электрон, тем сильнее проявляются его неметаллические свойства (способность принимать электроны).
За счет чего происходит притяжение электрона? За счет положительного заряда ядра атома. Кроме того, чем ближе электрон к ядру, тем сильнее их взаимное притяжение, тем активнее неметалл.
В о п р о с. У какого элемента сильнее выражены неметаллические свойства: у хлора или йода?
О т в е т. Очевидно, у хлора, т.к. его валентные электроны расположены ближе к ядру.
Вывод. Активность неметаллов в подгруппах сверху вниз убывает, т.к. возрастает радиус атома и ядру все труднее притянуть недостающие электроны.
Сравним свойства кремния и олова: Si …3s23p2 и Sn …5s25p2.
На внешнем уровне обоих атомов по четыре электрона. Тем не менее эти элементы в периодической системе находятся по разные стороны от линии, соединяющей бор и астат. Поэтому у кремния, символ которого находится выше линии В–At, сильнее проявляются неметаллические свойства. Напротив, у олова, символ которого находится ниже линии В–At, сильнее проявляются металлические свойства. Это объясняется тем, что в атоме олова четыре валентных электрона удалены от ядра. Поэтому присоединение недостающих четырех электронов затруднено. В то же время отдача электронов с пятого энергетического уровня происходит достаточно легко. Для кремния возможны оба процесса, причем первый (прием электронов) преобладает.
Выводы по главе 3. Чем меньше внешних электронов в атоме и чем дальше они от ядра, тем сильнее проявляются металлические свойства.
Чем больше внешних электронов в атоме и чем ближе они к ядру, тем сильнее проявляются неметаллические свойства.
Основываясь на выводах, сформулированных в этой главе, для любого химического элемента периодической системы можно составить «характеристику».