Валентность. Насыщение химических связей

Валентные связи

Насыщение химических связей особенности и примеры

Валентные связи

Валентность - это способность атомов соединяться друг с другом для создания молекулы. У каждого атома есть своя валентность, а при соединении двух атомов их валентности насыщаются формируя связь между друг другом, значит, каждая валентная связь атома соответствует аналогичной валентной связи другого атома. Возьмем для примера молекулу , у атома углерода есть 4 валентных связи, они насыщаются валентными связями атомов водорода, таким образом у атома углерода валентность 4, в то время как у атома водорода валентность единице.

Взгляните на молекулы водорода , мы с вам рассмотрим физическое значение валентности. Предположим, у нас есть два атома водорода, которые пребывают в основном состоянии (2S). При сближении данных атомов, можно так называемый получить синглетный терм. Это такая антисимметричная спиновая волновая функция, но так же можем получить триплет с симметричной спиновой функцией. Основный тремом для водорода является синглет, потому что, антисимметричная координатная функция, не относится к самому низкому состоянию системы. Согласно расчетам мы пришли к выводу, что синглет имеет минимум, который позволяет создать устойчивую молекулу водорода.

В результате мы получаем следующее, спин молекулы водорода равен - 0. Этим свойством не обделены молекулы практически всех устойчивых химических элементов и их соединений. Исключениями являются разве что , у которых полный спин равен 1/2.

Мы видим, способность атомов связываться и образовывать молекулы связанных с их спинами. Соединяясь друг с другом, спины атомов взаимно компенсируются. Обратите внимание, что удвоение спинов атома используют как количественную характеристику возможности атомов объединяться. И число это всегда совпадает с химической валентностью элемента. Бывает, один и тот же атом имеет разную валентность. Тут все зависит от состояния в котором в данный момент он прибывает.

К примеру элементы первой группы которые по природе своей являются щелочными металлами, имеют спин в 1/2 в нормальном состоянии. Из этого мы получаем валентность равную - 1. В возбужденном состоянии спин становится больше, получают они его при возбуждении электрона, который находится в заполненной оболочке. В таком состоянии атом не способен образовать устойчивую молекулу.

Посмотрите на атомы щелочноземельных металлов ( это вторая группа элементов) в норме спин равняется нулю. То есть атомы не способны образовывать соединения. Однако есть ещё возбужденное состояние в котором атом получает конфигурацию sp и в таком случае спин равен единице, а валентность равна двум, и это между прочем основная валентность второй группы элементов.

При образовании молекул, заполненные электронные оболочки, практически не изменяются. В незаполненных оболочках, изменения могут быть весьма значительными. В гетерополяной связи, электроны переходят из одних атомов к другим. Другими словами, молекула состоит из ионов, ионы имеют заряды которые равны их валентности. Химические элементы первой группы - электроположителные, в гетерополярных соединениях они отдают свой заряд, вследствие чего появляются положительные ионы. В следующих группах электроположительность из группы в группу становятся все более электроотрицательность. Элементы которые находятся седьмой группы имеют максимальную электроотрицательность.

Обратите внимание на элементы промежуточных групп. Группы палладия и платины практически не отличаются от главных групп, по валентным свойствам. Но из-за относительно глубокой локализации d-электронов, они немного слабее взаимодействуют с другими атомами. Из-за этого мы часто наблюдаем "ненасыщенные" соединения, у которых спин равен нулю. Каждое из этих химических соединений может проявить разную валентность, они могут отличаться не только на один, но и на два.

В редкоземельных металлах все немного иначе. У них есть незаполненная оболочка , электроны которой очень глубоко локализованы по сравнению с d-электронами. Они не принимают никакой участия в формировании валентных связей. По этому валентность редкоземельных металлов зависит только от s- и p-. Но при этом, электроны в возбужденном состоянии, могут переходить в s- и в p- после чего валентность увеличится на единицу. Большинство редкоземельных металлов четырех и трех валентны.

Промежуточной место между элементами палладия и редкоземельными элементами занимают элементы группы Fe. В атомах этих элементов d - электроны находятся глубоко, по этому в некоторых химических соединениях не принимают участия, при создании связей. Они начинают вести себя как редкоземельные элементы. Например . В этих соединениях атомы металла являются катионами. В группе железа валентность может быть разной.

Ещё один вид соединений Fe - комплексные соединения. В таких соединениях атом промежуточного элемента в молекулу входит не как ион, а как часть комплексного иона. В таких ионах атомы находятся ближе друг к другу, по сравнению с простыми. В таких ионах d - электроны создают валентные связи. Считается что в сложных соединениях Fe ведет себя так же как платина или палладий.

Такие элементы как относятся к главным группам, и в некоторых молекулах ведут себя как промежуточные. Элементы могут дать валентность более единицы, потому что электроны d - оболочки способны перейти в p- оболочку. В этом случае элемент имеет незаполненную d-оболочку и ведет себя как промежуточный элемент группы железы , а ,, как элемент палладия и платины.

Насыщение химических связей особенности и примеры

Принцип запрета Паули объясняет насыщение валентности. Он гласит, что электроны в соединения так же как и в атомах, создают оболочку вокруг ядра. Например: водород имеет два электрона, которые локализованы в самой внутренней оболочке, и по этому они имеют противоположные спины. В состоянии при притяжении двух спин электроны антипараллельны. Получается заполненные оболочки, в устойчивом состоянии легко образуют химическую связь и достигают насыщения спинов.

При больших расстояниях между атомами, электроны образуют связи, которые не успели создать антипараллельные пары с какими-то другими электронами. И получается количество нескомпенсированных спинов будет равняться количеству валентностей атома или молекул. А гомеополярная валентность или истинная валентность будет равна числу электронов у которых ненасыщенный спин.

Элемент He. У него есть два насыщенных спина, которые заполняют всю оболочку. Как итог Гелий - нейтральный элемент.

Вот следующий элемент Li(Литий) - первый элемент второго ряда таблицы Менделеева , имеет один внешний электрон, следовательно и его валентность равна - 1.

Рассмотрим пару примеров

• 1) Задача: Объясните почему бериллий Be имеет валентность равняющиеся двум?

Ответ: Химический элемент бериллий Be вне оболочки имеет два электрона. Значит у элемента бериллия два электрона находятся на L- оболочке и имеет спины взаимно компенсированные. Может показаться что бериллий как и гелий должен быть химически нейтральным и валентность должна равняться нулю. Но она равняется двум. Это объясняется тем, что при образовании связей, атом перетекает состояние возбуждения. В таком случае спины электронов получат одна направление, вместо противоположного. Как результат, в оболочке Be появляются два электрона, таким образом и валентность бериллия становится равна двум.

• 2) Задача: Объясните, какая валентность у элементов 5-й группы периодической таблицы.

Ответ: Конфигурация состояния атомов у элементов из пятой группы периодической таблицы Менделеева имеет следующий вид:



Их спин равен 3/2. В таком случае валентность будет равна трем.

Состояния возбуждения, которому соответствует большой спин, можно получить в том случае, если один электрон перейдет в оболочку своим значением квантового числа.



Тут спин равен 5/2 где s' условное обозначение электрона, в котором квантовое число на 1 больше чем S- состоянии. В возбужденном состоянии его энергия не большая, однако атом способен вступать в соединения.

Согласно проведенным расчетам, элементы пятой группы периодической таблицы могут иметь валентность три и пять. К примеру, такой элемент как азот может формировать следующий соединения: