2 — Основные электроны и валентные электроны

Прежде чем мы продолжим говорить о связи, мы должны поговорить о том, что побуждает атомы делать это. А поскольку кислород любит внимание, мы будем использовать его в качестве эталона на протяжении всего урока. Хорошо тебе, кислород.

Напомним, орбитальная конфигурация кислорода 1s 2 2s 2 2p 4 . Это означает, что у него 8 электронов (добавьте показатели орбитальной конфигурации, которые представляют спиновые квантовые числа). Итак, если у него атомный номер 8, что означает, что у него 8 протонов и 8 электронов, то зачем ему еще связываться? Ведь его отрицательный и положительный заряды уравновешены. Он не должен быть высокоэнергетичным, верно?

Атомный дисбаланс

Теперь вы не ошиблись, думая, что 8 протонов и 8 электронов должны уравновешивать друг друга. 8 — 8 = 0. Но это было бы только в том случае, если бы все 8 электронов чувствовали одну и ту же силу от 8 протонов и нейтрализовали эту силу. Но этого не может быть, верно? Мы знаем, что по мере увеличения орбитального уровня увеличивается и расстояние от ядра. Поэтому электроны, расположенные ближе к ядру, все больше и больше ощущают его силу притяжения, а те, что дальше, меньше; это не идеальная отмена. Кроме того, помните электронный щит? Этот экран состоит из самых внутренних, или сердцевинных, электронов, которые «защищают» не только валентные электроны от силы ядра, но и любые электроны вне атома. Без этого щита связь и химия в целом были бы совсем другими. Итак, давайте поговорим подробнее об этих экранирующих электронах ядра.

Количество этих основных электронов соответствует, как вы уже догадались, энергии. Электроны с наименьшей энергией наименее реактивны, а электроны с наибольшей энергией — наиболее реактивны.Электроны с самой высокой энергией связываются, чтобы понизить свою энергию, что характерно для валентных электронов; электронам с самой низкой энергией не нужно связываться, что характерно для электронов остова. Следовательно, дело не в том, что, как утверждает наш предыдущий пример, всего 8 электронов и 8 протонов. В этих 8 есть смесь электронов, которые реагируют, и электронов, которые не реагируют, создавая дисбаланс заряда. Мы вернемся к этому позже. Во-первых, как определить, какие электроны являются остовными, а какие валентными?

Это очень просто. Помните, что наши благородные газы устраивают вечеринку для каждого атома, и единственное требование — иметь нужное количество электронных приглашений. Стандарты, которым должен соответствовать атом, определяются благородными газами. Итак, давайте еще раз взглянем на периодическую таблицу.

Благородные газы имеют полные орбитали и, таким образом, нереактивны, что придает им те же черты, что и остовным электронам — низкую энергию и отсутствие необходимости связывания. Следовательно, мы можем определить основные электроны всех элементов в соответствии с их предыдущим благородным газом. Итак, давайте вернемся к нашему 8-протонному/8-электронному, привлекающему внимание атому кислорода для вечеринок. Его предыдущий благородный газ — гелий, что составляет 1 с 2 . Это означает, что у него есть только два остовных электрона. Два электрона кислорода на его 2s-орбитали (2s 2 ) и четыре электрона на его 2p-орбитали (2p 4 ) являются валентными электронами. Таким образом, кислород можно записать в форме основной валентной орбиты как [He] 2s 2 2p 4 .

Это показывает, что кислород имеет восемь протонов, но только шесть реактивных валентных электронов, и теперь, когда мы знаем, что кислород на самом деле имеет меньше реактивных электронов, чем протонов, что верно для любого атома после гелия, мы можем понять, почему он реагирует. Электроны ядра испытывают полный заряд ядра. Но валентные электроны, защищенные от полного заряда этими остовными электронами, испытывают гораздо меньший положительный заряд. В частности, атомы после гелия имеют ядра, которые проявляют эффективный заряд на электронах вне ядра.Это можно выразить в простой математической форме.

Эффективный заряд: Z_эфф = Z — S, где Z — количество протонов, а S — количество остовных электронов.

Мы знаем, что кислород имеет 2 остовных электрона и 8 протонов, следовательно, его эффективный заряд равен 6 (8 — 2). Валентные электроны чувствуют этот заряд +6 (отсюда и 6 валентных электронов). Однако эти валентные электроны не вносят вклад в электронный экран. А это значит, что электроны вне атома тоже могут чувствовать этот заряд.

Так как кислород использует это? Как устроен любой атом? Когда расстояние между совместимыми атомами достаточно близко, все валентные электроны испытывают эффективный ядерный заряд не только от ядра своего атома, но и от ядер ближайших к ним атомов. Как таковые, они притягиваются силами притяжения всех соответствующих ядер в середине, и их отрицательный заряд удовлетворяет все соответствующие атомы. Звучит знакомо? Вы могли вспомнить что-то подобное, когда мы обсуждали водород на прошлом уроке. Да, мои любопытные друзья, это химическая связь.

(а) Простейшее выражение химической связи. (b) Обратите внимание, что синее облако наиболее темное между атомами или вблизи протонов?
Автор изображения Джон Уайли и сыновья, Inc.

Резюме по связям…

По мере увеличения количества протонов эффективный заряд ядра должен увеличиваться. Но число остовных электронов не меняется до тех пор, пока вы не перейдете к следующей строке периодической таблицы, после того как будет достигнута предыдущая цель по инертным газам. Например, весь второй период, от лития (Li) до фторида (F), имеет два остовных электрона, потому что гелий был их последним благородным газом и, следовательно, создает прецедент для остовных электронов из-за стабильности. Эти основные электроны чувствуют всю силу ядра, но их часто недостаточно, чтобы полностью замаскировать полный положительный заряд.Следовательно, притяжение ядра ощущают не только валентные электроны внутри атома, но и валентные электроны вне атома, находящиеся достаточно близко к нему. Поскольку атому нужна полная валентная оболочка, чтобы быть таким же стабильным, как благородный газ, он свободно притягивает эти валентные электроны. Но валентный электрон другого атома также испытывает притяжение из-за эффективного заряда собственного ядра. Следовательно, два атома должны иметь общие электроны. В результате оба атома улучшают свою стабильность, потенциально даже имея достаточно электронов, чтобы быть такими же стабильными, как инертные газы, и, следовательно, могут веселиться со своими боготворимыми инертными газами.

Теперь я могу рассказать вам, что делает кислород таким плохим… в следующей части. Но я хотел оставить вас с вопросом.

• Что делает водород и гелий такими разными с точки зрения остовных и валентных электронов?