Πώς να βρείτε τον αριθμό των ηλεκτρονίων σθένους σε ένα στοιχείο;

Εφόσον οι ομοιοπολικοί δεσμοί σχηματίζονται μέσω της κοινής χρήσης ηλεκτρονίων στο τελικό κέλυφος, ο αριθμός υποδεικνύει πόσοι δεσμοί μπορούν να σχηματιστούν.

Τι είναι τα ηλεκτρόνια σθένους;

Τα ηλεκτρόνια σθένους είναι τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στο εξωτερικό περίβλημα ενός ατόμου. Με άλλα λόγια, αυτά είναι τα ηλεκτρόνια που μπορούν να ληφθούν ή να χαθούν κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης.

Πού βρίσκονται τα ηλεκτρόνια σθένους;

Ανεξάρτητα από τον τύπο του χημικού δεσμού μεταξύ των ατόμων, είτε πρόκειται για ιοντικό, ομοιοπολικό ή μεταλλικό δεσμό, οι αλλαγές στην ατομική δομή περιορίζονται στα ηλεκτρόνια στο εξώτατο κέλυφος, δηλαδή στα ηλεκτρόνια σθένους.

Η πιο βασική μέθοδος θα ήταν να αναφερθούμε στην ατομική διαμόρφωση ενός στοιχείου και απλά να μετρήσουμε τα ηλεκτρόνια στο πιο εξωτερικό κέλυφος. Ωστόσο, αυτό θα ήταν μια εξαιρετικά επίπονη εργασία, καθώς ίσως χρειαστεί να ψάξουμε στα σχολικά βιβλία για να βρούμε διαμορφώσεις που δεν γνωρίζουμε.

Ωστόσο, δεν χρειάζεται να ανησυχείτε, καθώς υπάρχει ένας πολύ πιο απλός τρόπος προσδιορισμού αυτού του πολυπόθητου αριθμού. Αυτή είναι μια πιο γενικευμένη προσέγγιση που απαιτεί μόνο να καλέσετε ένα μικρό λαμπερό ορθογώνιο φύλλο χαρτιού — τον περιοδικό πίνακα.

Για να προσδιορίσουμε τον αριθμό των ηλεκτρονίων σθένους ενός στοιχείου, δεν έχουμε παρά να ανατρέξουμε στον περιοδικό πίνακα και να αναζητήσουμε τη θέση του στοιχείου σε αυτόν.

Ηλεκτρόνια σθένους και ο περιοδικός πίνακας

Ο περιοδικός πίνακας είναι μια καθαρή διάταξη όλων των στοιχείων που έχουν ανακαλυφθεί μέχρι τώρα. Τα στοιχεία είναι διατεταγμένα από αριστερά προς τα δεξιά σε αύξουσα σειρά του ατομικού τους αριθμού ή του αριθμού των πρωτονίων ή των ηλεκτρονίων που περιέχουν.

Τα στοιχεία χωρίζονται σε τέσσερις κατηγορίες:στοιχεία κύριας ομάδας, μεταβατικά στοιχεία, λανθανίδες και ακτινίδες. Τα δύο τελευταία αναφέρονται επίσης ως εσωτερική μετάβαση στοιχεία.

Ο πίνακας περιέχει 18 στήλες συνολικά, επίσημα γνωστές ως ομάδες, καθώς και σειρές, επίσημα γνωστές ως περίοδοι. Υπάρχουν 7 σειρές στον υποπίνακα παραπάνω και 2 σειρές που διακρίνουν τα πιο σπάνια στοιχεία παρακάτω. Τα στοιχεία μετάβασης σχηματίζουν μια γέφυρα ή διαιωνίζουν τη μετάβαση μεταξύ των στοιχείων στις Ομάδες 2 και 13.

Πώς να βρείτε ηλεκτρόνια σθένους;

Όταν κατεβαίνουμε μια ομάδα, ο αριθμός των ηλεκτρονίων σθένους παραμένει ο ίδιος, αν και ο αριθμός των κελύφους αυξάνεται.

Ενώ τα ηλεκτρόνια σθένους σε μια περίοδο ανεβαίνουν σταδιακά κατά ένα, ο αριθμός των φλοιών παραμένει ο ίδιος. Ο αριθμός περιόδου (αριθμός σειράς, για να σας υπενθυμίσω) στην οποία μπορεί να βρεθεί ένα στοιχείο υποδεικνύει τον αριθμό των κελυφών που περιβάλλουν τον πυρήνα του.

Λοιπόν, ποια είναι η σημασία του αριθμού ομάδας;

Ηλεκτρόνια σθένους στοιχείων εκτός των στοιχείων μετάπτωσης – τα κύρια στοιχεία της ομάδας

Ενώ ο αριθμός περιόδου υποδεικνύει τον αριθμό των φλοιών, ο αριθμός της ομάδας υποδεικνύει τον αριθμό των ηλεκτρονίων σθένους στο εξώτατο κέλυφος. Συγκεκριμένα, ο αριθμός στη θέση των. Ωστόσο, αυτό ισχύει μόνο για τα κύρια στοιχεία της ομάδας—τα στοιχεία που κατοικούν στις ομάδες 1-2 και 13-18.

Ο κανόνας δεν ισχύει για τα στοιχεία μετάβασης και εσωτερικής μετάβασης (θα φτάσουμε σε αυτό το λόγο σε ένα λεπτό). Για παράδειγμα, το νάτριο (Na) βρίσκεται στην Περίοδο 3, Ομάδα 1, πράγμα που σημαίνει ότι έχει 3 φλοιούς και ένα μόνο ηλεκτρόνιο στη στιβάδα σθένους.

Ή, μπορείτε να εξετάσετε το χλώριο στην Ομάδα 17. Συνεπώς, για να προσδιορίσουμε τα ηλεκτρόνια σθένους του, πρέπει να αναζητήσουμε μόνο τον αριθμό στη θέση του:7. Όπως είναι αναμενόμενο, αυτός είναι ακριβώς ο αριθμός των ηλεκτρονίων στο κέλυφος σθένους.

Αυτή η μέθοδος απλής αναφοράς στον περιοδικό πίνακα και προσδιορισμού του αντίστοιχου αριθμού ομάδας έχει εξαλείψει την ταλαιπωρία και την πολυπλοκότητα που κάποτε συνόδευαν την επίπονη αναζήτηση για μεμονωμένες ατομικές διαμορφώσεις.

Τι γίνεται με τα ηλεκτρόνια σθένους των ενδιάμεσων στοιχείων; Φυσικά δεν πρέπει να ξεχνάμε τις λανθανίδες και τις ακτινίδες…

Μια γρήγορη εξήγηση του τρόπου με τον οποίο τα κελύφη γεμίζουν με ηλεκτρόνια

Τα μεταβατικά στοιχεία δεν διαφέρουν πολύ από τα μέταλλα που πηγαίνουν ώμο με ώμο στα κύρια στοιχεία της ομάδας. Μοιάζουν πολύ με μέταλλα:είναι εύπλαστα, όλκιμα και μπορούν να μεταφέρουν τόσο τη θερμότητα όσο και τον ηλεκτρισμό. Το γεγονός ότι οι δύο καλύτεροι αγωγοί—ο Χαλκός (Cu) και το Αλουμίνιο (Al)—είναι μέταλλα μετάπτωσης δείχνει το βαθμό στον οποίο οι ιδιότητές τους επικαλύπτονται.

Ωστόσο, δεν αντιγράφουν τα αποτελέσματα που αντλήσαμε από την παραπάνω μέθοδο. Δεν μπορούμε να μετρήσουμε τα ηλεκτρόνια σθένους απλώς αναφερόμενοι στον αριθμό της ομάδας τους.

Για να κατανοήσουμε αυτήν την εξαίρεση, πρέπει να κατανοήσουμε πώς τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν κελύφη σε οποιοδήποτε στοιχείο.

Πρώτα, ωστόσο, πρέπει να ξεμάθουμε τη μέθοδο του γυμνασίου για την πλήρωση κελυφών γύρω από έναν ατομικό πυρήνα:θυμάστε το 2..8..8..18 και ούτω καθεξής; Λοιπόν, υπάρχει ένας λόγος για τον οποίο κατανέμουμε τα ηλεκτρόνια με αυτόν τον συγκεκριμένο τρόπο.

Η αναλογία του ηλιακού συστήματος, που περιγράφει τη διάταξη των ηλεκτρονίων γύρω από ένα άτομο, είναι εντελώς λανθασμένη. Θα πρέπει να εξαλειφθεί άμεσα, αλλά επειδή αμβλύνει τις δυσκολίες που σχετίζονται με την παρουσίαση της πράξηςual μοντέλο, τα σχολικά βιβλία του γυμνασίου βασίζονται κυρίως σε αυτή τη στοιχειώδη εξήγηση.

Τα ηλεκτρόνια δεν καταλαμβάνουν άκαμπτα κελύφη γύρω από τον πυρήνα τους. Στην πραγματικότητα, η θέση τους γύρω από έναν πυρήνα είναι εξαιρετικά αβέβαιη. Μπορούν να καταλάβουν μόνο ορισμένα επίπεδα ενέργειας γύρω από έναν πυρήνα. Το πιο πιθανό είναι να βρεθούν εκεί. Τεχνικά, αυτά τα επίπεδα ονομάζονται κβαντικές καταστάσεις και αναφέρονται με τους λεγόμενους κβαντικούς αριθμούς n .

Τώρα, η επόμενη πρόταση μπορεί να ακούγεται υποκριτική, αλλά οι κβαντικοί αριθμοί μπορούν να θεωρηθούν ως τα καλά μας κελύφη, αλλά με τα υποκέλυφα τώρα, τα οποία είναι τεχνικά γνωστά ως τροχιακά (s,p,d,f). Ανεξάρτητα από αυτήν την υπεραπλούστευση, τα πάει πολύ καλά για μια πορεία σύγκρουσης όπως αυτή.

Υπάρχει ένας κανόνας που περιορίζει τον αριθμό των ηλεκτρονίων που μπορεί να φιλοξενήσει ένα υποκέλυφος:s-2, p-6, d-10 και f-14. Αν αυτό δεν ήταν αρκετό, προσθέτοντας στο παραλήρημα, τα κοχύλια μπορούν να συμπληρωθούν μόνο με μια συγκεκριμένη σειρά που δίνεται παρακάτω. Ας το ονομάσουμε κανόνα .

Τα ηλεκτρόνια πρέπει μόνο να γεμιστούν από αριστερά προς τα δεξιά με αυτήν ακριβώς τη σειρά.

Αν κατανέμαμε ασυναίσθητα τα ηλεκτρόνια σε σχέση με τον τρόπο με τον οποίο είναι ευθυγραμμισμένα τα υποκεφάλαια, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα, το ασβέστιο (Ca) με ατομικό αριθμό 20 θα είχε τη διαμόρφωση 2,8,10 (2, 2+6, 2+6+2). Οποιοδήποτε εγχειρίδιο χημείας γυμνασίου θα σας πει ότι αυτό δεν είναι σωστό, καθώς η ακριβής διαμόρφωση είναι 2,8,8,2.

Ωστόσο, επειδή πρέπει να τηρούμε τον κανόνα, παρατηρούμε ότι τα 4 πρέπει να συμπληρωθούν πριν από το 3d, έτσι ώστε υπάρχουν τώρα 8 στο 3ο κέλυφος και 2 στο 4ο που κάνουν τη διαμόρφωση:2,8,8,2. Voila! Όπως θα αναφώνησε χαρούμενα ο Richard Feynman:Η ευχαρίστηση να ανακαλύπτεις πράγματα! Δυστυχώς, η χαρά είναι μόνο μισή - ο λόγος για τον κανόνα η ίδια, αυτός ο προφανής παραλογισμός, ξεφεύγει από το πεδίο εφαρμογής αυτού του άρθρου.

Εντάξει, τώρα που γνωρίζουμε πώς γεμίζονται τα κελύφη, μπορούμε να προχωρήσουμε περαιτέρω για να βρούμε τον αριθμό των ηλεκτρονίων σθένους στα μεταβατικά στοιχεία.

Ηλεκτρόνια σθένους λανθανιδών και ακτινιδών (μεταπτωτικά και εσωτερικά μεταβατικά στοιχεία)

Θεωρήστε το σκάνδιο (Sc) με τον ατομικό του αριθμό 21. Γεμίζοντας τα ηλεκτρόνια σύμφωνα με τον κανόνα μας, παρατηρούμε ότι το 21ο ηλεκτρόνιο καταλαμβάνει το 3d υποκέλυφος. Ωστόσο, καθώς το προηγουμένως γεμάτο 4ο φλοιό (4s) έχει 2 ηλεκτρόνια και είναι προφανώς το πιο εξωτερικό περίβλημα, ο αριθμός των ηλεκτρονίων σθένους είναι 2.

Ομοίως, κάθε μεταβατικό στοιχείο στην 4η περίοδο πρέπει να έχει 2 ηλεκτρόνια σθένους. Ο λόγος είναι ότι, παρόλο που το 3d γεμίζει πριν από το 4, τα δύο ηλεκτρόνια που βρίσκονται στο 4ο κέλυφος είναι οι κάτοικοι του εξωτερικού φλοιού και δικαιωματικά αξίζουν τον χαρακτηρισμό ηλεκτρονίων σθένους.

Στην πραγματικότητα, αυτό ισχύει για τα μεταβατικά στοιχεία σε κάθε περίοδο. Εξετάστε το Χρυσό (Au), που βρίσκεται στην 6η περίοδο (σειρά) και την 11η ομάδα (στήλη). Στη διαδικασία γεμίσματος των κελύφους του, μπορεί κανείς να αντιληφθεί ότι τη γέμιση του 5d ακολουθεί η γέμιση των 6s. Και επειδή το 6ο φλοιό βρίσκεται πάνω από το 5ο, ο αριθμός των ηλεκτρονίων σθένους είναι… *drumroll*… 2!

Ωστόσο, έτσι θα ήταν τα ηλεκτρόνια ιδανικά παράταξη. Οι ενεργειακές διαφορές μεταξύ αυτών των κελυφών είναι μικροσκοπικές και τα ηλεκτρόνια (ή η Φύση, για εκείνο το θέμα) ποθεί τη σταθερότητα περισσότερο από οτιδήποτε άλλο. Ένα ηλεκτρόνιο θα έκανε ευτυχώς ένα άλμα σε ένα παρακείμενο κέλυφος σχετικά ισοδύναμης ενέργειας για να επιτύχει μια πιο σταθερή διαμόρφωση.

Ένα καλό παράδειγμα είναι η ασταθής διαμόρφωση ενός ατόμου χαλκού (Cu).

Η περίεργη περίπτωση των ηλεκτρονίων σθένους χαλκού

Ο χαλκός έχει 29 ηλεκτρόνια, επομένως τα πιο πίσω ηλεκτρόνια παρατάσσονται ως …4s2-3d9. Για το Copper, η διαμόρφωση είναι λίγο ανησυχητική — μια πιο σταθερή διαμόρφωση θα ήταν να υπάρχουν 10 ηλεκτρόνια στο 3d κέλυφος, και αυτό ακριβώς παρατηρούμε!

Δεδομένου ότι οι ενέργειες των κελυφών είναι συγκρίσιμες, ένα ηλεκτρόνιο 4s κάνει ένα άλμα στο 3d για να εκπληρώσει μια σταθερή διαμόρφωση. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων σθένους είναι τώρα 1!

Ορισμένα στοιχεία μεταξύ των μεταβατικών στοιχείων εμφανίζουν αυτήν την παραδοξότητα, η οποία παρατηρείται επίσης στα εσωτερικά μεταβατικά στοιχεία, λόγω των συγκρίσιμων ενεργειακών επιπέδων των φλοιών f, d και s.

Συνοπτικά, μπορεί επομένως να ειπωθεί ότι ο αριθμός των ηλεκτρονίων σθένους για τα μεταβατικά στοιχεία και τα εσωτερικά μεταβατικά στοιχεία ποικίλλει με απρόβλεπτο τρόπο.

Αν και ο αριθμός των ηλεκτρονίων σθένους για τα μεταβατικά στοιχεία μπορεί ακόμα να προβλεφθεί – και τα περισσότερα από αυτά καταλήγουν σε 2 – μια τέτοια πρόβλεψη για τα εσωτερικά μεταβατικά στοιχεία δεν μπορεί να μιμηθεί.

Η ιδιότροπη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων σθένους τους, που τρέμουν ατελείωτα και χοροπηδούν στην αναποφασιστικότητα, αρνείται κάθε προσπάθεια απόκτησης μιας μοναδικής σταθερής διαμόρφωσης – καθιστώντας σχεδόν αδύνατη την πρόβλεψη του αριθμού των ηλεκτρονίων σθένους!