Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

Переменная валентность

Main page / Генетика XXII века / Раздел 2. АТОМЫ, АТОМНЫЕ ОБОЛОЧКИ / Переменная валентность

Содержание

    Если бы все атомы могли образовывать раз и навсегда заданное число общих пар электронов с другими атомами (то есть они бы имели одну и ту же определенную валентность), то наш мир не был бы таким разнообразным, каким он является, ведь атомы с переменной валентностью могут образовывать повышенное количество разнообразных химических связей. Давай разберемся — как вообще такое может происходить, что некоторые атомы имеют переменную валентность. Для этого нам и пригодятся наши знания об электронных уровнях атома — только используя эти знания, мы и сможем понять природу переменной валентности.

    Для примера возьмем серу. Сера может образовывать две ковалентные электронные пары с водородом, образуя сероводород (H₂S) — тот самый, с запахом тухлых яиц, в больших концентрациях ядовитый. С каждым атомом водорода сера создает по одной связи — просто потому, что водород никак больше образовывать связи не может.

    Кроме этого сера может образовывать четыре ковалентных связи с кислородом (SO₂), создавая по две связи с каждым атомом кислорода, который, как и водород, имеет постоянную валентность, и она для кислорода равна двум. Такое вещество называется «диоксид серы» (приставка «ди-» значит «два-»). Диоксид серы является одним из главных компонентов вулканических газов. Для многих микроорганизмов он ядовит. Для людей SO₂ тоже ядовит в том случае, если вдыхать его в значительных концентрациях, и в то же время он играет очень большую и очень полезную роль в биохимии наших тел и является «эндогенным» газом. «Эндогенный» — значит такой, который вырабатывается внутри клеток нашего тела, т.е. «имеющий внутреннее происхождение». Мы для наглядности можем нарисовать структурную формулу диоксида серы, чтобы отчетливо увидеть, что атом серы образует две ковалентных связи с каждым атомом кислорода, имея в итоге четыре обобществленных пары электронов (каждая палочка изображает одну общую электронную пару).

    Наконец, сера способна иметь валентность 6, вступая в соединение с тем же кислородом, но уже немного иначе — образуя «серный ангидрид» или, проще, «серный газ» (SO₃).

    Для того, чтобы понять — как атому серы удаются такие фокусы с переменной валентностью, рассмотрим конфигурацию его электронных оболочек. Электронная формула (…3s²3p⁴) показывает, что он имеет три электронных уровня, и подуровень d остается незадействованным. Но всегда ли он незадействован? В ответе на этот вопрос и лежит разгадка переменной валентности. В своем спокойном состоянии сера должна добрать два электрона для завершения пары (s+p)-подуровней в соответствии с правилом октета. Значит в спокойном состоянии атом серы может образовать две ковалентные связи, что он и делает с водородом, создавая молекулу H₂S. Да, у серы недостаточно электронов, чтобы кто-то из них разместился на d-подуровне 3-го уровня, но стоит любому из четырех электронов, сидящих на p-подуровне, получить чуть-чуть энергии, как он легко и непринужденно переместится с p-подуровня на d-подуровень, и что мы получим в таком случае? Вместо привычного …3s²3p⁴ мы имеем электронную конфигурацию возбужденного атома серы: …3s²3p³3d¹.

    Что-то изменилось в химических свойствах такого атома? Изменилось многое. Теперь 3-й уровень для своего завершения нуждается уже в трех электронах, а не в двух, как было прежде, но мало того! Теперь еще и один 3d-электрон может образовать пару с каким-то другим электроном. Вот и получается, что атом серы в таком возбужденном состоянии может успеть образовать целых четыре ковалентных связи с другими атомами, прежде чем её возбужденный электрон испустит квант света и уляжется обратно на 3p-подуровень.

    Электрон с 3s-подуровня тоже может захватить такой квант энергии, который позволит ему перескочить в точности на d-подуровень, и тогда электронная схема будет выглядеть так: …3s¹3p³3d². При такой конфигурации 3s- и 3p-подуровни требуют 4 электрона для состояния завершенности, да плюс еще два электрона на d-подуровне могут образовать еще две пары, итого 6! Вот так и получается, что атом серы может иметь переменную валентность.

    Почему электрон с 3s-подуровня предпочитает захватить такой квант энергии, который переводит его на 3d-подуровень, а не такой, который позволит ему перескочить на 3p-уровень? Дело в том, что атому энергетически выгодно, чтобы на каждой орбитали сидело по одному электрону, а не по два. Допустим, у нас есть три свободных гантелеобразных орбитали p-подуровня, и мы начнем размещать на них электроны. Они сначала рассядутся так, что один электрон будет занимать одну орбиталь в гордом одиночестве, и только четвертый электрон вынужденно подселится к одному из предыдущих. Именно поэтому 3s-электрон занимает свободные апартаменты на 3d-подуровне вместо того, чтобы подселяться к одному из электронов на p-подуровнях. Не только людям хочется иметь достаточно личного пространства:)

    Рассмотрим еще раз процесс возбуждения атома серы. Итак, сначала невозбужденный атом имеет 4 электрона на 3p-подуровне. Значит 4 электрона как-то размещаются на трех гантелеобразных орбиталях 3p-подуровня: на двух орбиталях 3p-подуровня сидит по одному электрону, а на третьей сидят два электрона, и им там тесновато, так что они не упустят возможность расселиться. Поэтому как только атом получает нужное количество дополнительный энергии, один из электронов перепрыгивает на одну из пяти орбиталей d-подуровня. И если атом получает еще порцию энергии, то и другой 3s-электрон заселяется на свободную орбиталь 3d-подуровня, и в итоге атом серы приобретает валентность, равную шести, и может образовать шесть обобществленных электронных пар с другими атомами.

    (Не забудь, что p-электрон, d-электрон и s-электрон — это не разные виды электронов, ведь все электроны идентичны, и в природе нет двух разных электронов. Просто мы так обозначаем электроны, находящиеся на разных подуровнях).