Объяснение разной валентности S, O, N, P: Электронно-графические формулы

Давайте разберем этот вопрос, используя электронно-графические формулы.

Объяснение различий в высшей валентности серы и кислорода

Начнем с того, что валентность элемента определяется числом неспаренных электронов, которые он может предоставить для образования химических связей.

Кислород (O)

Кислород находится во втором периоде и имеет порядковый номер 8. Электронная конфигурация кислорода: \(1s^2 2s^2 2p^4\). Электронно-графическая формула внешнего энергетического уровня (второго): \[ \begin{array}{c} 2s \quad \uparrow\downarrow \\ 2p \quad \uparrow\downarrow \quad \uparrow \quad \uparrow \end{array} \] Как мы видим, у кислорода на внешнем уровне есть две неспаренные электрона. Это объясняет его валентность II в большинстве соединений (например, в воде \(H_2O\)). Важно отметить, что у кислорода нет свободных d-орбиталей на втором энергетическом уровне. Второй энергетический уровень состоит только из s- и p-орбиталей. Отсутствие d-орбиталей означает, что кислород не может распаривать свои спаренные электроны и переводить их на более высокие энергетические уровни для увеличения числа неспаренных электронов. Поэтому высшая валентность кислорода равна II.

Сера (S)

Сера находится в третьем периоде и имеет порядковый номер 16. Электронная конфигурация серы: \(1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^4\). Электронно-графическая формула внешнего энергетического уровня (третьего) в основном состоянии: \[ \begin{array}{c} 3s \quad \uparrow\downarrow \\ 3p \quad \uparrow\downarrow \quad \uparrow \quad \uparrow \\ 3d \quad \_ \quad \_ \quad \_ \quad \_ \quad \_ \end{array} \] В основном состоянии у серы, как и у кислорода, две неспаренные электрона, что объясняет ее валентность II (например, в сероводороде \(H_2S\)). Однако, в отличие от кислорода, у серы есть свободные d-орбитали на третьем энергетическом уровне. Это позволяет сере переходить в возбужденные состояния.

Первое возбужденное состояние серы:

Один из спаренных электронов с 3p-орбитали переходит на свободную 3d-орбиталь. \[ \begin{array}{c} 3s \quad \uparrow\downarrow \\ 3p \quad \uparrow \quad \uparrow \quad \uparrow \\ 3d \quad \uparrow \quad \_ \quad \_ \quad \_ \quad \_ \end{array} \] В этом состоянии у серы четыре неспаренные электрона, что соответствует валентности IV (например, в сернистом газе \(SO_2\)).

Второе возбужденное состояние серы:

Один из спаренных электронов с 3s-орбитали переходит на свободную 3d-орбиталь. \[ \begin{array}{c} 3s \quad \uparrow \\ 3p \quad \uparrow \quad \uparrow \quad \uparrow \\ 3d \quad \uparrow \quad \uparrow \quad \_ \quad \_ \quad \_ \end{array} \] В этом состоянии у серы шесть неспаренных электронов, что соответствует валентности VI (например, в серной кислоте \(H_2SO_4\)). Таким образом, высшая валентность серы равна VI, а высшая валентность кислорода равна II. Различие обусловлено наличием свободных d-орбиталей у серы и их отсутствием у кислорода.

Объяснение различий в высшей валентности азота и фосфора

Теперь рассмотрим азот и фосфор.

Азот (N)

Азот находится во втором периоде и имеет порядковый номер 7. Электронная конфигурация азота: \(1s^2 2s^2 2p^3\). Электронно-графическая формула внешнего энергетического уровня (второго): \[ \begin{array}{c} 2s \quad \uparrow\downarrow \\ 2p \quad \uparrow \quad \uparrow \quad \uparrow \end{array} \] У азота на внешнем уровне три неспаренные электрона, что объясняет его валентность III (например, в аммиаке \(NH_3\)). Как и в случае с кислородом, у азота нет свободных d-орбиталей на втором энергетическом уровне. Поэтому азот не может распаривать свои спаренные электроны с 2s-орбитали и переводить их на более высокие энергетические уровни. Высшая валентность азота равна III. Однако, азот может проявлять валентность IV, например, в ионе аммония \((NH_4)^+\). В этом случае азот образует четыре ковалентные связи, используя три своих неспаренных электрона и одну донорно-акцепторную связь, предоставляя свою неподеленную электронную пару. Но это не связано с распариванием электронов и переходом в возбужденное состояние, а с образованием дополнительной связи за счет неподеленной пары.

Фосфор (P)

Фосфор находится в третьем периоде и имеет порядковый номер 15. Электронная конфигурация фосфора: \(1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^3\). Электронно-графическая формула внешнего энергетического уровня (третьего) в основном состоянии: \[ \begin{array}{c} 3s \quad \uparrow\downarrow \\ 3p \quad \uparrow \quad \uparrow \quad \uparrow \\ 3d \quad \_ \quad \_ \quad \_ \quad \_ \quad \_ \end{array} \] В основном состоянии у фосфора три неспаренные электрона, что объясняет его валентность III (например, в фосфине \(PH_3\)). В отличие от азота, у фосфора есть свободные d-орбитали на третьем энергетическом уровне. Это позволяет фосфору переходить в возбужденное состояние.

Возбужденное состояние фосфора:

Один из спаренных электронов с 3s-орбитали переходит на свободную 3d-орбиталь. \[ \begin{array}{c} 3s \quad \uparrow \\ 3p \quad \uparrow \quad \uparrow \quad \uparrow \\ 3d \quad \uparrow \quad \_ \quad \_ \quad \_ \quad \_ \end{array} \] В этом состоянии у фосфора пять неспаренных электронов, что соответствует валентности V (например, в пентахлориде фосфора \(PCl_5\) или фосфорной кислоте \(H_3PO_4\)). Таким образом, высшая валентность фосфора равна V, а высшая валентность азота равна III. Различие также обусловлено наличием свободных d-орбиталей у фосфора и их отсутствием у азота.

Вывод

Главная причина различий в высшей валентности элементов второго и третьего периодов (и далее) заключается в наличии или отсутствии свободных d-орбиталей на внешнем энергетическом уровне. Элементы второго периода (кислород, азот) не имеют d-орбиталей, поэтому не могут распаривать свои спаренные электроны и увеличивать число неспаренных электронов. Элементы третьего периода (сера, фосфор) имеют свободные d-орбитали, что позволяет им переходить в возбужденные состояния, распаривать электроны и проявлять более высокие валентности.