Что это - валентные электроны?

Преподавателям физики и химии в учебных заведениях хорошо известно, что намного проще объяснить какую-либо тему, если прибегнуть к аналогиям или воспользоваться приближенными примерами, разъясняя «на пальцах». Хотя приводимые описания могут не полностью отвечать общепринятой модели, тем не менее, такой подход дает свои результаты. Именно так обстоит дело в атомной физике.

Химические свойства веществ относительно просто объяснить, если использовать теорию атомного строения, предложенную в 1911 году английским физиком Э. Резерфордом. Несмотря на то, что его модель верна лишь частично, этого вполне достаточно для понимания происходящих процессов. Сегодня мы поговорим о том, что же такое валентные электроны и какова их взаимосвязь со свойствами изучаемого материала. Но сначала вспомним планетарную модель строения атома.

Резерфорд определил, что атом не является неделимой частицей, как считалось ранее, а состоит из тяжелого ядра в центре и электронов, вращающихся вокруг него. Электрический заряд ядра положительный (+), а у электронов, в свою очередь, отрицательный (-). Через восемь лет после опубликования своей теории строения атома, Резерфорд смог провести уникальный, по тем временам, опыт – превратить азот в кислород. Опыт заключался в «бомбардировке» альфа-частицами атомов азота. После соударения образовывался атом кислорода и «лишняя» частица, обладающая положительным зарядом, впоследствии названная протоном.

Теория приобрела законченный вид: ядро включает в себя протоны, с помощью магнитных сил удерживающие электроны на орбитах. Так как атом электронейтрален, а протон и электрон притягиваются, то их суммарные количества равны. В 1932 году физиком Дж. Чедвиком было выявлено, что в ядре кроме протонов присутствуют частицы без заряда – нейтроны. Именно они ответственны за массу. В зависимости от энергии электрона, он может находиться на различном расстоянии от ядра. Валентные электроны - это те отрицательно заряженные частицы, которые:

• находятся на максимальном расстоянии от ядра, на внешних орбитах;
• могут вступать во взаимодействие с соседними атомами.

Под взаимодействием необходимо понимать возможность покинуть свою атомную орбиту или изменить траекторию движения.

Валентные электроны определяются очень просто – по таблице Менделеева. Для основных элементов (кроме подгрупп, так как там есть исключения) верно условие: максимальное количество валентных электронов соответствует номеру группы, в которой находится исследуемый элемент. Атом, обладающий большим теоретическим количеством таких частиц, неохотно отдает их другим атомам, поэтому является окислителем (забирает недостающее). И, наоборот, при малом номере группы, валентные электроны легко отдаются элементом, вступая во взаимодействие. В этом случае речь идет о восстановителе или атоме-доноре.

Валентные электроны непосредственно зависят от состояния атома. Так, если ему тем или иным способом извне сообщить дополнительную энергию (перевести в возбужденное состояние), то орбит валентных частиц станет больше.

Данные о валентности материалов позволяют активно их использовать, предсказывая результат. Например, химические источники электрического тока на основе электролитов используют такие элементы, которые способные отдавать и принимать электроны. Нейтральный материал был бы в данном случае бесполезен. Нетрудно догадаться, что если все внешние электронные оболочки атома заполнены, то такой элемент является химически нейтральным и не вступает во взаимодействие с другими атомами (или сила взаимодействия настолько ничтожна, что ей можно пренебречь). Яркий пример подобного – инертные газы.