Valenssielektronit
Valenssielektronit määräävät suuren osan atomin kemiallisesta käyttäytymisestä. Pääryhmäalkuaineille laskusääntö on suoraviivainen, mutta d- ja f-lohkoissa useita alikuoria voi olla niin lähellä energiaa, ettei pelkkä «uloimman kuoren elektronit» riitä kuvaamaan kemiallista valenssia.
Valenssielektronien löytäminen pääryhmäalkuaineista
Ryhmien 1 ja 2 alkuaineilla on yleensä yksi ja kaksi valenssielektronia. Ryhmissä 13–18 valenssielektronien määrä saadaan useimmiten vähentämällä ryhmänumerosta kymmenen. Ryhmän 17 alkuaineilla on siis seitsemän valenssielektronia. Helium on poikkeus: 1s² täyttää ensimmäisen kuoren kahdella elektronilla.
Ryhmäselain
Lewis-symbolit ja sitoutuminen
Lewis-symbolissa valenssielektronit esitetään pisteinä alkuaineen tunnuksen ympärillä. Pisteet ovat elektronikirjanpidon väline eivätkä kuvaa elektronien ratoja. Hiilellä on neljä, hapella kuusi ja kloorilla seitsemän valenssielektronia.
Lewis-rakenteissa valenssielektroneja jaetaan sidoksiin ja vapaisiin elektronipareihin. Oktettisääntö auttaa monien pääryhmäyhdisteiden tulkinnassa, mutta sillä on tunnettuja poikkeuksia eikä se ole itsenäinen kvanttimekaniikan laki.
Ionit, hapetusasteet ja siirtymämetallit
Pääryhmäatomi muodostaa usein ionin luovuttamalla tai vastaanottamalla elektroneja kohti suljettua kuorirakennetta. Na luovuttaa tyypillisesti 3s-elektroninsa ja muodostaa Na⁺-ionin; Cl vastaanottaa usein yhden elektronin ja muodostaa Cl⁻-ionin.
Siirtymämetalleissa ns- ja (n−1)d-orbitaalit ovat lähellä toisiaan energiassa ja voivat molemmat osallistua kemiaan. Siksi valenssi on parempi ymmärtää reaktioihin käytettävissä olevien orbitaalien kokonaisuutena kuin vain suurimman n-arvon elektroneina.
Valenssirakenteen kemialliset seuraukset
Valenssielektronit, muodollinen varaus ja Lewis-rakenteet
Muodollinen varaus saadaan vertaamalla vapaan atomin valenssielektronien määrää siihen elektronimäärään, joka atomille osoitetaan Lewis-rakenteessa. Tämä on kirjanpitomalli eikä suoraan mitattu osittaisvaraus.
Sisäelektronit eivät ole kemiallisesti merkityksettömiä kaikissa ilmiöissä
Sisäelektronit osallistuvat harvoin suoraan tavallisiin sidoksiin, mutta ne varjostavat ydintä ja vaikuttavat orbitaalien energioihin, relativistisiin vaikutuksiin sekä spektroskopiaan. Niillä on siis epäsuora mutta todellinen kemiallinen vaikutus.
Valenssi siirtymä- ja sisäsiirtymäalkuaineissa
Siirtymämetalleissa d- ja s-orbitaalit sekä lantanideissa ja aktinideissa myös f-orbitaalit voivat olla kemiallisesti käytettävissä. Tämä auttaa selittämään useita mahdollisia hapetusasteita ja monimutkaista koordinaatiokemiaa.
Valenssielektronien määrä ennustaa perheitä, ei kaikkia hapetusasteita
Pääryhmän valenssielektronien lukumäärä selittää hyvin monia reaktiotrendejä, mutta alkuaine ei käytä aina kaikkia valenssielektronejaan eikä sillä ole vain yhtä hapetusastetta.
Valenssielektronit spektroskopiassa
Pienienergiset elektroniset viritykset koskevat usein valenssiorbitaaleja, koska niiden energiat ovat lähellä toisiaan. Atomispektrit ja fotoelektronispektroskopia voivat siksi mitata valenssirakennetta suoraan.
Harjoitukset
Rikki
Kuinka monta valenssielektronia neutraalilla rikkiatomilla on pääryhmämallissa?
Ratkaisu
Rikki on ryhmässä 16, joten sillä on 6 valenssielektronia.
Alumiini
Kuinka monta valenssielektronia Al:lla on ja minkä yksinkertaisen ionin se muodostaa usein?
Ratkaisu
Al:lla on 3 valenssielektronia, ja se muodostaa usein Al³⁺-ionin luovuttamalla nämä kolme elektronia.
Rauta
Miksi Fe:n valenssielektroneiksi ei riitä laskea vain 4s-elektronit?
Ratkaisu
Koska 3d- ja 4s-tilat ovat lähellä toisiaan energiassa, ja molemmat voivat osallistua sidoksiin ja ionien muodostumiseen.