Valenselektroner
Valenselektroner är de elektroner som deltar mest direkt i kemiska bindningar och reaktioner. För huvudgruppselement är de vanligen elektronerna i det högsta huvudskalet; för övergångsmetaller är en bredare definition mer användbar eftersom närliggande d-elektroner också kan delta i bindning och förändringar av oxidationstal.
Hitta valenselektroner i huvudgruppselement
Natrium har [Ne]3s¹ och därmed en elektron i det yttersta n=3-skalet: en valenselektron. Klor, [Ne]3s²3p⁵, har sju. För huvudgruppselement förklarar det återkommande ns/np-mönstret varför grundämnen i samma grupp har liknande kemi.
För grupperna 1, 2 och 13–18 är det typiska antalet valenselektroner 1, 2 och sedan 3–8. Helium är det viktiga undantaget: 1s² är ett helt fyllt första skal med bara två elektroner.
Grupputforskare
Lewis-symboler och bindning
En Lewis-symbol visar grundämnessymbolen omgiven av punkter för valenselektronerna. Inre elektroner ritas inte. Därmed syns vilka elektroner som kan vara oparade, bilda fria elektronpar eller delta i bindningar.
Kol har fyra valenselektroner, syre sex och klor sju. Räkningen hjälper till att förstå många vanliga bindningsmönster men är ingen mekanisk lag: radikaler, elektronfattiga och hypervalenta arter kräver en mer fullständig modell.
Joner, oxidationstal och övergångsmetaller
Alkalimetaller förlorar ofta ns-elektronen och bildar +1; alkaliska jordartsmetaller förlorar ofta två; halogener kan ta upp en elektron och nå ns²np⁶. Mönstren kopplar jonbildning till placeringen i periodiska systemet.
För övergångsmetaller är ‘bara elektroner i det högsta n-skalet’ för snävt. Järn har [Ar]3d⁶4s²; 4s och 3d ligger så nära i energi att båda kan bidra till jonisation, oxidationstal, magnetism och koordinationskemi.
Kemiska följder av valensstrukturen
Valenselektroner, formell laddning och Lewis-strukturer
Det totala antalet valenselektroner är startpunkten för en Lewis-struktur. CO₂ har 4 + 2×6 = 16 valenselektroner. Formell laddning fördelar sedan elektronerna enligt en bokföringsregel i en viss struktur; den är inte samma sak som oxidationstal eller uppmätt partiell laddning.
Inre elektroner är inte kemiskt irrelevanta i alla sammanhang
I enkel kemi bildar inre elektroner sällan bindningar, men de påverkar skärmning, orbitalenergier och fotoelektronspektra. För tunga grundämnen spelar relativistiska effekter också roll. ‘Inre’ betyder mindre tillgänglig för bindning, inte betydelselös.
Valens i övergångs- och inre övergångselement
I övergångsmetaller ligger ns och (n−1)d ofta nära i energi. I lantanider och aktinider kan f-orbitaler också påverka kemin. Därför är ett enda universellt valensantal mindre användbart utanför huvudgrupperna.
Valensantal förutsäger familjer, inte alla oxidationstal
Sju valenselektroner förklarar halogenernas starka tendens till −1, men klor kan också ha positiva oxidationstal när det binds till mer elektronegativa atomer. Kol med fyra valenselektroner förekommer från −4 till +4.
Valenselektroner i spektroskopi
Valenselektroner har vanligen lägre bindningsenergier än inre elektroner. Fotoelektronspektroskopi kan skilja valens- och kärnområden, och optiska övergångar involverar ofta just de valenstillstånd som också styr kemisk reaktivitet.
Övningar
Svavel
Hur många valenselektroner har S med konfigurationen [Ne]3s²3p⁴?
Lösning
Sex. För detta huvudgruppselement är alla elektroner i n=3-skalet valenselektroner.
Aluminium
Al har [Ne]3s²3p¹. Vilken enkel jon stämmer med att valenselektronerna förloras?
Lösning
Al³⁺. När de tre n=3-elektronerna tas bort återstår ädelgaskonfigurationen [Ne].
Järn
Varför räcker det inte att säga att Fe bara har två valenselektroner eftersom 4s innehåller två?
Lösning
Därför att 3d och 4s ligger nära i energi. 3d-elektroner deltar också i bindning och jonisation och möjliggör flera oxidationstal.