Що таке валентні електрони?

Викладачам фізики і хімії в навчальних закладах добре відомо, що набагато простіше пояснити яку-небудь тему, якщо вдатися до аналогій або скористатися наближеними прикладами, роз'яснюючи «на пальцях». Хоча наведені описи можуть не повністю відповідати загальноприйнятій моделі, тим не менш, такий підхід дає свої результати. Саме так йде справа в атомній фізиці.

Хімічні властивості речовин відносно просто пояснити, якщо використовувати теорію атомної будови, запропоновану в 1911 році англійським фізиком Е. Резерфордом. Незважаючи на те, що його модель вірна лише частково, цього цілком достатньо для розуміння процесів, що відбуваються. Сьогодні ми поговоримо про те, що ж таке валентні електрони і яка їх взаємозв'язок з властивостями досліджуваного матеріалу. Але спочатку згадаємо планетарну модель будови атома.

Резерфорд визначив, що атом не є неподільною часткою, як вважалося раніше, а складається з важкого ядра в центрі і електронів, що обертаються навколо нього. Електричний заряд ядра позитивний (+), а у електронів, у свою чергу, негативний (-). Через вісім років після опублікування своєї теорії будови атома, Резерфорд зміг провести унікальний, на ті часи, досвід - перетворити азот в кисень. Досвід полягав у «бомбардуванні» альфа-частками атомів азоту. Після зіткнення утворювався атом кисню і «зайва» частка, що володіє позитивним зарядом, згодом названа протоном.

Теорія придбала закінчений вигляд: ядро включає в себе протони, за допомогою магнітних сил утримують електрони на орбітах. Так як атом електронейтрален, а протон і електрон притягуються, то їх сумарні кількості рівні. У 1932 році фізиком Дж. Чедвіком було виявлено, що в ядрі крім протонів присутні частинки без заряду - нейтрони. Саме вони відповідальні за масу. В залежності від енергії електрона, він може перебувати на різній відстані від ядра. Валентні електрони - це ті негативно заряджені частинки, які:

• знаходяться на максимальній відстані від ядра, на зовнішніх орбітах;
• можуть вступати у взаємодію з сусідніми атомами.

Під взаємодією необхідно розуміти можливість покинути свою атомну орбіту або змінити траєкторію руху.

Валентні електрони визначаються дуже просто - за таблицею Менделєєва. Для основних елементів (крім підгруп, так як там є винятки) вірно умова: максимальна кількість валентних електронів відповідає номеру групи, в якій знаходиться досліджуваний елемент. Атом, що володіє великим теоретичним кількістю таких частинок, неохоче віддає їх іншим атомам, тому є окислювачем (забирає відсутню). І, навпаки, при малому номері групи, валентні електрони легко віддаються елементом, вступаючи у взаємодію. У цьому випадку мова йде про відновник або атомі-донора.

Валентні електрони безпосередньо залежать від стану атома. Так, якщо йому тим чи іншим способом ззовні повідомити додаткову енергію (перевести в збуджений стан), то орбіт валентних часток стане більше.

Дані про валентності матеріалів дозволяють активно їх використовувати, пророкуючи результат. Наприклад, хімічні джерела електричного струму на основі електролітів використовують такі елементи, які здатні віддавати і приймати електрони. Нейтральний матеріал був би в даному випадку марний. Неважко здогадатися, що якщо всі зовнішні електронні оболонки атома заповнені, то такий елемент є хімічно нейтральним і не вступає у взаємодію з іншими атомами (або сила взаємодії настільки незначна, що їй можна знехтувати). Яскравий приклад подібного - інертні гази.