Номер 835, страница 137 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

835. На внешнем энергетическом уровне атома фтора и атома хлора содержится по 7 электронов — 2 $s$-электрона и 5 $p$-электронов. Кратко поясните, почему валентные возможности атома фтора резко отличаются от таковых для атома хлора, хотя у элементов одной группы следовало бы ожидать определённого сходства.

Атомы фтора (F) и хлора (Cl) действительно являются элементами одной группы (VIIA, галогены) и имеют одинаковое строение внешнего электронного уровня: семь валентных электронов с конфигурацией $ns^2np^5$. В невозбужденном (основном) состоянии у обоих атомов есть один неспаренный электрон на p-орбитали, что обуславливает их способность образовывать одну ковалентную связь и проявлять валентность I и степень окисления -1. Однако на этом сходство их валентных возможностей заканчивается.

Причина резких различий кроется в строении их валентных энергетических уровней.

1.Атом фтора (F). Фтор находится во втором периоде. Его электронная конфигурация $1s^22s^22p^5$. Внешний энергетический уровень — второй ($n=2$). Этот уровень состоит только из s- и p-подуровней. На втором уровне отсутствует d-подуровень (2d-орбитали не существует в природе). Чтобы фтор мог проявить более высокую валентность, необходимо распарить электронные пары (например, с 2p- или 2s-орбиталей) и перевести один из электронов на более высокий по энергии свободный подуровень. Следующий свободный уровень — это третий ($n=3$). Энергетический барьер для перехода электрона со второго уровня на третий ($2p \rightarrow 3s$) огромен и не может быть скомпенсирован энергией, выделяющейся при образовании дополнительных химических связей. По этой причине атом фтора не может переходить в возбужденное состояние. Следовательно, фтор всегда одновалентен и, как самый электроотрицательный элемент, проявляет в соединениях только степень окисления -1 (и 0 в простом веществе $F_2$).

2.Атом хлора (Cl). Хлор находится в третьем периоде. Его электронная конфигурация $1s^22s^22p^63s^23p^5$. Внешний энергетический уровень — третий ($n=3$). В отличие от второго уровня, третий уровень, помимо s- и p-подуровней, содержит также d-подуровень ($3d$). В основном состоянии атома хлора этот d-подуровень является вакантным (свободным). Энергетическая разница между 3p- и 3d-подуровнями относительно невелика. Поэтому при сообщении атому хлора дополнительной энергии (например, в ходе химической реакции) возможен последовательный переход (распаривание) электронов с 3p- и 3s-орбиталей на свободные 3d-орбитали:

• Основное состояние: $...3s^23p^5$. Один неспаренный электрон. Валентность I, степень окисления -1.
• Первое возбужденное состояние: $...3s^23p^43d^1$. Три неспаренных электрона. Валентность III, степень окисления +3.
• Второе возбужденное состояние: $...3s^23p^33d^2$. Пять неспаренных электронов. Валентность V, степень окисления +5.
• Третье возбужденное состояние: $...3s^13p^33d^3$. Семь неспаренных электронов. Валентность VII, степень окисления +7.

Таким образом, наличие у хлора вакантного d-подуровня на внешнем энергетическом уровне позволяет ему проявлять переменные валентности (I, III, V, VII) и широкий спектр положительных степеней окисления (+1, +3, +5, +7) в соединениях с более электроотрицательными элементами (фтором, кислородом).

Ответ:

Основное различие в валентных возможностях фтора и хлора заключается в том, что у атома фтора внешний энергетический уровень — второй ($n=2$), на котором отсутствуют d-орбитали. Это делает невозможным переход атома фтора в возбужденное состояние и ограничивает его валентность значением I, а степень окисления — значением -1. У атома хлора внешний энергетический уровень — третий ($n=3$), на котором имеется вакантный 3d-подуровень. За счет перехода электронов на эти свободные d-орбитали атом хлора может переходить в возбужденные состояния, увеличивая число неспаренных электронов до трех, пяти и семи, что позволяет ему проявлять переменные валентности (III, V, VII) и положительные степени окисления до +7.