3.2: Іони та правило октету

Last updated
Save as PDF

Page ID: 21611

Lisa Sharpe Elles
University of Kansas

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Використовуйте правило октету та електронні конфігурації, щоб визначити, чи буде атом набирати або втрачати електрони, що утворюють аніони або катіони.

Іони утворюються, коли атом, як правило, з лівого боку таблиці Менделєєва, вступає в реакцію і передає один або кілька електронів іншому атому, як правило, з правого боку таблиці Менделєєва. Ці електрони, як правило, втрачаються з валентної оболонки або отримані в неї, або крайньому енергетичному рівні (оболонці). Чому одні атоми втрачають електрони, а інші отримують електрони? Як ми можемо передбачити кількість втрачених або отриманих електронів? Які іони стабільні, а які взагалі не утворюються? На ці питання найкраще відповісти, розглядаючи електронні конфігурації та розглядаючи те, що називається правилом октету, яке стверджує, що атоми отримують або втрачають електрони, утворюючи стабільну, благородну конфігурацію газу, тобто заповнену підоболонку, що містить вісім електронів. Тому корисно уважніше ознайомитися з електронними конфігураціями, щоб додатково проілюструвати утворення іонів та перенесення електронів між атомами.

Електронна конфігурація натрію показує, що на третьому енергетичному рівні є десять основних електронів і один валентний електрон. Коли натрій втрачає єдиний валентний електрон, утворюючи катіон Na ⁺, електронна конфігурація тепер ідентична конфігурації неону, стабільного благородного газу з вісьмома валентними електронами.

\[\begin{array}{lcl} \ce{Na} & \rightarrow & \ce{Na^+} + \ce{e^-} \\ 1s^2 \: 2s^2 \: 2p^6 \: 3s^1 & & 1s^2 \: 2s^2 \: 2p^6 \end{array}\]

Хлор також має десять основних електронів і валентних електронів на третьому енергетичному рівні. Однак хлор має сім валентних електронів, на один менше, ніж аргон благородного газу, який має вісім валентних електронів. Таким чином, хлор отримає один електрон, утворюючи аніон, Cl ^—, і досягаючи стабільної конфігурації благородного газу.

\[\begin{array}{lcl} \ce{Cl} + \ce{e^-} & \rightarrow & \ce{Cl^-} \\ 1s^2 \: 2s^2 \:2p^6 \: 3s^2 \: 3p^5 & & 1s^2 \: 2s^2 \: 2p^6 \: 3s^2 \: 3p^6 \end{array}\]

Правило октету і періодична таблиця можуть бути використані для прогнозування того, які іони будуть утворюватися; елементи основної групи в лівій частині таблиці Менделєєва (метали в групах 1, 2 і 13) мають тенденцію втрачати електрони (утворюють катіони) для досягнення тієї ж конфігурації електронів, що і благородний газ безпосередньо перед ними в таблиці . Кількість електронів, які атом втратить, залежить від того, в якій групі знаходиться атом, тобто скільки валентних електронів він має. Основні елементи групи в правій частині таблиці Менделєєва (неметали в групах 15-17) отримають електрони для досягнення тієї ж електронної конфігурації, що і благородний газ відразу після них в таблиці. Знову ж таки, кількість електронів, які атом отримає, залежить від кількості валентних електронів, які він має, і скільки потрібно для досягнення заповненої підоболонки, восьми електронів.

Примітка. Порушення правила октету

Порушити правило октета не можна. Розглянемо натрій: в своїй елементарній формі він має один валентний електрон і стабільний. Однак він досить реактивний і не вимагає багато енергії, щоб видалити цей електрон, щоб зробити іон Na ⁺. Ми могли б видалити інший електрон, додавши ще більше енергії до іона, щоб зробити іон Na ² ⁺. Однак для цього потрібно набагато більше енергії, ніж зазвичай є в хімічних реакціях, тому натрій зупиняється при заряді 1+ після втрати одного електрона. Виходить, що іон Na ⁺ має повний октет в своїй новій валентної оболонці, оболонку n = 2, яка задовольняє правилу октета. Правило октету є результатом тенденцій енергій і корисно для пояснення того, чому атоми утворюють іони, які вони роблять.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Напишіть електронну конфігурацію атома алюмінію (Z = 13) і підкреслите валентні електрони. Скільки електронів отримується/втрачається, щоб утворити іон алюмінію? Напишіть символ і електронну конфігурацію для іона алюмінію.

Рішення

Електронна конфігурація атома Al дорівнює 1 s ² 2 s ² 2 p ⁶ 3 s ² 3 p ¹. Алюміній має три валентних електрона третьому енергетичному рівні, (3 s ² 3 p ¹). Катіон, Al ³ ⁺, утворюється при втраті цих трьох валентних електронів, залишаючи конфігурацію для благородного газу неону, 1 s ² ² s 2 p ⁶.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Запишіть електронну конфігурацію атома кисню (Z = 8) і підкреслите валентні електрони. Скільки електронів отримується/втрачається, щоб утворити іон оксиду? Запишіть символ і електронну конфігурацію для іона оксиду.

Відповідь: Електронна конфігурація атома O дорівнює 1 s ² 2 s ² 2 p ⁴. Кисень має шість валентних електронів на другому енергетичному рівні, (2 s ² 2 p ⁴). Аніон O ^{2 −} утворюється при отриманні двох електронів у валентній оболонці. Отримана електронна конфігурація, 1 s ² ² s 2 2 p ⁶, яка також ідентична конфігурації для благородного газу неону .