Номер 895, страница 145 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

895. Почему сера в своих соединениях проявляет высшую валентность, равную номеру группы, а кислород — нет?

Решение

Различие в максимальной валентности серы и кислорода объясняется их электронным строением, а именно — номером периода, в котором они находятся.

Кислород ($O$) и сера ($S$) — элементы 16-й группы (VIА) периодической системы. У обоих элементов на внешнем электронном слое находится по 6 валентных электронов. Их конфигурация в основном состоянии заканчивается на $ns^2np^4$, где у кислорода $n=2$, а у серы $n=3$. В основном состоянии оба атома имеют по 2 неспаренных электрона на p-орбиталях, что обуславливает их общую валентность II.

1.Кислород ($O$) — элемент 2-го периода. Его валентные электроны находятся на втором энергетическом уровне ($2s^2 2p^4$). Второй энергетический уровень состоит только из одного $s$-подуровня и одного $p$-подуровня. На нем отсутствуют $d$-орбитали ($2d$-подуровень не существует). Из-за этого у атома кислорода нет свободных орбиталей на внешнем слое, на которые могли бы перейти электроны из спаренных пар ($2s^2$ и одной из $2p^2$) для увеличения числа неспаренных электронов. Такой переход на следующий, третий, уровень потребовал бы слишком много энергии. Поэтому кислород, как правило, проявляет валентность II и не может достичь валентности VI.

2.Сера ($S$) — элемент 3-го периода. Ее валентные электроны находятся на третьем энергетическом уровне ($3s^2 3p^4$). В отличие от второго, третий энергетический уровень содержит не только $s$- и $p$-подуровни, но и вакантный (свободный) $d$-подуровень. При получении энергии (в ходе химического взаимодействия) атом серы может переходить в возбужденные состояния:

• В основном состоянии ($3s^2 3p^4$) сера имеет 2 неспаренных электрона и проявляет валентность II (например, в $H_2S$).
• В первом возбужденном состоянии один электрон с $3p$-орбитали переходит на свободную $3d$-орбиталь. В результате атом серы имеет 4 неспаренных электрона и проявляет валентность IV (например, в $SO_2$).
• Во втором возбужденном состоянии распаривается и $3s$-пара, и еще один электрон переходит на $3d$-орбиталь. В итоге атом серы имеет 6 неспаренных электронов и проявляет высшую валентность VI, равную номеру группы (например, в $SO_3$ или $SF_6$).

Таким образом, способность серы проявлять высшую валентность, равную номеру группы, обусловлена наличием у ее атомов свободных $d$-орбиталей на валентном электронном слое, что отсутствует у кислорода.

Ответ: Сера может проявлять высшую валентность VI, равную номеру группы, поскольку она является элементом третьего периода и на ее валентном энергетическом уровне ($n=3$) есть свободные $d$-орбитали. Это позволяет атому серы переходить в возбужденное состояние с шестью неспаренными электронами. Кислород, как элемент второго периода, не имеет $d$-подуровня на своем валентном уровне ($n=2$), поэтому он не может иметь более двух неспаренных электронов и его валентность ограничена значением II.