Степень окисления кадмия (Cd): в соединениях, как определить, примеры

Теория:

Степень окисления кадмия (Cd) практически во всех его соединениях принимает значение +2, что является его наиболее характерным и стабильным состоянием.

Также существуют редкие и крайне неустойчивые состояния с СО +1 (например, в некоторых солях в расплавах), а также состояние 0, характерное для металлической формы.

Например для высшей СО +2: в соединении CdO (оксид кадмия) степень окисления металла равна +2.

Это происходит потому, что кадмий находится в 12-й группе и при взаимодействии с окислителями он отдает два своих внешних электрона с 5s-подуровня (4d¹⁰ 5s²), достигая устойчивого состояния с полностью заполненным d-слоем.

Для сравнения, редкая СО +1: встречается в таких соединениях, как Cd₂[AlCl₄]₂.

Здесь ситуация необычная: кадмий образует связь Cd–Cd, похожую на ту, что встречается у ртути в ионе [Hg₂]²⁺. В таких структурах формальная степень окисления каждого атома металла равна +1.

Такие состояния крайне нестабильны и при контакте с водой или на воздухе мгновенно диспропорционируют на металлическое серебристое состояние (0) и стабильную форму +2.

Промежуточные же степени окисления, отличные от +2, являются «неудобными» для атома.

Обладая конфигурацией [Kr] 4d¹⁰ 5s², кадмию энергетически выгоднее полностью освободить 5s-орбиталь, сохранив симметричную и закрытую 4d¹⁰ оболочку.

Именно поэтому химия кадмия гораздо менее разнообразна по степеням окисления, чем химия его соседа по периоду — рутения.

Рис. 1. Возможные степени окисления кадмия: от 0 до +2. Наиболее устойчивая форма — +2 (сульфиды, хлориды), которая встречается почти во всех природных соединениях.

Обратите внимание, что химия кадмия во многом схожа с химией цинка (Zn), своего соседа сверху по группе, что проявляется в исключительной стабильности состояния +2 и отсутствии склонности к образованию высших оксидов.

На формирование свойств влияют электронное строение (4d¹⁰ 5s²), положение в 12-й группе и значение электроотрицательности 1,7 по шкале Полинга.

Почему у кадмия стабильная степень окисления?

Причина стабильности основного состояния кадмия (+2) заключается в том, что потеря двух 5s-электронов приводит к достижению устойчивой электронной конфигурации с заполненным d-подуровнем.

1. В простом веществе (Cd⁰): Заряд равен 0. Конфигурация: 5s [↑↓] 4d [↑↓][↑↓][↑↓][↑↓][↑↓].
2. В ионе (Cd⁺²): Кадмий отдает 2 валентных электрона. Конфигурация: [Kr] 4d10.

Рис. 2. Процесс окисления кадмия: от металлического состояния до самого стабильного катиона +2.

Степень окисления кадмия в соединениях

В зависимости от аниона, кадмий в соединениях проявляет степень окисления, которая определяет его токсичность и применение в аккумуляторах:

• Сульфид кадмия (CdS): Cd +2, S -2.
• Хлорид кадмия (CdCl₂): Cd +2, Cl -1.
• Гидроксид кадмия (Cd(OH)₂): Cd +2.
• Тетрахлорокадмат(II) аммония ((NH₄)₂[CdCl₄]): Cd +2.
• Диметилкадмий (Cd(CH₃)₂): Cd +2.

Высшая степень окисления

Высшая степень окисления кадмия равна +2. В отличие от элементов 8-й или 11-й групп, кадмий крайне неохотно задействует свои d-электроны, поэтому состояния выше +2 для него нехарактерны.

Низшая степень окисления

Для кадмия в металлическом виде степень окисления равна 0 — это типичное состояние для кадмиевых электродов. Отрицательные степени окисления для кадмия не зафиксированы.

Промежуточные степени окисления

Степень окисления кадмия в веществах крайне редко принимает значение +1. Такие соединения существуют только в безводных расплавах и моментально разрушаются в обычных условиях.

Важно: Почти во всех задачах и расчетах степень окисления кадмия формула соединения всегда предполагает заряд +2, что делает его химию предсказуемой и схожей с цинком.

Почему степень окисления чаще положительная?

Знак заряда определяется металлической природой элемента:

1. Положительная СО (+): Кадмий отдает электроны неметаллам, достигая стабильной конфигурации d¹⁰.
2. Нулевая СО (0): Характерна для чистого металла, используемого для антикоррозийных покрытий.
3. Отрицательная СО (-): Физически невозможна из-за низкой электроотрицательности металла.

Как определить степень окисления кадмия

По таблице Менделеева

1. Семейство: d-элемент (группа цинка).
2. Валентные электроны: 2 (на 5s-подуровне).
3. Атомная масса кадмия: 112,4 а.е.м.

По валентности (Число связей)

В отличие от переходных металлов с переменной валентностью, валентность кадмия стабильна и равна II.

1. В оксиде кадмия (CdO): Атом кадмия образует две связи с кислородом. Его валентность — II, а степень окисления равна +2.
2. В сульфате (CdSO₄): Кадмий замещает два атома водорода в кислоте. Валентность — II, СО — +2.

По электронной конфигурации

1. Электронная формула кадмия: [Kr] 4d¹⁰ 5s².
2. Атому кадмия степени окисления +2 достичь выгодно, так как это полностью освобождает внешний 5s-слой.

Для просмотра значений квантовых чисел электронов используй таблицу квантовых чисел.

По химическому соединению (Алгебраический расчет)

Пример для Cd(NO₃)₂ (нитрат кадмия):

Сумма СО равна 0. Анион NO₃ имеет заряд -1. Обозначим Cd как x.

x + 2 · (-1) = 0
x — 2 = 0 ⇒ x = +2

Примеры степеней окисления кадмия

Шпаргалка для кадмия

• +2 — практически единственная степень окисления в химии.
• Аккумуляторы — никель-кадмиевые батареи основаны на переходе Cd(0) в Cd(+2).
• Цвет — сульфид кадмия (+2) известен как «кадмий желтый», важный пигмент для художников.

Пример решения задачи:

Проверка знаний

1) Кадмий находится в одной группе с цинком и ртутью.

2) Высшая степень окисления кадмия равна +12 по номеру группы.

3) Степень окисления +2 является наиболее устойчивой для кадмия.

4) Кадмий может проявлять отрицательные степени окисления в органике.

5) Металлический кадмий имеет степень окисления 0.

Часто задаваемые вопросы