Степень окисления астата (At): в соединениях, как определить, примеры

Теория:

Степень окисления астата (At) в силу его положения в группе галогенов может принимать как отрицательные, так и положительные значения: -1, +1, +3, +5 и +7.

Астат является самым тяжелым и редким представителем 17-й группы, что накладывает отпечаток на его химическое поведение — он проявляет больше металлических свойств, чем его собратья (иод или бром).

Традиционно выделяют показатель 0, который относится к астату в виде простого вещества.

Из-за колоссальной радиоактивности астат невозможно получить в макроскопических количествах, видимых глазу.

Например для наиболее типичной отрицательной СО -1: в астатидах металлов, таких как NaAt (астатид натрия), заряд иона равен -1.

В этом состоянии он максимально похож на иодид-ион.

Для сравнения, положительные СО: проявляются при взаимодействии с сильными окислителями. Например, в ионе AtO₃⁻ (астатат-ион) степень окисления элемента составляет +5.

• Почему -1? Атом астата принимает один электрон на внешний p-подуровень, завершая его до стабильной конфигурации благородного газа (радона).
• Почему возможны высокие положительные СО (+5, +7)? Как и иод, астат может задействовать свои валентные электроны для образования связей с кислородом или фтором. Однако из-за релятивистских эффектов высшая СО +7 достигается с большим трудом.

Рис. 1. Возможные степени окисления астата: от -1 до +7.

Состояние -1 характерно для растворов в восстановительной среде, тогда как формы +1 и +5 стабильны в присутствии сильных окислителей.

Важно заметить, что астат — самый редкий элемент на Земле.

Его суммарное количество в земной коре не превышает нескольких граммов, а изучение химии астата проводится исключительно методами ультрамикрохимии и индикаторных количеств.

На свойства этого элемента влияют электронное строение (4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p⁵), высокая скорость радиоактивного распада и значение электроотрицательности 2,2 по Полингу.

Почему астат может проявлять так много степеней окисления

Причина многообразия состояний кроется в строении внешнего энергетического уровня — наличие 7 валентных электронов позволяет астату как принимать один электрон, так и отдавать их по частям.

1. В простом веществе (At⁰): Заряд равен 0. Конфигурация: [Xe] 4f14 5d10 6s2 6p5.
2. В астатид-ионе (At^—): Астат достраивает p-подуровень до 6 электронов. Конфигурация: [Xe] 4f14 5d10 6s2 6p6.

Рис. 2. Схема образования степеней окисления астата: от захвата одного электрона до последовательной отдачи всех валентных частиц.

Степень окисления астата в соединениях

В зависимости от реагентов, астат в соединениях проявляет степень окисления, которая определяет его летучесть и растворимость:

• Астатид водорода (HAt): At -1.
• Астатат-ион (AtO₃⁻): At +5.
• Монохлорид астата (AtCl): At +1 (проявляет свойства металлоида).
• Перастатат-ион (AtO₄⁻): At +7 (получен в экстремальных условиях).
• Астатид магния (MgAt₂): At -1.

Высшая степень окисления

Высшая степень окисления At равна +7. В этом состоянии астат полностью лишается своих внешних электронов.

Такие соединения крайне нестабильны и являются мощнейшими окислителями.

Низшая степень окисления

Для астата характерна степень окисления -1. Она проявляется при взаимодействии с металлами и водородом, образуя соли — астатиды.

Промежуточные степени окисления

Степень окисления астата в веществах принимает значения +1 и +3. Например, катионная форма At⁺ может существовать в кислых растворах в присутствии окислителей, что отличает его от более легких галогенов.

Важно: Астат — «металлический» галоген. Его склонность к образованию положительно заряженных ионов (например, At⁺) в растворах выражена гораздо сильнее, чем у иода, что делает его степень окисления астата формула соединения уникальной для этой группы.

Почему астат имеет и положительные, и отрицательные заряды?

Характер заряда продиктован промежуточным положением между металлами и неметаллами:

1. Отрицательная СО (-): Типична для галогенов. Астат стремится к стабильной оболочке благородного газа.
2. Положительная СО (+): Возникает из-за снижения энергии ионизации по группе вниз. Тяжелому астату легче «отдать» электроны кислороду, чем фтору или хлору.

4 способа определить степень окисления астата

По таблице Менделеева

1. Семейство: p-элемент (галогены).
2. Валентные электроны: 7 электронов (6s² 6p⁵).
3. Атомная масса астата: [210] а.е.м. (наиболее стабильный изотоп).

По валентности (Число связей)

Обычно валентность астата может варьироваться от I до VII.

1. В HAt: Астат образует одну связь, СО — -1.
2. В AtO₃⁻: Астат образует связи с тремя атомами кислорода, СО — +5.

По электронной конфигурации

1. Электронная формула астата: [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p⁵.
2. Атому астата степени окисления -1 достичь проще всего в присутствии восстановителей, заполнив p-оболочку до p⁶.

По химическому соединению (Алгебраический расчет)

Пример для AtO₃⁻:

Сумма СО равна заряду иона (-1). Кислород равен -2. Обозначим астат как x.

x + 3 · (-2) = -1 ⇒ x — 6 = -1 ⇒ x = 6 — 1 ⇒ x = +5

Примеры степеней окисления астата

Шпаргалка для астата

• -1 — основная форма в виде иона астатида.
• +5 — самая стабильная из положительных степеней окисления.
• Металличность — астат чаще иода образует катионы (At⁺) в растворах.

Астат вне учебника: загадки высших степеней

+7: Долгое время считалось, что астат не может достичь СО +7 из-за «релятивистского сжатия» s-орбиталей.

Однако методом соосаждения было доказано существование перастатат-иона (AtO₄⁻).

Металлический At⁺: В отличие от фтора или хлора, астат может существовать в форме сольватированного катиона.

Это делает его «черной овцой» в семье галогенов.

Интересный факт: Если бы вы смогли собрать чайную ложку астата, она бы мгновенно испарилась из-за тепла, выделяемого при собственном радиоактивном распаде. Поэтому все данные о его степенях окисления получены при работе с исчезающе малым количеством атомов.

Пример решения задачи:

Проверка знаний

1) Астат — самый тяжелый галоген.

2) Низшая степень окисления астата равна -2.

3) Астат может проявлять положительные степени окисления.

4) Соединение NaAt называется астатид натрия.

Часто задаваемые вопросы