Степень окисления висмута (Bi): в соединениях, как определить, примеры

Теория:

Степень окисления висмута (Bi) в химических структурах чаще всего принимает значения +3 и +5.

Это обусловлено строением его внешнего электронного уровня и положением в периодической системе.

Висмут замыкает главную подгруппу 15-й группы, являясь самым типичным металлом среди своих аналогов (азота, фосфора, мышьяка).

Кроме того, выделяют показатель 0, характерный для висмута как простого вещества (хрупкий металл с розоватым оттенком).

Например для наиболее стабильной СО +3: в соединении BiCl₃ (хлорид висмута III) или Bi₂O₃ (оксид висмута III) заряд иона равен +3. Это состояние является основным для данного элемента.

Для сравнения, СО +5: проявляется в таких сильнодействующих веществах, как NaBiO₃ (висмутат натрия) или BiF₅ (фторид висмута V). Соединения висмута(V) выступают в роли мощнейших окислителей.

• Почему +3? Атом висмута отдает три 6p-электрона, оставляя пару 6s-электронов вакантными. Из-за «эффекта инертной пары» это состояние наиболее энергетически выгодно.
• Почему +5 менее устойчива? Для достижения СО +5 необходимо задействовать те самые 6s-электроны, которые у тяжелого висмута очень прочно удерживаются ядром. Поэтому висмутаты стремятся мгновенно восстановиться до состояния +3.
• Синонимы и аналогичные термины: Окислительное число висмута, электростатический заряд Bi, валентный статус металла, электроположительный индекс.

Рис. 1. Основные степени окисления висмута: 0, +3 и +5.

Форма +3 доминирует в химии растворов, в то время как форма +5 требует экстремальных условий для синтеза и хранения.

В отличие от своих соседей (свинца и таллия), висмут считается практически нетоксичным и широко применяется в медицине для лечения заболеваний желудка.

На физико-химические параметры этого элемента влияют электронное строение (4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p³), релятивистское сжатие орбиталей и величина электроотрицательности 2,02 по шкале Полинга.

Почему +3 — самая устойчивая степень окисления у висмута

Причина стабильности трехвалентного состояния кроется в электронном строении: р-электроны отделяются значительно легче, чем s-пара.

1. В простом веществе (Bi⁰): Заряд равен 0. Конфигурация: [Xe] 4f14 5d10 6s2 6p3.
2. В трехвалентном ионе (Bi⁺³): Висмут теряет 3 электрона с p-подуровня. Конфигурация: [Xe] 4f14 5d10 6s2.

Рис. 2. Схема образования степени окисления +3: отрыв трех валентных p-электронов и переход атома висмута в катион Bi3+.

Степень окисления висмута в соединениях

В зависимости от химического окружения, висмут в соединениях проявляет степень окисления, которая диктует его свойства:

• Нитрат висмута(III) (Bi(NO₃)₃): Bi +3.
• Висмутат натрия (NaBiO₃): Bi +5 (сильный окислитель).
• Оксид-хлорид висмута (BiOCl): Bi +3.
• Сульфид висмута(III) (Bi₂S₃): Bi +3.
• Фторид висмута(V) (BiF₅): Bi +5.

Высшая степень окисления

Высшая степень окисления Bi составляет +5. Соединения в этом состоянии крайне нестабильны и являются одними из самых сильных окислителей в химии (способны окислять марганец до перманганата).

Низшая степень окисления

Для висмута основной низшей степенью окисления считается 0 в виде металлического слитка. В редких интерметаллидах возможны формально отрицательные значения.

Промежуточные степени окисления

Степень окисления висмута в веществах может принимать необычные формы.

Известны кластерные катионы, такие как Bi₉⁵⁺, где формальный заряд атома является дробным.

Также зафиксированы нестабильные соединения висмута (II) и висмута (I) в солевых расплавах.

Важно: Из-за склонности висмута(III) к гидролизу, его соли в воде часто образуют ион висмутила (BiO⁺), где степень окисления висмута формула соединения по-прежнему остается +3.

Почему висмут предпочитает заряды +3 и +5?

Механизм реакций определяется строением 15-й группы:

1. Положительная СО (+): Висмут проявляет металлические свойства, охотно отдавая 3 или 5 электронов.
2. Слабая склонность к отрицательным СО (-): Несмотря на принадлежность к группе азота, высокая электроотрицательность висмуту не свойственна, поэтому ионы Bi^3- (висмутиды) образуются только с очень активными металлами.

4 способа определить степень окисления висмута

По таблице Менделеева

1. Семейство: p-элемент.
2. Валентные электроны: 5 электронов (6s² 6p³).
3. Атомная масса висмута: 208,98 а.е.м.

По валентности (Число связей)

Типичная валентность висмута в стабильных структурах — III или V.

1. В Bi₂O₃: Висмут образует три химические связи, СО — +3.
2. В NaBiO₃: Висмут координирует связи, соответствующие СО +5.

По электронной конфигурации

1. Электронная формула висмута: [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p³.
2. Атому висмута степени окисления +3 достичь проще всего, так как p-электроны слабее связаны с ядром из-за экранирования s-парой.

По химическому соединению (Алгебраический расчет)

Пример для BiCl₃:

Сумма всех СО в нейтральной молекуле равна 0. Хлор равен -1. Обозначим висмут как x.

x + 3 · (-1) = 0 ⇒ x — 3 = 0 ⇒ x = +3

Примеры степеней окисления висмута

Шпаргалка для висмута

• +3 — главная степень окисления; большинство реакций висмута сводится к этой форме.
• +5 — проявляется только при взаимодействии с фтором или в щелочной среде с сильными окислителями.
• Гидролиз — соли Bi(+3) легко разрушаются водой с образованием осадка основных солей.

Висмут вне учебника: какие степени окисления существуют только в теории?

+2 и +4: Эти состояния считаются крайне нестабильными. В кристаллохимии описаны сложные оксиды, где висмут формально находится в СО +4, но при детальном анализе оказывается смесью Bi (III) и Bi (V).

+1: Известны так называемые «субгалогениды» висмута, образующиеся при растворении металла в его же хлориде.

Там висмут образует сложные поликатионы, где средний заряд близок к +1.

Отрицательные степени (-3): В сплавах с активными металлами (магний, щелочные металлы) образуются висмутиды (например, Mg₃Bi₂), где висмуту приписывают заряд -3.

Интересный факт: Висмут долгое время считался самым тяжелым стабильным элементом, пока в 2003 году не было доказано, что его единственный природный изотоп на самом деле радиоактивен, но с периодом полураспада, превышающим возраст Вселенной в миллиарды раз.

Пример решения задачи:

Проверка знаний

1) Висмут — самый тяжелый элемент 15-й группы.

2) Степень окисления +5 для висмута встречается чаще, чем +3.

3) В соединении Bi₂O₃ висмут имеет степень окисления +3.

4) Висмутат натрия является сильным восстановителем.

Часто задаваемые вопросы