Степень окисления галлия (Ga): в соединениях, как определить, примеры

Теория:

Степень окисления галлия (Ga) в наиболее устойчивых соединениях равна +3. Это состояние является типичным для элементов его группы.

Значения 0, +1 и +2 встречаются реже. Состояние +1 характерно для некоторых высокотемпературных соединений, а +2 зафиксирована в составе сложных галогенидов (например, GaCl₂), где фактически присутствуют связи между атомами металла.

Галлий находится в 13-й группе (главная подгруппа III группы) и открывает p-блок элементов в 4-м периоде.

Как p-элемент, он обладает электронной конфигурацией [Ar] 3d¹⁰4s²4p¹. В отличие от цинка, у галлия за заполненным d-слоем появляется один активный p-электрон.

Галлий проявляет преимущественную степень окисления +3. Это связано с тем, что атом легко теряет один 4p-электрон и два 4s-электрона. Полностью заполненный уровень 3d¹⁰ при этом остается инертным.

В отличие от алюминия, галлий может проявлять состояние +1 за счет «эффекта инертной пары» s-электронов, что делает его химию более разнообразной.

Чтобы определить возможные значения, используют электронную формулу.

Например:

• Для галлия (1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p¹) — потеря всех трех внешних электронов (s и p) дает устойчивую СО +3.
• Для цинка (1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²) — отсутствие p-электронов ограничивает максимальную СО значением +2.

Рис. 1. Возможные степени окисления галлия: 0, +1, +2, +3. На их формирование влияют электронное строение (наличие одного p-электрона), положение в 13-й группе и значение электроотрицательности 1,81 по шкале Полинга.

Галлий чаще всего проявляет степень окисления +3 в солях и оксидах, приобретая устойчивую электронную оболочку предыдущего d-слоя.

Ионы Ga³⁺ не имеют неспаренных d-электронов, поэтому большинство его соединений бесцветны.

Почему у галлия переменные степени окисления?

Причина гибкости галлия — возможность последовательного отрыва электронов с 4p и 4s подуровней при сохранении стабильного 3d¹⁰ ядра.

1. В простом веществе (Ga⁰): Заряд равен 0. Конфигурация: 4s [↑↓] 4p [↑][ ][ ].
2. В ионе (Ga⁺¹): Галлий отдает 1 электрон с 4p-уровня. Конфигурация 4s [↑↓] 4p [ ][ ][ ].
3. В ионе (Ga⁺³): Галлий отдает 1 электрон с 4p и 2 электрона с 4s. Конфигурация 4s [ ] 4p [ ][ ][ ].

Рис. 2. Процесс окисления галлия: атом Ga ([Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p¹) теряет внешние электроны, образуя катионы галлия (I) или галлия (III).

Степень окисления галлия в соединениях

Соединения галлия демонстрируют его амфотерную природу в степени окисления +3:

• Оксид галлия (Ga₂O₃): Ga +3, O -2 (белый порошок).
• Сульфат галлия (Ga₂(SO₄)₃): Ga +3, S +6, O -2.
• Хлорид галлия(III) (GaCl₃): Ga +3, Cl -1.
• Галлат натрия (Na[Ga(OH)₄]): Ga +3 (амфотерные свойства).
• Оксид галлия(I) (Ga₂O): Ga +1, O -2.

Высшая степень окисления

Высшая степень окисления галлия равна +3. Она соответствует номеру его группы в таблице Менделеева.

Низшая степень окисления

Низшая равна 0 (металлическое состояние, легкоплавкий металл).

Важно: В особых соединениях с активными металлами (например, литием) он может проявлять отрицательную степень окисления -1, образуя сложные структуры — кластеры.

Почему степень окисления может быть положительной или отрицательной?

Знак заряда зависит от разности электроотрицательности (ЭО).

1. Положительная СО (+): Галлий отдает электроны неметаллам, так как его ЭО (1,81) ниже, чем у кислорода или хлора.
2. Отрицательная СО (-): Для галлия нехарактерна.
3. Нулевая СО (0): Проявляется в самородном состоянии (металл).

Как определить степень окисления галлия

По таблице Менделеева

1. Семейство: p-элемент (группа бора).
2. Валентные электроны: 3 (2 на s-уровне и 1 на p-уровне).
3. Атомная масса галлия: 69,723 а.е.м. Для сравнения масс других элементов используй таблицу атомных масс.
4. Типичная СО: +3.

По валентности (Число связей)

Валентность галлия чаще всего равна III.

1. Валентность III: Проявляется в большинстве устойчивых соединений.
   • Пример: GaCl₃. Здесь галлий трехвалентен, и его СО равна +3.

По электронной конфигурации

1. Электронная формула галлия: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p¹. Для просмотра значений (n, l, m_l, m_s) каждого электрона используй таблицу квантовых чисел.
2. Легкость отрыва p-электрона объясняет возможность появления СО +1, но полная отдача s и p электронов дает стабильную СО +3.

Примеры степеней окисления галлия

Шпаргалка для галлия

• 0 — чистый металл (плавится в руках при 29,7°C).
• +3 — главная «роль»: все основные соли и оксиды.
• Амфотерность — как и алюминий, в СО +3 галлий реагирует и с кислотами, и со щелочами.
• +1 — редкое состояние, проявляющее восстановительные свойства.

Пример решения задачи:

Проверка знаний

Отметьте правильные утверждения для Галлия (Ga):

1) Порядковый номер галлия — 31.

2) Галлий относится к p-элементам.

3) Максимальная степень окисления галлия равна +3.

4) Соединения Ga³⁺ ярко окрашены в синий цвет.

5) Электроотрицательность галлия выше, чем у цинка.

Часто задаваемые вопросы