Степень окисления диспрозия (Dy): в соединениях, как определить, примеры

Теория:

Степень окисления диспрозия (Dy) в подавляющем большинстве стабильных соединений принимает значение +3, значительно реже встречаются состояния +2 и крайне нестабильное +4.

Как и другие лантаноиды, диспрозий обладает высокой химической активностью.

А его электронное строение позволяет ему легко отдавать внешние электроны для формирования устойчивых химических связей.

Например для наиболее характерной СО +3: в соединении Dy₂O₃ (оксид диспрозия) степень окисления металла равна +3.

Это происходит потому, что диспрозий относится к f-элементам и при взаимодействии с сильными окислителями он задействует свои валентные электроны (4f¹⁰ 6s²), достигая стабильного состояния.

Чаще всего отрываются два 6s-электрона и один 4f-электрон, что является энергетически выгодным для этого металла.

Для сравнения, низшая СО +2: встречается в таких галогенидах, как DyI₂.

Здесь ситуация иная: металл не полностью отдает электроны со своего валентного слоя.

Такие соединения являются мощными восстановителями и крайне нестабильны в присутствии воды или кислорода.

Так как диспрозий стремится вернуться к положительному заряду +3, который для него энергетически естественнее.

Промежуточные или высшие состояния, такие как +4, встречаются крайне редко (например, в некоторых фторидных комплексах под высоким давлением фтора).

Обладая конфигурацией [Xe] 4f¹⁰ 6s², атому диспрозия проще всего расстаться с тремя электронами.

Удаление четвертого электрона требует значительных затрат энергии, так как это нарушает уже относительно стабильную оболочку.

Именно поэтому соединения диспрозия вне степени окисления +3 склонны к быстрому переходу в стандартную форму при малейшем изменении условий среды.

Рис. 1. Возможные степени окисления диспрозия: от 0, +2, +3, +4. Наиболее устойчивая форма — +3 (оксиды, соли), которая является доминирующей в химии этого элемента.

Обратите внимание, что химия диспрозия во многом схожа с химией гольмия (Ho) и тербия (Tb), что проявляется в способности этих металлов образовывать аналогичные по структуре соли и оксиды.

На формирование его свойств влияют электронное строение (4f¹⁰ 6s²), положение в группе лантаноидов и значение электроотрицательности 1,22 по шкале Полинга.

Почему +3 — самая стабильная степень окисления диспрозия?

Причина стабильности состояния +3 заключается в оптимальном балансе между энергией ионизации и энергией гидратации (или кристаллической решетки), что делает потерю трех электронов наиболее выгодной.

1. В простом веществе (Dy⁰): Заряд равен 0. Конфигурация: [Xe] 4f¹⁰ 6s².
2. В ионе (Dy⁺³): Диспрозий отдает 3 валентных электрона. Конфигурация: [Xe] 4f⁹.

Рис. 2. Процесс превращения атома диспрозия в катион Dy³⁺, обеспечивающий стабильность большинства его химических соединений.

Степень окисления диспрозия в соединениях

В зависимости от реагентов, диспрозий в соединениях проявляет степень окисления, которая определяет магнитные и оптические свойства вещества:

• Оксид диспрозия (Dy₂O₃): Dy +3, O -2.
• Хлорид диспрозия (DyCl₃): Dy +3, Cl -1.
• Дииодид диспрозия (DyI₂): Dy +2.
• Фторид диспрозия(III) (DyF₃): Dy +3.
• Нитрат диспрозия (Dy(NO₃)₃): Dy +3.

Высшая степень окисления

Высшая степень окисления Dy равна +4. Однако это состояние является исключительным и достижимо только в присутствии самых агрессивных окислителей, таких как фтор.

Низшая степень окисления

В специфических твердотельных соединениях возможна степень окисления +2.

Однако атом диспрозия имеет степень окисления 0 в металлическом виде — это стандартное состояние для чистого редкоземельного металла.

Промежуточные степени окисления

В большинстве соединений степень окисления диспрозия практически всегда равна +3.

Любые отклонения в сторону +2 или +4 делают вещество крайне реакционноспособным и химически «неудобным» для длительного хранения.

Важно: Состояние +3 — это наиболее химически инертная форма, где степень окисления диспрозия формула соединения (будь то сульфат или фосфат) почти всегда указывает на заряд +3.

Почему диспрозий почти всегда отдаёт электроны (степени +2, +3, +4), а не принимает?

Знак заряда определяется металлической природой элемента и его положением в ряду лантаноидов:

1. Положительная СО (+): Диспрозий легко отдает электроны неметаллам, стремясь к устойчивому энергетическому уровню.
2. Нулевая СО (0): Характерна для чистого серебристо-серого металла.
3. Отрицательная СО (-): Для диспрозия не характерна, так как металлы этой группы не проявляют электроотрицательных свойств.

4 способа определить степень окисления диспрозия: по формуле, спектру и реакциям

По таблице Менделеева

1. Семейство: f-элемент (редкоземельный металл).
2. Валентные электроны: 12 (10 на 4f-подуровне и 2 на 6s-подуровне).
3. Атомная масса диспрозия: 162,5 а.е.м.

По валентности (Число связей)

В стабильных соединениях валентность диспрозия практически всегда постоянна и равна III.

1. В оксиде (Dy₂O₃): Каждый атом диспрозия образует связи с кислородом, проявляя валентность III, а степень окисления при этом равна +3.
2. В хлориде (DyCl₃): Диспрозий образует три связи с хлором. Валентность — III, СО — +3.

По электронной конфигурации

1. Электронная формула диспрозия: [Xe] 4f¹⁰ 6s².
2. Атому диспрозия степени окисления +3 достичь выгодно, так как это освобождает внешний 6s-слой и один электрон с f-подуровня.

Для просмотра значений квантовых чисел электронов используй таблицу квантовых чисел.

По химическому соединению (Алгебраический расчет)

Пример для Dy₂(SO₄)₃ (сульфат диспрозия):

Сумма СО равна 0. Сульфат-ион (SO₄) всегда -2. Обозначим Dy как x.

2 · x + 3 · (-2) = 0
2x — 6 = 0 ⇒ x = +3

Реальные примеры: где встречаются +2, +3 и +4 у диспрозия (оксиды, галогениды, комплексные соединения)

Шпаргалка для диспрозия

• +3 — типичная степень, в которой металл проявляет сильные парамагнитные свойства.
• Люминесценция — ионы диспрозия(III) светятся в желтом диапазоне спектра под УФ-лучами.
• Магнетизм — диспрозий имеет один из самых высоких магнитных моментов среди всех элементов.

Пример решения задачи:

Проверка знаний

1) Диспрозий относится к группе лантаноидов.

2) Стабильная степень окисления диспрозия в оксиде равна +3.

3) Диспрозий — это самый легкий металл в таблице Менделеева.

4) Степень окисления +2 для диспрозия является очень устойчивой в воде.

5) Металлический диспрозий имеет степень окисления 0.

Часто задаваемые вопросы