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.
Причина стабильности основного состояния кадмия (+2) заключается в том, что потеря двух 5s-электронов приводит к достижению устойчивой электронной конфигурации с заполненным d-подуровнем.
5s [↑↓] 4d [↑↓][↑↓][↑↓][↑↓][↑↓].[Kr] 4d10.Рис. 2. Процесс окисления кадмия: от металлического состояния до самого стабильного катиона +2.
В зависимости от аниона, кадмий в соединениях проявляет степень окисления, которая определяет его токсичность и применение в аккумуляторах:
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.
Для кадмия в металлическом виде степень окисления равна 0 — это типичное состояние для кадмиевых электродов. Отрицательные степени окисления для кадмия не зафиксированы.
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.
Знак заряда определяется металлической природой элемента:
В отличие от переходных металлов с переменной валентностью, валентность кадмия стабильна и равна II.
Для просмотра значений квантовых чисел электронов используй таблицу квантовых чисел.
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
| СО | Характеристика | Примеры соединений |
|---|---|---|
| +2 | Основная / Высшая. Стабильная форма всех солей. | CdO, CdCl2, CdS, CdSO4 |
| 0 | Металл. Состояние свободного элемента. | Cd (пластина или порошок) |
| +1 | Редчайшая. Существует в виде кластерных ионов. | Cd2Cl2 (в расплавах) |
▶️ Дано:
Соединение: CdS (сульфид кадмия).
⌕ Найти:
Определите СО кадмия.
✨ Решение:
Сера (S) в сульфидах проявляет СО -2. Уравнение: x + (-2) = 0 → x = +2.
✅ Ответ:
Cd(+2).
Правильные ответы: 1, 3, 5.
Разбор ошибок:
2 — неверно: высшая СО кадмия +2, так как он не задействует d-электроны.
4 — неверно: как металл, кадмий не проявляет отрицательных СО.
Единственной стабильной степенью окисления кадмия является +2.
Кадмий находится в конце d-блока, его 4d-подуровень полностью заполнен и сильно притянут к ядру, поэтому эти электроны не участвуют в окислении.
Металлы (в т. ч. кадмий) в химических соединениях всегда имеют нулевую или положительную степень окисления — отрицательная для них невозможна по природе.