Теория:
Степень окисления лантана в подавляющем большинстве соединений принимает значение +3, крайне редко в специфических условиях могут встречаться состояния +2.
Также существуют молекулярные комплексы, где формально фиксируется СО 0, и крайне нестабильные гидриды, где теоретически возможна отрицательная СО, но для классической химии это не характерно.
Например для высшей СО +3: в соединении La2O3 (оксид лантана) степень окисления металла равна +3.
Это происходит потому, что лантан находится в 3-й группе и при взаимодействии с таким сильным окислителем, как кислород.
Он полностью задействует все свои 3 валентных электрона (5d1 6s2), достигая максимально возможного заряда и устойчивой электронной оболочки инертного газа ксенона.
Для сравнения, низкая СО +2: встречается в таких редких соединениях, как LaI2 (иодид лантана(II)).
Здесь ситуация иная: лантан не отдает все валентные электроны, сохраняя один электрон на d-орбитали.
Однако такие состояния крайне нестабильны на воздухе и в воде, так как металл стремится перейти к заряду +3, который для него энергетически намного выгоднее.
Промежуточные же или более высокие степени окисления, такие как +4 или +5, для лантана невозможны.
Обладая конфигурацией [Xe] 5d1 6s2, лантану проще всего сразу «сбросить» три электрона.
Попытка забрать электроны с глубокого уровня [Xe] потребовала бы колоссальной энергии, которую не может обеспечить ни один химический реагент.
Именно поэтому химия лантана считается одной из самых «стабильных» среди переходных металлов — он почти всегда трехвалентен.
Рис. 1. Возможные степени окисления лантана: от 0 до +3. Наиболее устойчивая и практически единственная распространенная форма — +3 (оксиды, фториды, соли).
Обратите внимание, что химия лантана является эталоном для всех лантаноидов.
Его способность образовывать прочные связи в СО +3 обусловлена строением электронной оболочки и положением в самом начале f-блока (хотя сам он f-электронов в основном состоянии не имеет).
На формирование его свойств влияют строение (5d1 6s2), положение в 3-й группе и низкое значение электроотрицательности 1,1 по шкале Полинга.
Причина стабильности состояния +3 заключается в достижении конфигурации инертного газа ксенона при потере трех внешних электронов.
Это состояние является энергетическим «минимумом», к которому стремится атом.
6s [↑↓] 5d [↑][ ][ ][ ][ ].[Xe].Рис. 2. Процесс окисления лантана: от активного металла до стабильного катиона +3.
В подавляющем большинстве случаев лантан в соединениях проявляет степень окисления, которая делает вещества тугоплавкими и химически стойкими:
Высшая степень окисления лантана равна +3. Это значение полностью соответствует номеру группы (III) в периодической системе и является пределом для данного элемента.
Для лантана формально возможна степень окисления 0 в металлическом виде, однако степень окисления лантана равна +3 практически во всех природных и синтетических солях.
Степень окисления лантана в веществах крайне редко может принимать значение +2 (в дииодиде), но такие формы мгновенно окисляются даже следами влаги или кислорода.
Важно: Состояние +3 в виде оксида — это основная форма хранения элемента, где степень окисления лантана формула соединения всегда подтверждается расчетом 2·(+3) + 3·(-2) = 0.
Знак заряда определяется сильными металлическими свойствами элемента:
В отличие от переходных металлов середины таблицы, валентность лантана практически всегда постоянна и равна III.
Для просмотра значений квантовых чисел электронов используй таблицу квантовых чисел.
Пример для LaPO4 (фосфат лантана):
Сумма СО равна 0. Остаток фосфорной кислоты (PO4) имеет общий заряд -3. Обозначим La как x.
x + (-3) = 0 ⇒ x = +3
| СО | Характеристика | Примеры соединений |
|---|---|---|
| +3 | Высшая и самая стабильная. Форма почти всех известных соединений. | La2O3, LaCl3, La(OH)3 |
| +2 | Крайне редкая. Встречается в дигалогенидах типа LaI2. | LaI2, LaH2 |
| 0 | Металл. Простое вещество, серый металл. | La (слиток) |
▶️ Дано:
Соединение: La(OH)3 (гидроксид лантана).
⌕ Найти:
Определите СО лантана.
✨ Решение:
Группа OH всегда имеет заряд -1. В формуле три таких группы. Уравнение: x + 3 · (-1) = 0 → x = +3.
✅ Ответ:
La(+3).
Правильные ответы: 1, 2, 4.
Разбор ошибок:
3 — неверно: высшая СО лантана строго +3, у него всего 3 валентных электрона.
5 — неверно: лантан достигает конфигурации ксенона (ближайшего инертного газа).
Единственной стабильной и наиболее характерной степенью окисления лантана в соединениях является +3. В свободном состоянии (в виде металла) она равна 0.
В отличие от соседа по таблице — церия (Ce), у лантана после отдачи трех электронов (5d1 6s2) остается пустая и очень устойчивая электронная оболочка инертного газа ксенона ([Xe]).
Чтобы забрать четвертый электрон, нужно разрушить эту стабильную структуру, что энергетически невыгодно.
В обычных химических реакциях и устойчивых соединениях — нет.
Состояния +1 и +2 были зафиксированы только в экстремальных условиях (например, в глубоком вакууме или при сверхвысоких температурах в газовой фазе), но они мгновенно окисляются до +3.