Степень окисления сурьмы (Sb): в соединениях, как определить, примеры

Теория:

Степень окисления сурьмы (Sb) в большинстве соединений принимает значения +3 и +5, также -3 достаточно редкий случай, с ограниченным узким кругом соединений.

В металлических сплавах и интерметаллидах сурьма может находиться в состоянии 0.

Может проявлять промежуточные степени окисления (например, +1, +2, +4) но при этом они крайне редки и малоустойчивы.

Например для высшей СО +5: в соединении SbF₅ (пентафторид сурьмы) степень окисления элемента равна +5.

Это происходит потому, что сурьма находится в 15-й группе и при взаимодействии с таким мощным окислителем, как фтор, она задействует все свои 5 валентных электронов (5s² 5p³), достигая максимально возможного положительного заряда.

Для сравнения, отрицательная СО -3: встречается в таких соединениях, как Mg₃Sb₂ (антимонид магния) или SbH₃ (стибин).

Здесь ситуация обратная: сурьма выступает в роли более электроотрицательного партнера и «принимает» электронную плотность на свои p-орбитали, чтобы завершить внешний электронный слой до устойчивой конфигурации инертного газа ксенона.

Такие состояния, как в стибине, термически нестабильны, так как сурьма имеет сравнительно низкую электроотрицательность для неметалла и легко стремится вернуться к более стабильным положительным зарядам.

Промежуточные же степени окисления, такие как +4, являются «неудобными» для атома.

Обладая конфигурацией [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p³, сурьме энергетически выгоднее либо отдать три p-электрона (стабильная СО +3), либо все пять электронов внешнего слоя (СО +5).

Именно поэтому соединения сурьмы(IV), например смешанный оксид Sb₂O₄, часто представляют собой решетку, где одновременно присутствуют узлы со степенями окисления +3 и +5.

Рис. 1. Возможные степени окисления сурьмы: от -3 до +5. Наиболее устойчивые формы — +3 (сульфиды, хлориды) и высшая форма +5, характерная для фторидов и антимонатов.

Обратите внимание, что химия сурьмы во многом схожа с химией мышьяка (As) и висмута (Bi), её соседей по группе, что проявляется в способности образовывать летучие водородные соединения состава MeH₃.

На их формирование влияют электронное строение (5s² 5p³), положение в 15-й группе и значение электроотрицательности 2,05 по шкале Полинга.

Почему у сурьмы стабильная степень окисления?

Причина стабильности состояний сурьмы заключается в заполнении или полном освобождении p-подуровня. Состояние +3 достигается потерей только p-электронов, а +5 — полным вовлечением 5s-пары.

1. В простом веществе (Sb⁰): Заряд равен 0. Конфигурация: 5s [↑↓] 5p [↑][↑][↑].
2. В ионе (Sb⁺⁵): Сурьма отдает все 5 валентных электронов. Конфигурация: [Kr] 4d10.

Рис. 2. Процесс окисления сурьмы: от металлического состояния до высшего состояния +5 в составе пентаоксида.

Степень окисления сурьмы в соединениях

В зависимости от реагентов, сурьма в соединениях проявляет степень окисления, которая определяет кислотно-основные свойства вещества:

• Пентахлорид сурьмы (SbCl₅): Sb +5, Cl -1.
• Триоксид сурьмы (Sb₂O₃): Sb +3, O -2.
• Антимонат натрия (NaSbO₃): Sb +5.
• Сульфид сурьмы(III) (Sb₂S₃): Sb +3, S -2.
• Стибин (SbH₃): Sb -3, H +1.

Высшая степень окисления

Высшая степень окисления сурьмы равна +5. Это значение полностью соответствует номеру группы (V или 15) в периодической системе и характерно для наиболее сильных окисленных форм элемента.

Низшая степень окисления

Для сурьмы в соединениях с металлами или водородом характерна степень окисления -3, однако степень окисления сурьмы равна 0 в её металлической (самородной) форме или в составе технических сплавов.

Промежуточные степени окисления

Степень окисления сурьмы в веществах часто формально равна +4 (например, в Sb₂O₄), но такие формы являются результатом сосуществования атомов в состояниях +3 и +5 в одной кристаллической решетке.

Важно: Состояние +3 является наиболее термически устойчивым для сурьмы. Большинство природных минералов, таких как антимонит (Sb₂S₃), содержат сурьму именно в этой степени окисления, где степень окисления сурьмы формула соединения всегда +3.

Почему степень окисления чаще положительная?

Знак заряда определяется двойственной природой сурьмы как полуметалла:

1. Положительная СО (+): Проявляется при связи с неметаллами (кислород, галогены), где сурьма выступает донором электронов.
2. Нулевая СО (0): Характерна для простого вещества с металлическим блеском.
3. Отрицательная СО (-): Проявляется только в антимонидах и стибине при взаимодействии с активными металлами или водородом.

Как определить степень окисления сурьмы

По таблице Менделеева

1. Семейство: p-элемент (полуметалл).
2. Валентные электроны: 5 (2 на s-подуровне и 3 на p-подуровне).
3. Атомная масса сурьмы: 121,7 а.е.м.

По валентности (Число связей)

Как и у азота с фосфором, валентность сурьмы чаще всего равна III или V.

1. В трихлориде (SbCl₃): Атом сурьмы образует три связи с хлором. Его валентность — III, а степень окисления равна +3.
2. В пентаоксиде (Sb₂O₅): Сурьма образует пять связей с кислородом. Валентность — V, СО сурьмы — +5.

По электронной конфигурации

1. Электронная формула сурьмы: [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p³.
2. Атому сурьмы степени окисления +5 достичь выгодно при взаимодействии с фтором или кислородом, так как это освобождает весь внешний слой.

Для просмотра значений квантовых чисел электронов используй таблицу квантовых чисел.

По химическому соединению (Алгебраический расчет)

Пример для HSb(OH)₆ (сурьмяная кислота):

Сумма СО равна 0. Водород +1, Кислород -2. Группа OH в сумме дает -1.

1 + x + 6 · (-1) = 0
1 + x — 6 = 0 ⇒ x = +5

Примеры степеней окисления сурьмы

Шпаргалка для сурьмы

• +5 — высшая степень, пентафторид SbF₅ является одной из самых сильных кислот Льюиса.
• Токсичность — соединения сурьмы в степенях +3 и +5 ядовиты и требуют осторожного обращения.
• Огонь — оксиды сурьмы используются как антипирены (добавки, снижающие горючесть материалов).

Пример решения задачи:

Проверка знаний

1) Сурьма относится к p-элементам и является полуметаллом.

2) Высшая степень окисления сурьмы (+5) совпадает с номером её группы.

3) В стибине (SbH₃) сурьма проявляет положительную степень окисления.

4) Соединение Sb₂O₃ — основная природная форма сурьмы.

5) Отрицательная степень окисления -3 возможна в антимонидах металлов.

Часто задаваемые вопросы