Степень окисления тулия (Tm): в соединениях, как определить, примеры

Теория:

Степень окисления тулия (Tm) в подавляющем большинстве стабильных соединений принимает значение +3, значительно реже встречаются состояния +2.

А также 0 сам химический элемент.

Как и другие лантаноиды, тулий проявляет высокую химическую активность, стремясь отдать свои внешние электроны для достижения более устойчивой электронной конфигурации.

Например для наиболее характерной СО +3: в соединении Tm₂O₃ (оксид тулия III) степень окисления металла равна +3.

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

Конфигурация иона Tm³⁺ становится 4f¹², что является энергетически выгодным для этого элемента.

Для сравнения, редкая СО +2: встречается в таких соединениях, как TmI₂ (иодид тулия II).

Здесь ситуация иная: атом тулия отдает только два электрона с внешнего 6s-слоя, сохраняя заполненность 4f-подуровня.

Такие состояния являются сильными восстановителями и крайне нестабильны в присутствии воды или кислорода, так как металл стремится перейти к заряду +3, который для него энергетически естественнее.

Высшие же степени окисления, такие как +4, для тулия не характерны и в обычных химических условиях не наблюдаются.

Обладая конфигурацией [Xe] 4f¹³ 6s², тулию проще всего расстаться с тремя электронами.

Попытка забрать четвертый электрон потребовала бы разрушения почти полностью заполненной 4f-оболочки, что энергетически не оправдано.

Именно поэтому химия тулия считается довольно однообразной в плане валентных состояний по сравнению с переходными металлами вроде рутения.

Рис. 1. Возможные степени окисления тулия: доминирующая форма — +3 (характерна для большинства солей).

Состояние +2 встречается в специфических безводных галогенидах.

Обратите внимание, что химия тулия во многом схожа с химией эрбия (Er) и иттербия (Yb), его соседей по периоду лантаноидов.

Все они характеризуются преобладанием положительного заряда +3 в водных растворах.

На формирование свойств влияют электронное строение (4f¹³ 6s²), положение в ряду лантаноидов и значение электроотрицательности 1,25 по шкале Полинга.

Почему +3 — самая стабильная степень окисления у тулия ?

Причина стабильности состояния +3 заключается в том, что энергия, выделяемая при образовании химических связей, полностью компенсирует затраты на ионизацию трех электронов, приводя атом к устойчивому катионному состоянию.

1. В простом веществе (Tm⁰): Заряд равен 0. Конфигурация: [Xe] 4f13 6s2.
2. В ионе (Tm⁺³): Тулий отдает 3 валентных электрона. Конфигурация: [Xe] 4f12.

Рис. 2. Процесс превращения металлического тулия в катион Tm³⁺, который является основой его химических свойств.

Степень окисления тулия в соединениях

В зависимости от реагентов, тулий в соединениях проявляет степень окисления, которая определяет цвет и растворимость вещества:

• Оксид тулия(III) (Tm₂O₃): Tm +3, O -2.
• Хлорид тулия(III) (TmCl₃): Tm +3, Cl -1.
• Дииодид тулия (TmI₂): Tm +2, I -1.
• Фторид тулия (III) (TmF₃): Tm +3.

Высшая степень окисления

Высшая степень окисления Tm равна +3. В отличие от церия или празеодима, тулий не способен образовывать устойчивые соединения в состоянии +4.

Низшая степень окисления

Для тулия возможна степень окисления +2 в безводных средах, однако атом тулия имеет степень окисления 0 в металлическом виде — это стандартное состояние элемента.

Промежуточные степени окисления

Степень окисления тулия в веществах практически всегда +3. Состояние +2 является «неудобным» и склонно к быстрому окислению до +3 при малейшем изменении условий.

Важно: Соединения тулия в степени окисления +3 часто обладают красивой бледно-зеленой окраской, что отличает их от бесцветных ионов многих других лантаноидов.

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

Знак заряда определяется типично металлической природой элемента:

1. Положительная СО (+): Тулий отдает электроны неметаллам, проявляя сильные восстановительные свойства.
2. Нулевая СО (0): Характерна для компактного серебристо-серого металла.
3. Отрицательная СО (-): Для тулия невозможна, так как он обладает низкой электроотрицательностью и не притягивает лишние электроны.

4 способа определить степень окисления тулия

По таблице Менделеева

1. Семейство: f-элемент (лантаноид).
2. Валентные электроны: 3 электрона (традиционно участвуют 2 от 6s и 1 от 4f).
3. Атомная масса тулия: 168,9 а.е.м.

По валентности (Число связей)

В стабильных химических системах валентность тулия практически всегда равна III.

1. В оксиде (Tm₂O₃): Атом тулия образует три связи с кислородом. Его валентность — III, а степень окисления равна +3.
2. В хлориде (TmCl₃): Тулий образует три связи с хлором. Валентность — III, СО — +3.

По электронной конфигурации

1. Электронная формула тулия: [Xe] 4f¹³ 6s².
2. Атому тулия степени окисления +3 достичь выгодно, так как это создает устойчивый катионный центр в кристаллической решетке солей.

Для просмотра значений квантовых чисел электронов используй таблицу квантовых чисел.

По химическому соединению (Алгебраический расчет)

Пример для Tm₂(SO₄)₃ (сульфат тулия III):

Сумма СО равна 0. Сульфат-группа (SO₄) всегда -2. Обозначим Tm как x.

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

Реальные примеры: где встречаются +2, +3 у тулия

Шпаргалка для тулия

• +3 — единственная степень, устойчивая в водных растворах.
• Редкость — тулий является одним из самых редких лантаноидов.
• Лазеры — ионы тулия в СО +3 используются в современной лазерной медицине.

Пример решения задачи:

Проверка знаний

1) Тулий относится к семейству лантаноидов.

2) Высшая степень окисления тулия (+8), как у рутения.

3) Наиболее устойчивая степень окисления тулия равна +3.

4) Соединения тулия +2 являются сильными восстановителями.

5) В чистом металле степень окисления тулия равна 0.

Часто задаваемые вопросы