Степень окисления прометия (Pm): в соединениях, как определить, примеры

Теория:

Степень окисления прометия в подавляющем большинстве соединений принимает значение +3, значительно реже фиксируется состояние +2, а также 0 сам химический элемент.

Как и большинство лантаноидов, прометий проявляет высокую химическую активность, но его изучение осложнено тем, что это радиоактивный элемент, не имеющий стабильных изотопов.

Например для наиболее характерной СО +3: в соединении Pm₂O₃ (оксид прометия III) степень окисления металла равна +3.

Это происходит потому, что прометий относится к семейству f-элементов и при химическом взаимодействии он наиболее охотно отдает три электрона (два с 6s-подуровня и один с 4f-подуровня).

Достигая устойчивого энергетического состояния, характерного для редкоземельных металлов.

Для сравнения, редкая СО +2: может наблюдаться в специфических условиях, например в некоторых галогенидах или сложных твердотельных матрицах, аналогично соседним лантаноидам.

Здесь ситуация иная: прометий удерживает свои f-электроны более прочно, отдавая только внешнюю 6s-пару.

Однако такие состояния крайне неустойчивы и стремятся к окислению до +3, так как конфигурация f⁴ (в СО +3) для него энергетически естественнее.

Промежуточные же или высшие степени окисления, такие как +4 или +5, для прометия не характерны.

В отличие от соседа по периоду — церия, прометий не может так легко освободить свои 4f-электроны для достижения высших зарядов.

Обладая конфигурацией [Xe] 4f⁵ 6s², атому прометия проще всего расстаться с тремя электронами, формируя стабильные соли.

Рис. 1. Возможные степени окисления прометия: наиболее устойчивая форма — +3, проявляющаяся в оксидах и большинстве солей. Состояние 0 характерно для металлического прометия.

Обратите внимание, что химия прометия практически идентична химии неодима (Nd) и самария (Sm), своих соседей по группе лантаноидов.

Это сходство настолько велико, что их разделение является сложнейшей технологической задачей.

На формирование степеней окисления влияют электронное строение (4f⁵ 6s²), эффект «лантаноидного сжатия» и значение электроотрицательности 1,13 по шкале Полинга.

Почему у прометия стабильная степень окисления?

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

1. В простом веществе (Pm⁰): Заряд равен 0. Конфигурация: [Xe] 4f5 6s2.
2. В ионе (Pm⁺³): Прометий отдает 3 электрона. Конфигурация: [Xe] 4f4.

Рис. 2. Процесс превращения атома прометия в катион: потеря электронов приводит к формированию типичного для лантаноидов заряда +3.

Степень окисления прометия в соединениях

В зависимости от среды, прометий в соединениях проявляет степень окисления, которая определяет окраску и свойства кристаллов:

• Оксид прометия(III) (Pm₂O₃): Pm +3, O -2.
• Хлорид прометия(III) (PmCl₃): Pm +3, Cl -1.
• Фторид прометия(III) (PmF₃): Pm +3.
• Оксалат прометия(III) (Pm₂(C₂O₄)₃): Pm +3.

Высшая степень окисления

Высшая степень окисления прометия равна +3 (в обычных химических системах).

В отличие от некоторых других лантаноидов, прометий практически не образует стабильных соединений в степени окисления +4.

Низшая степень окисления

Для прометия в особых условиях возможна степень окисления +2, однако степень окисления прометия равна 0 в чистом металлическом виде — это наиболее устойчивое состояние для простого вещества.

Промежуточные степени окисления

Степень окисления прометия в веществах почти всегда фиксирована на значении +3. Любые другие попытки изменить заряд атома приводят к крайне нестабильным структурам, существующим лишь мгновения.

Важно: Из-за радиоактивности прометия его соединения постоянно подвергаются самооблучению, что может влиять на стабильность решетки, однако степень окисления прометия формула соединения (например, PmCl₃) неизменно указывает на заряд +3.

Почему степень окисления чаще положительная?

Знак заряда определяется типично металлической природой элемента:

1. Положительная СО (+): Прометий легко отдает электроны неметаллам из-за низкой электроотрицательности.
2. Нулевая СО (0): Характерна для серебристо-белого радиоактивного металла.
3. Отрицательная СО (-): Для прометия физически нехарактерна, так как металлы этого типа не способны принимать электроны.

Как определить степень окисления прометия

По таблице Менделеева

1. Семейство: f-элемент (редкоземельный металл).
2. Валентные электроны: теоретически до 7 (5 на f-подуровне и 2 на s-подуровне), но в реакциях участвуют обычно 3.
3. Атомная масса прометия: [145] а.е.м. (наиболее стабильный изотоп).

По валентности (Число связей)

Как и у большинства лантаноидов, валентность прометия в стабильных фазах равна III.

1. В оксиде (Pm₂O₃): Атомы прометия формируют связи с кислородом, проявляя валентность III и СО +3.
2. В хлориде (PmCl₃): Прометий связан с тремя атомами хлора. Валентность — III, СО — +3.

По электронной конфигурации

1. Электронная формула прометия: [Xe] 4f⁵ 6s².
2. Атому прометия степени окисления +3 достичь легче всего, так как удаление 6s² и одного 4f электрона создает устойчивую конфигурацию.

Для просмотра значений квантовых чисел электронов используй таблицу квантовых чисел.

По химическому соединению (Алгебраический расчет)

Пример для Pm(NO₃)₃ (нитрат прометия III):

Сумма СО равна 0. Нитрат-группа (NO₃) всегда -1. Обозначим Pm как x.

x + 3 · (-1) = 0 ⇒ x = +3

Примеры степеней окисления прометия

Шпаргалка для прометия

• +3 — единственная практически значимая степень окисления.
• Радиоактивность — все соединения прометия светятся в темноте (люминесценция) из-за высокого уровня радиации.
• Цвет — соли прометия часто имеют розовый или желтоватый оттенок.

Пример решения задачи:

Проверка знаний

1) Прометий относится к группе лантаноидов.

2) Высшая стабильная степень окисления прометия равна +3.

3) Прометий встречается в природе в виде огромных залежей руды.

4) Соединения прометия в СО +3 являются наиболее устойчивыми.

5) Прометий может проявлять СО +8, как рутений.

Часто задаваемые вопросы