Степень окисления ртути (Hg): в соединениях, как определить, примеры

Теория:

Степень окисления ртути (Hg) в подавляющем большинстве химических соединений принимает значения +1 и +2.

Это обусловлено особенностями строения её электронной оболочки.

Кроме того, выделяют показатель 0, относящийся к ртути в чистом самородном виде (жидкий металл при комнатной температуре).

Например для наиболее стабильной СО +2: в соединении HgO (оксид ртути II) или всем известной HgCl₂ (сулема) заряд иона равен +2.

Для сравнения, СО +1: уникальна тем, что ртуть образует устойчивую связь металл-металл, создавая кластерный катион Hg₂²⁺, как в веществе Hg₂Cl₂ (каломель).

• Почему +2? Атом ртути отдает два 6s-электрона, достигая относительно устойчивой конфигурации с заполненным 5d¹⁰ подуровнем.
• Почему +1 так необычна? В отличие от большинства металлов, ртуть в состоянии +1 не существует в виде одиночного иона Hg⁺. Она образует пару из двух атомов со связью между ними, что и дает суммарный заряд +2 на группу (среднее значение +1 на атом).
• Высшие СО: Несмотря на завершенность 5d-слоя, в крайне специфических условиях (криогенные матрицы и фторирование) ученым удалось зафиксировать крайне нестабильное состояние +4, но в школьной и вузовской программе оно практически не рассматривается.

Рис. 1. Основные степени окисления ртути: 0, +1 и +2.

Состояние +2 является наиболее изученным, в то время как форма +1 представлена специфическими соединениями со связью Hg-Hg.

Важно заметить, что химия ртути в состоянии +2 резко отличается по токсичности и растворимости от состояния +1.

Например, хлорид ртути (I) практически не растворим, тогда как хлорид ртути(II) — сильнейший яд, легко растворяющийся в воде.

На свойства этого элемента влияют электронное строение (5d¹⁰ 6s²), эффект «инертной электронной пары» и значение электроотрицательности 1,9 по Полингу.

Почему +2 — самая распространенная степень окисления у ртути

Причина стабильности двухвалентного состояния кроется в легком удалении пары внешних 6s-электронов при сохранении полностью укомплектованного d-подуровня.

1. В простом веществе (Hg⁰): Заряд равен 0. Конфигурация: [Xe] 4f14 5d10 6s2.
2. В двухвалентном ионе (Hg⁺²): Ртуть расстается с 2 электронами. Конфигурация: [Xe] 4f14 5d10.

Рис. 2. Схема образования степени окисления +2: удаление двух внешних 6s-электронов и превращение атома ртути в катион Hg²⁺.

Степень окисления ртути в соединениях

В зависимости от реагентов, ртуть в соединениях проявляет степень окисления, которая кардинально меняет структуру вещества:

• Оксид ртути(II) (HgO): Hg +2, O -2.
• Хлорид ртути(I) / каломель (Hg₂Cl₂): Hg +1 (в катионе Hg₂²⁺).
• Сульфид ртути (HgS / киноварь): Hg +2, S -2.
• Нитрат ртути(II) (Hg(NO₃)₂): Hg +2.
• Диметилртуть ((CH₃)₂Hg): Hg +2.

Высшая степень окисления

Высшая степень окисления Hg, признанная в классической химии, равна +2.

Экзотическая СО +4 была получена лишь в лабораторных условиях при сверхнизких температурах.

Низшая степень окисления

Для этого элемента характерна степень окисления +1, при этом чистый металл имеет степень окисления 0 — это базовое состояние ртути как простого вещества.

Промежуточные степени окисления

Степень окисления ртути в веществах практически никогда не принимает дробных или иных промежуточных значений вне рамок классических +1 и +2.

Ртуть склонна к диспропорционированию (самоокислению-восстановлению) в определенных условиях.

Важно: Ртуть в степени окисления +1 всегда существует в виде димерного иона [Hg-Hg]²⁺, поэтому степень окисления ртути формула соединения всегда пишется с индексом 2 (например, Hg₂Br₂).

Почему ртуть предпочитает положительные заряды (+1, +2), а не отрицательные?

Характер взаимодействия с другими атомами продиктован её металлическим положением в 12-й группе:

1. Положительная СО (+): Ртуть отдает свои 6s-электроны более электроотрицательным неметаллам.
2. Нулевая СО (0): Единственный металл, остающийся жидким при нормальных условиях из-за слабых связей между атомами.
3. Отрицательная СО (-): Для ртути не характерна, так как она не обладает сродством к электрону, достаточным для приема отрицательного заряда.

4 способа определить степень окисления ртути

По таблице Менделеева

1. Семейство: d-элемент.
2. Валентные электроны: 2 на внешнем 6s-уровне.
3. Атомная масса ртути: 200,6 а.е.м.

По валентности (Число связей)

Обычно валентность ртути равна II, однако в соединениях ртути(I) она также формально считается двухвалентной за счет связи между атомами металла.

1. В оксиде (HgO): Ртуть образует две связи с кислородом, СО — +2.
2. В каломели (Hg₂Cl₂): Каждый атом ртути связан с другим атомом ртути и одним хлором, СО — +1.

По электронной конфигурации

1. Электронная формула ртути: [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s².
2. Атому ртути степени окисления +2 достичь проще всего, так как 6s-электроны являются внешними и наиболее подвижными.

Для анализа энергетических уровней используй таблицу квантовых чисел.

По химическому соединению (Алгебраический расчет)

Пример для HgCl₂ (хлорид ртути II):

Сумма СО равна 0. Хлор — типичный галоген с СО -1. Обозначим ртуть как x.

x + 2 · (-1) = 0 ⇒ x = +2

Примеры степеней окисления ртути

Шпаргалка для ртути

• +2 — основная степень окисления, соединения которой крайне ядовиты.
• +1 — представлена димерным катионом Hg₂²⁺ со связью металл-металл.
• 0 — единственный металл, находящийся в жидком агрегатном состоянии при 20°C.

Ртуть вне учебника: какие степени окисления существуют только в теории?

+3: Гипотетически рассчитана как переходное состояние в некоторых радикальных реакциях, но в виде стабильных соединений в обычных условиях не существует.

+6: Существуют теоретические работы, использующие квантово-химические расчеты, которые допускают существование ртути в степени +6 (например, в гипотетическом молекулярном ионе HgF₆).

Но это требует экстремально высоких давлений или специфических условий матричной изоляции.

Отрицательные (-2): В очень специфических расчетах для интерметаллидов или кластерных соединений с активными металлами иногда упоминаются крайне нестабильные состояния, близкие к отрицательным.

Но они не считаются полноценными степенями окисления в классическом понимании.

Пример решения задачи:

Проверка знаний

1) Ртуть принадлежит к d-элементам 12-й группы.

2) Степень окисления ртути в каломели равна +2.

3) Сулема (HgCl₂) содержит ртуть в степени окисления +2.

4) Ион ртути(I) всегда состоит из двух атомов ртути.

5) Ртуть может легко принимать электроны, образуя отрицательные степени окисления.

Часто задаваемые вопросы