Электроотрицательность галлия (Ga): значение, факторы и влияние в реакциях

Теория:

По шкале Полинга электроотрицательность галлия (Ga) равна (1,81), это относительно высокое значение для металлов 4-го периода.

Отражающее его проявление амфотерных свойств и выраженную способность к образованию ковалентных связей.

Галлий — элемент 13-й (IIIА) группы, занимающий место в 4-м периоде между цинком и германием.

Если представить эту характеристику как «силу притяжения» чужих электронов, то у атома галлия эта способность выражена заметно сильнее, чем у алюминия, стоящего выше в той же группе.

Его валентные электроны удерживаются ядром достаточно прочно из-за так называемого d-сжатия (эффекта экранирования d-электронами).

Но атом проявляет ярко выраженную восстановительную способность при взаимодействии с более электроотрицательными элементами.

Наличие трех валентных электронов (4s²4p¹) влечёт три основных химических следствия:

1. Наиболее устойчивая и характерная степень окисления +3 в сложных соединениях.
2. Ярко выраженный амфотерный характер оксида и гидроксида галлия.
3. Преимущественное образование полярных ковалентных связей с неметаллами.

Как определяют электроотрицательность: основные шкалы

Электроотрицательность (ЭО) — условная величина, отражающая способность атома в молекуле смещать к себе общие электронные пары.

Для галлия различия в значениях разных шкал подчеркивают влияние заполненного 3d-подуровня на удерживание валентных электронов.

Шкала Полинга

Шкала Полинга является наиболее распространенной и традиционно применяется в учебной химической литературе.

Значение для галлия составляет (1,81). Оно показывает, что галлий удерживает электроны сильнее, чем лёгкие металлы, и приближается по свойствам к полуметаллам.

В отличие от металлов 1-й и 2-й групп, галлий образует химические соединения с высокой долей ковалентности.

Смотреть полную таблицу электроотрицательности для всех элементов.

Шкала Малликена

Шкала Малликена основана на энергетических характеристиках изолированного атома:

Первая энергия ионизации I = 578,8 кДж/моль — энергия, необходимая для отрыва первого 4p-электрона.

Сродство к электрону E = 28,9 кДж/моль — энергия, выделяющаяся при присоединении электрона.

Формула: χ = ½ (I + E). В пересчете на относительные единицы шкала Малликена дает значение около (1,34), подтверждающее прочную связь валентных электронов с ядром.

Шкала Олреда–Рохова

Олред и Рохов рассчитывают ЭО исходя из кулоновской силы притяжения внешних электронов к ядру:

где Z_эфф — эффективный заряд ядра, r — радиус атома.

Из-за эффекта d-сжатия и небольшого радиуса атома (135 пм) при высоком заряде ядра (+31) расчетное значение составляет (1,82).

Шкала Аллена

Шкала Ларри Аллена рассчитывается через среднюю энергию валентных электронов:

где E_i — энергии ионизации валентных электронов, n — их количество. Для галлия с его тремя валентными (4s²4p¹) электронами шкала Аллена дает значение (1,756).

По шкале Аллена галлий удерживает электроны сильнее алюминия, что объясняется ростом эффективного заряда ядра после заполнения 3d-подуровня.

Почему у галлия повышенная электроотрицательность

Галлий — элемент 13-й группы 4-го периода с атомным номером 31. Электронная конфигурация — 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p¹ (или [Ar]3d¹⁰4s²4p¹).

Три валентных электрона находятся на 4-м энергетическом уровне, однако перед ними полностью заполняется 3d-подуровень (10 электронов).

d-электроны плохо экранируют заряд ядра (+31), из-за чего внешняя оболочка испытывает более сильное притяжение, а радиус атома сокращается (135 пм против 143 пм у алюминия).

Это аномальное возрастание ЭО в группе при переходе от Al (1,61) к Ga (1,81) называется (d-сжатием) (или d-сокращением радиуса).

Сравнение с элементами 4-го периода:

Вдоль 4-го периода ЭО закономерно возрастает от щелочного металла калия к галогену брому.

Как свойства галлия влияют на тип химической связи

Повышенная электроотрицательность галлия определяет выраженный ковалентный характер его химических связей:

• Ковалентно-полярная связь: галогениды галлия (GaCl₃, GaBr₃) в жидком и газообразном состоянии состоят из димеров (Ga₂Cl₆) с преимущественной ковалентной связью.
• Металлическая связь с низкой температурой плавления: легкое плавление галлия (29,76 °C) сочетается с высокой температурой кипения из-за особенностей кристаллической решетки и связей между атомами.
• Амфотерные оксиды и гидроксиды: оксид (Ga₂O₃) и гидроксид галлия (Ga(OH)₃) проявляют химическую амфотерность, легко растворяясь и в кислотах, и в щелочах.

Характерные особенности галлия:

• Полупроводниковые материалы: благодаря выраженной ковалентности формирует важнейшие полупроводники (арсенид галлия GaAs, нитрид галлия GaN).
• Низкая температура плавления: плавится от тепла человеческих рук, образуя жидкий металл с широким диапазоном жидкого состояния.

Сравнение галлия с другими элементами IIIА группы

Повышение ЭО при переходе от Al к Ga нарушает общую тенденцию уменьшения электроотрицательности сверху вниз по группе из-за d-сжатия.

Положение в периодической системе и электронная структура

• Группа: 13-я (IIIА).
• Период: 4-й.
• Конфигурация: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p¹.
• Валентные электроны: 3 на внешнем уровне (4s²4p¹).
• Свойства: переход в возбужденное состояние с распариванием 4s-электронов и образованием связей в степени окисления +3.

Физические и энергетические характеристики

• Суммарная энергия ионизации (1–3) — 5521 кДж/моль.
• Атомный радиус — около 135 пм.
• Восстановительная способность — умеренная, взаимодействует с неметаллами, растворами кислот и щелочей.

Степень окисления галлия: роль электронной структуры

Значение ЭО по Полингу (1,81) определяет поведение галлия в химических реакциях.

Эта характеристика обуславливает ключевые свойства элемента:

• Основная степень окисления (+3): атом теряет или смещает три валентных электрона.
• Вторичная степень окисления (+1): может проявляться в некоторых неустойчивых соединениях из-за инертности 4s-электронной пары.
• Степень окисления 0: наблюдается в простом веществе.

Причина проста: при образовании связей галлий задействует 4p- и 4s-электроны, а заполненная 3d-оболочка остается устойчивой.

Главное правило: в большинстве устойчивых соединений с неметаллами галлий проявляет степень окисления +3.

Валентность галлия: особенности элемента

На внешнем энергетическом уровне у атома галлия находится 1 неспаренный 4p-электрон и пара 4s-электронов.

При распаривании 4s-электронов и переходе в возбужденное состояние атом получает 3 неспаренных электрона, что обеспечивает стабильную валентность III.

Краткий итог: электронное строение 4s²4p¹ определяет характерную валентность галлия, равную III.

Как электронная конфигурация галлия объясняет его свойства

Электроотрицательность галлия вытекает из специфики заполнения его электронных оболочек.

Электронная формула галлия: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p¹

На внешнем энергетическом уровне находятся 3 валентных электрона.

Два ключевых фактора:

1. Эффект d-сжатия. Внутренний 3d¹⁰-подуровень слабо экранирует заряд ядра (+31), вызывая более сильное сжатие 4s- и 4p-орбиталей.
2. Удержание электронов. Из-за малого радиуса атома галлий удерживает валентные электроны сильнее, чем алюминий, что приводит к росту ЭО до 1,81.

Значение электроотрицательности (1,81) — это прямое следствие формулы [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p¹.

Химическая активность и применение

Благодаря высокой электроотрицательности и электронному строению галлий находит применение:

• В микроэлектронике и optoelectronics (производство светодиодов, лазеров и транзисторов на базе GaAs и GaN).
• В высокотемпературных термометрах благодаря широкому диапазону жидкого состояния.
• В легкоплавких сплавах (галинстан) в качестве заменителя токсичной ртути.

Особенности, отличающие галлий от алюминия

В отличие от алюминия:

• галлий имеет более высокую электроотрицательность (1,81 против 1,61) из-за d-сжатия;
• обладает меньшим атомным радиусом несмотря на появление нового энергетического уровня;
• образует еще более ковалентные галогениды и специфические полупроводниковые бинарные соединения.

Вывод

Электроотрицательность галлия (по Полингу равна 1,81):

1. Отражает увеличенную силу притяжения 4s- и 4p-электронов из-за эффекта d-сжатия.
2. Объясняет его (преимущественно ковалентный характер связей) во многих соединениях.
3. Фиксирует его (характерную степень окисления +3).
4. Определяет его (высокую ценность для полупроводниковой промышленности).

Таким образом, галлий служит классическим примером влияния d-блока на химические и физические свойства элементов главных подгрупп.

Проверка знаний

1) По шкале Полинга электроотрицательность галлия равна 1,81.

2) Галлий имеет меньшую электроотрицательность, чем алюминий.

3) Повышение ЭО галлия по сравнению с алюминием связано с эффектом d-сжатия.

4) Электронная конфигурация внешнего слоя галлия — 4s²4p¹.

5) Основная степень окисления галлия в соединениях равна +3.

Часто задаваемые вопросы