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:
Содержание страницы
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 | Что измеряется | Значение для Ga |
|---|---|---|
| Полинга | Энергии химических связей | 1,81 |
| Малликена | Энергия ионизации + сродство к электрону | 1,34 |
| Олреда–Рохова | Эффективный заряд ядра и ковалентный радиус | 1,82 |
| Аллена | Средняя энергия валентных электронов | 1,756 |
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 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.
Олред и Рохов рассчитывают ЭО исходя из кулоновской силы притяжения внешних электронов к ядру:
где Zэфф — 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 Ларри Аллена рассчитывается через среднюю энергию валентных электронов:
где Ei — 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.
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:
| Элемент | ЭО (Полинг) | Электронная конфигурация |
|---|---|---|
| K (калий) | 0,82 | [Ar] 4s1 |
| Ca (кальций) | 1,00 | [Ar] 4s2 |
| Ga (галлий) | 1,81 | [Ar] 3d10 4s2 4p1 |
| Br (бром) | 2,96 | [Ar] 3d10 4s2 4p5 |
Вдоль 4-го периода ЭО закономерно возрастает от щелочного металла калия к галогену брому.
Повышенная электроотрицательность галлия определяет выраженный ковалентный характер его химических связей:
Характерные особенности галлия:
| Элемент | ЭО (Полинг) | Первая энергия ионизации, кДж/моль | Атомный радиус, пм |
|---|---|---|---|
| B (бор) | 2,04 | 800,6 | 85 |
| Al (алюминий) | 1,61 | 577,5 | 143 |
| Ga (галлий) | 1,81 | 578,8 | 135 |
| In (индий) | 1,78 | 558,3 | 167 |
| Tl (таллий) | 1,62 | 589,4 | 170 |
Повышение ЭО при переходе от Al к Ga нарушает общую тенденцию уменьшения электроотрицательности сверху вниз по группе из-за d-сжатия.
Значение ЭО по Полингу (1,81) определяет поведение галлия в химических реакциях.
Эта характеристика обуславливает ключевые свойства элемента:
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.
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.
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:
Значение электроотрицательности (1,81) — это прямое следствие формулы [Ar] 3d10 4s2 4p1.
Благодаря высокой электроотрицательности и электронному строению галлий находит применение:
В отличие от алюминия:
Электроотрицательность галлия (по Полингу равна 1,81):
Таким образом, галлий служит классическим примером влияния d-блока на химические и физические свойства элементов главных подгрупп.
Правильные ответы: 1, 3, 4, 5.
Разбор ошибок:
2 — неверно: электроотрицательность галлия (1,81) выше, чем у алюминия (1,61) из-за влияния d-орбиталей.
По шкале Полинга электроотрицательность галлия равна 1,81.
Из-за заполнения 3d-подуровня 10-ю электронами (d-сжатие) слабо экранируется повышенный заряд ядра (+31), что сжимает атомный радиус и сильнее притягивает внешние электроны.
В соединениях с неметаллами галлий чаще всего образует ковалентные полярные связи.