Химия Электроотрицательность химических элементов Электроотрицательность тулия (Tm): значение, факторы и влияние в реакциях

Электроотрицательность тулия (Tm): значение, факторы и влияние в реакциях

Теория:

По шкале Полинга электроотрицательность тулия (Tm) составляет 1,25 — это характерное для тяжелых лантаноидов значение, отражающее его металлический характер и устойчивую способность образовывать соединения в тройлентном состоянии.

Тулий — f‑элемент (лантаноид) 6‑го периода с незаконченной 4f‑оболочкой (конфигурация 4f136s2).

Если рассматривать эту характеристику как способность стягивать на себя электронную плотность, у атома тулия она выражена слабо, уступая большинству d‑металлов и p‑элементов, но постепенно возрастая к концу лантаноидного ряда из‑за лантаноидного сжатия.

Это обусловлено тем, что пара внешних 6s‑электронов экранируется объемным предвнешним 4f‑слоем, облегчая их беспрепятственную отдачу.

Специфическое электронное строение (4f136s2) и конкретная величина ЭО определяют три ключевых химических следствия:

  1. Преобладающая и наиболее устойчивая степень окисления +3 в соединениях.
  2. Высокая химическая активность (металл легко окисляется на воздухе и бурно взаимодействует с кислотами).
  3. Склонность к образованию ионных связей с преобладанием электростатического взаимодействия с сильными анионами.

Электроотрицательность Тулия (Tm): значение по Полингу — 1,25, по Аллену — 1,17, по Малликену — 1,20. Расположен в ряду ЭО между эрбием и лютецием. Что влияет на ЭО тулия: радиус атома (177 пм), конфигурация 4f¹³6s², заряд ядра +69. Положение среди лантаноидов.

Как определяют электроотрицательность: основные шкалы

Электроотрицательность (ЭО) — условный параметр, характеризующий склонность атома в структуре молекулы притягивать общие электронные пары.

Различные подходы дают отличные цифровые результаты из-за опоры на индивидуальные физические константы и термодинамические циклы.

Шкала Что измеряется Значение для Tm
Полинга Энергии химических связей 1,25
Малликена Энергия ионизации + сродство к электрону 1,20
Олреда–Рохова Эффективный заряд ядра и ковалентный радиус 1,11
Аллена Средняя энергия валентных электронов 1,170

Шкала Полинга

Данная система расчёта пользуется наибольшей популярностью в академической литературе и справочниках.

Цифровой показатель 1,25 подтверждает типично металлическую природу тулия и его выраженную склонность к отдаче валентных электронов.

Это обусловливает преобладание ионной составляющей в оксидах, фторидах и хлоридах тулия, обеспечивая их хорошую растворимость и термодинамическую стабильность.

Смотреть полную таблицу электроотрицательности для всех элементов.

Шкала Малликена

Методика базируется на квантово-химических характеристиках изолированной частицы:

Первая энергия ионизации I = 596,7 кДж/моль — работа, затрачиваемая на удаление внешнего 6s‑электрона.

Сродство к электрону E — близкое к нулю значение, типичное для редких земель.

Формула: χ = ½ (I + E).

С учётом расчётных поправок метод Малликена выдает результат около 1,20.

Шкала Олреда–Рохова

Авторы вычисляют показатель через электростатическое притяжение периферийных зарядов ядром:

Формула Олреда–Рохова для определения электроотрицательности тулия

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

С учётом радиуса около 177 пм и параметров экранирования расчетное значение равно 1,11.

Шкала Аллена

Подход основан на вычислении усреднённой энергии валентных подуровней:

Формула шкалы Аллена для определения электроотрицательности тулия

где Ei — энергии ионизации валентных электронов, n — их количество.

Для конфигурации 4f136s2 расчёт по Аллену дает 1,170.

Полученная величина демонстрирует слабую способность удерживать внешнюю электронную плотность, что характерно для тяжёлых редкоземельных металлов.

Почему у тулия относительно низкая электроотрицательность

Тулий — элемент лантаноидного ряда 6‑го периода с атомным порядковым номером 69.

Конфигурация внешней оболочки — [Xe] 4f13 6s2.

В атоме тулия заполняющийся 4f‑подуровень располагается глубоко внутри электронной оболочки и эффективно экранирует возрастающий заряд ядра (+69) от внешних 6s‑электронов.

В результате такого внутреннего экранирования внешние электроны удерживаются ядром относительно слабо, что обусловливает низкое значение ЭО (1,25).

Сравнение с другими лантаноидами:

Элемент ЭО (Полинг) Электронная конфигурация
La (лантан) 1,10 [Xe] 5d1 6s2
Gd (гадолиний) 1,20 [Xe] 4f7 5d1 6s2
Tm (тулий) 1,25 [Xe] 4f13 6s2
Lu (лютеций) 1,27 [Xe] 4f14 5d1 6s2

Постепенное увеличение ЭО от лантана к лютецию объясняется лантаноидным сжатием — уменьшением радиуса атомов из-за неполного экранирования заряда ядра новыми f-электронами.

Как свойства тулия влияют на тип химической связи

Низкая величина ЭО формирует специфику химического поведения редкоземельного металла:

  • Преимущественно ионный характер: разница ЭО с кислородом, галогенами и азотом велика, что приводит к образованию прочных солеподобных соединений с ионно-ковалентными связями.
  • Металлическая решётка: в простом веществе валентные электроны обеспечивают делокализованную связь, определяя пластичность и серебристый блеск.
  • Образование комплексных частиц: тулий способен выступать комплексообразователем в растворах с полидентатными лигандами.

Характерные физико‑химические свойства:

  • Редкоземельный металл: серебристо-серого цвета, мягкий и ковкий.
  • Высокая химическая стойкость на воздухе: среди тяжелых лантаноидов тулий относительно медленно тускнеет при комнатной температуре.

Сравнение тулия с элементами 6‑го периода

Элемент ЭО (Полинг) Первая энергия ионизации, кДж/моль Атомный радиус, пм
Cs (цезий) 0,79 375,7 265
Ba (барий) 0,89 502,9 222
Tm (тулий) 1,25 596,7 177
Pt (платина) 2,28 870,0 139
Au (золото) 2,54 890,1 144

В пределах шестого периода тулий занимает промежуточное положение, значительно превосходя по электроотрицательности щелочные и щелочноземельные элементы, но уступая благородным металлам.

Положение в периодической системе и электронная структура

  • Группа: побочная подгруппа 3-й группы (семейство лантаноидов).
  • Период: 6-й.
  • Конфигурация: [Xe] 4f13 6s2.
  • Валентные электроны: три электрона (два на 6s и один на 4f/5d подуровнях).
  • Свойства: редкоземельный металл с устойчивым трехвалентным состоянием.
Важно: здесь показаны только основные параметры. Полное описание положения тулия в периодической системе доступно по ссылке — с разбором всех деталей.

Физические и энергетические характеристики

  • Первая энергия ионизации — 596,7 кДж/моль.
  • Атомный радиус — около 177 пм.
  • Восстановительная способность — высокая, легко вытесняет водород из разбавленных кислот.

Степень окисления тулия: роль электронной структуры

Показатель ЭО (1,25) задает химическую устойчивость валентного состояния элемента:

  • Единственная главная степень окисления (+3): при формировании связей атом теряет оба 6s-электрона и один электрон из 4f-оболочки.
  • Редкая степень окисления (+2): встречается в некоторых галогенидах (например, TmCl2), где тулий проявляет свойства промежуточного восстановителя.
  • Степень окисления 0: характерна для простого вещества.

Причина кроется в высокой энергетической стабильности треионной конфигурации Tm3+ в кристаллических решетках.

Главное правило: в подавляющем большинстве реакций и соединений тулий проявляет степень окисления +3.

Смотреть правила и как определить степень окисления тулия с примерами и объяснениями.

Валентность тулия: особенности элемента

На внешней и предвнешней оболочках свободного атома сосредоточено три валентных электрона.

В ходе химических взаимодействий задействуются два s-электрона и один f-электрон, что обуславливает стандартную валентность, равную III.

Краткий итог: электронное строение закрепляет за тулием преобладающую валентность III.

Важно: для полного понимания особенностей атома смотри дополнительно валентность тулия.

Как электронная конфигурация тулия объясняет его свойства

Строение электронной оболочки полностью определяет физико-химический профиль. Формула: [Xe] 4f13 6s2.

На внешнем подуровне располагаются 2 валентных электрона (при участии 4f-электронов).

Два ключевых фактора:

  1. Экранирование ядерного заряда. Промежуточное положение 4f-орбиталей уменьшает эффективное притяжение внешней пары.
  2. Лантаноидное сжатие. Постепенное уменьшение радиуса к концу ряда повышает ЭО по сравнению с ранними лантаноидами.

Величина ЭО (1,25) напрямую вытекает из формулы [Xe] 4f13 6s2.

Важно: Конфигурация показывает строение всех электронных слоёв, подробнее — электронная формула тулия доступна по ссылке.

Химическая активность и применение

Уникальные свойства редкого элемента находят высокотехнологичное применение:

  • В портативных рентгеновских аппаратах в качестве источника радиоактивного изотопа тулий-170.
  • В лазерной технике для создания твердотельных лазеров с инфракрасным излучением.
  • В производстве специальных сплавов и магнитных материалов.

Особенности, отличающие тулий от других лантаноидов

  • является одним из самых редких и дорогостоящих стабильных редкоземельных металлов;
  • обладает способностью образовывать редкие двухвалентные соединения под действием жестких условий синтеза;
  • проявляет высокие парамагнитные свойства при низких температурах.
Важно: для полного понимания свойств и химической природы просмотрите тулий как химический элемент.

Вывод

Электроотрицательность тулия (по Полингу — 1,25):

  1. Отражает умеренно слабое удержание внешних электронов экранированным ядром.
  2. Определяет высокую химическую активность среди тяжелых лантаноидов.
  3. Фиксирует преобладающую степень окисления +3.
  4. Объясняет образование прочных ионно-ковалентных связей с электроотрицательными неметаллами.

Таким образом, тулий представляет собой типичный редкоземельный металл с низкой электроотрицательностью и характерными для f-элементов свойствами.

Проверка знаний

Показать ответы

Правильные ответы: 1, 3, 4.

Разбор ошибок:

2 — неверно: ЭО тулия (1,25) значительно ниже, чем у фтора (3,98).

5 — неверно: тулий — активный редкоземельный металл, активно взаимодействующий с кислотами с выделением водорода.

Часто задаваемые вопросы

Чему равна электроотрицательность тулия по Полингу?

По шкале Полинга электроотрицательность тулия составляет 1,25.

Почему у тулия относительно низкая электроотрицательность?

Из-за эффективного экранирования заряда ядра массивной внутренней 4f-оболочкой, ослабляющей притяжение внешних 6s-электронов.

Какую степень окисления тулий принимает в соединениях?

Наиболее стабильной и распространенной для тулия является степень окисления +3.

Добавить комментарий