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.

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 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:

где Z_эфф — 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:

где E_i — 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:

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

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.

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.

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.

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.

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.

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

1) По шкале Полинга электроотрицательность тулия равна 1,25.

2) Тулий имеет более высокую электроотрицательность, чем фтор.

3) В соединениях наиболее характерная степень окисления тулия равна +3.

4) Электронная оболочка тулия содержит незавершенный подуровень 4f¹³.

5) Тулий является благородным металлом и не реагирует с кислотами.

Часто задаваемые вопросы