Электроотрицательность висмута (Bi): значение, факторы и влияние в реакциях

Теория:

По шкале Полинга электроотрицательность висмута (Bi) составляет 2,02 — это умеренное значение для тяжелых p‑элементов 15-й группы, отражающее постепенное усиление металлических свойств при переходе от азота к висмуту.

Висмут — p‑элемент 15‑й (VА) группы 6‑го периода с валентной конфигурацией 6s²6p³.

Если рассматривать эту характеристику как способность притягивать электронную плотность, у атома висмута она выражена умеренно: выше, чем у ранних переходных металлов, но ниже, чем у легких неметаллов группы (азота и фосфора).

Это обусловлено тем, что пара внешних 6s‑электронов («инертная пара») прочно удерживается ядром из‑за слабого экранирования глубокими f‑ и d‑орбиталями (лантаноидное и сжатие d-оболочек).

Завершённая внутренняя структура и конкретная величина ЭО определяют три ключевых химических следствия:

1. Преобладающая устойчивая степень окисления +3 в соединениях (за счет инертности 6s²-пары).
2. Слабовыраженная металлическая активность с заметной долей ковалентных взаимодействий.
3. Склонность к образованию основных солей и комплексных соединений.

Как определяют электроотрицательность: основные шкалы

Электроотрицательность (ЭО) — условный параметр, характеризующий склонность атома в структуре химической связи смещать к себе общие электронные пары.

Различные методики расчёта дают близкие цифровые результаты, опираясь на фундаментальные энергетические константы атома.

Шкала Полинга

Данная система расчёта является классической и наиболее часто цитируется в справочной литературе.

Цифровой показатель 2,02 подтверждает пограничный характер элемента между типичными металлами и легкими аналогами-неметаллами.

Это объясняет наличие ковалентных связей в соединениях висмута с галогенами и халькогенами, а также склонность к гидролизу его солей.

Смотреть полную таблицу электроотрицательности для всех элементов.

Шкала Малликена

Методика базируется на квантово-химических характеристиках изолированной газовой фазы:

Первая энергия ионизации I = 703,0 кДж/моль — работа, необходимая для удаления первого внешнего p‑электрона.

Сродство к электрону E — энергия присоединения дополнительного заряда.

Формула: χ = ½ (I + E).

С учётом расчётных коэффициентов метод Малликена выдает результат около 1,90.

Шкала Олреда–Рохова

Авторы вычисляют показатель через электростатическое кулоновское притяжение периферийных орбит ядром:

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

С учётом ковалентного радиуса около 152 пм расчётное значение составляет 1,67.

Шкала Аллена

Подход основан на вычислении усреднённой энергии всех валентных подуровней:

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

Для конфигурации 6s²6p³ расчет по Аллену дает 2,010.

Полученная величина демонстрирует стабильность удержания внешней электронной оболочки тяжелого атома.

Почему у висмута умеренная электроотрицательность

Висмут — элемент 15‑й группы 6‑го периода с атомным порядковым номером 83.

Конфигурация внешней оболочки — [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p³.

Присутствие заполненных f- и d-слоев формирует сильный эффект экранирования, однако массивный заряд ядра (+83) компенсирует его, удерживая валентные электроны на среднем уровне.

В подгруппе азота сверху вниз радиус атомов увеличивается, из-за чего способность притягивать чужую электронную плотность закономерно падает, приводя ЭО висмута к значению 2,02.

Сравнение с элементами 15‑й (VА) группы:

Закономерное уменьшение ЭО в подгруппе сверху вниз отражает усиление металлических свойств и ослабление неметаллических характеристик.

Как свойства висмута влияют на тип химической связи

Умеренная величина ЭО задает особенности межатомного взаимодействия:

• Полярно-ковалентные связи: в соединениях с неметаллами (например, BiCl₃, Bi₂S₃) преобладают ковалентные полярные мотивы из-за небольшой разности ЭО.
• Склонность к гидролизу: соли трехвалентного висмута легко подвергаются гидролизу с образованием осадка основных солей (например, хлорида висмутила BiOCl).
• Металлическая решетка: в простом веществе реализуется сложная слоистая кристаллическая структура с преобладанием металлического характера связи.

Характерные физико‑химические свойства:

• Хрупкий серебристо-белый металл с розоватым отливом.
• Низкая теплопроводность и необычное свойство расширяться при застывании.

Сравнение висмута с элементами 6‑го периода

В пределах шестого периода висмут занимает промежуточную ступень, существенно превосходя по электроотрицательности щелочноземельные и переходные элементы начала периода.

Положение в периодической системе и электронная структура

• Группа: 15-я (VA).
• Период: 6-й.
• Конфигурация: [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p³.
• Валентные электроны: 5 электронов на внешнем уровне (6s²6p³).
• Свойства: тяжелый p-металл с выраженным эффектом инертной пары.

Физические и энергетические характеристики

• Первая энергия ионизации — 703,0 кДж/моль.
• Атомный радиус — около 152 пм.
• Восстановительная способность — умеренная, в ряду активности стоит правее водорода и растворяется только в кислотах-окислителях.

Степень окисления висмута: роль электронной структуры

Показатель ЭО (2,02) и особенности строения определяют стабильность валентных состояний:

• Наиболее устойчивая степень окисления (+3): обусловлена энергетической выгодностью сохранения инертной 6s²-пары электронов.
• Редкая степень окисления (+5): проявляется только в сильных окислительных условиях (например, в висмутатах NaBiO₃).
• Степень окисления 0: характерна для свободного металла.

Причина кроется в феномене инертной пары: для тяжелых p-элементов отрыв двух s-электронов требует больших затрат энергии.

Главное правило: в подавляющем большинстве химических соединений висмут выступает в трехвалентном состоянии (+3).

Валентность висмута: особенности элемента

На внешнем подуровне нейтрального атома находятся три неспаренных p-электрона и пара связанных s-электронов (6s²6p³).

В стандартных условиях реализуется валентность III, однако при распаривании s-пары в экзотермических процессах валентность может достигать V.

Краткий итог: электронное конфигурация 6s²6p³ обуславливает преобладающую валентность III и возможную валентность V.

Как электронная конфигурация висмута объясняет его свойства

Строение электронной оболочки задает физико-химический профиль. Формула: [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p³.

На внешнем слое располагаются 5 валентных электронов.

Два ключевых фактора:

1. Эффект инертной пары. Прочное удержание 6s²-электронов ограничивает химическую активность и стабилизирует СО +3.
2. Участие p-орбиталей. Три неспаренных 6p-электрона формируют направленные ковалентные связи с неметаллами.

Величина ЭО (2,02) напрямую вытекает из указанной электронной конфигурации.

Химическая активность и применение

Специфические свойства элемента находят технологическое применение:

• В производстве легкоплавких сплавов (сплавы Вуда, Розе), использующихся в предохранителях и пайке.
• В фармакологии для создания медицинских препаратов и антисептиков (субсалицилат висмута).
• В металлургии как добавка для улучшения обрабатываемости сталей и чугуна.

Особенности, отличающие висмут от легких аналогов по группе

• проявляет выраженные металлические свойства в отличие от газообразного азота и хрупкого фосфора;
• обладает наименьшей токсичностью среди тяжелых металлов;
• демонстрирует наибольшую стабильность трехвалентного состояния благодаря инертной паре.

Вывод

Электроотрицательность висмута (по Полингу — 2,02):

1. Отражает умеренное притяжение внешних валентных орбиталей экранированным ядром.
2. Определяет промежуточные неметаллическо-металлические черты элемента.
3. Фиксирует преобладающую и наиболее стабильную степень окисления +3.
4. Объясняет склонность к гидролизу солей и образованию полярно-ковалентных связей.

Таким образом, висмут представляет собой классический тяжелый p-металл с умеренной электроотрицательностью и ярким проявлением эффекта инертной пары.

Проверка знаний

1) По шкале Полинга электроотрицательность висмута равна 2,02.

2) Висмут имеет более высокую электроотрицательность, чем азот.

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

4) Электронная оболочка висмута содержит валентную конфигурацию 6s²6p³.

5) Висмут легко вытесняет водород из разбавленной соляной кислоты.

Часто задаваемые вопросы