Валентность гадолиния (Gd)

Теория:

Валентность гадолиния (Gd) — это способность образовывать в соединениях определённое количество химических связей.

Поэтому: Гадолиний чаще всего проявляет валентность, равную +3. Валентность +2 является очень редкой и нестабильной, а 0 — это валентность простого вещества (металлического гадолиния).

Относится к лантаноидам, которые находятся в 6-м периоде периодической таблицы (в старой форме таблицы – III B-группа).

Причина переменной валентности гадолиния заключается в его электронной конфигурации:

[Xe]4f⁷5d¹6s².

Содержание страницы

Как определить валентность гадолиния

Валентность гадолиния можно определить несколькими способами:

По периодической системе.
По электронной конфигурации.
По соединениям.

✅ По периодической системе элементов

Гадолиний (Gd) находится в 6-м периоде и относится к семейству лантаноидов.

Все лантаноиды — это редкоземельные металлы, которые, как правило, проявляют валентность +3. Это является наиболее распространённым и стабильным состоянием для них.

Поэтому, если вы видите гадолиний в периодической системе, его самая типичная валентность — +3.

✅ По электронной конфигурации

Электронная конфигурация атома гадолиния — [Xe]4f⁷5d¹6s².

Валентность гадолиния определяется электронами, которые он может отдать.

Валентность +3: Это основная валентность. Атом гадолиния отдаёт два электрона с внешней 6s-орбитали и один электрон с 5d-орбитали.

В результате ион Gd³⁺ приобретает конфигурацию [Xe]4f⁷.

Эта конфигурация энергетически очень выгодна, так как 4f-оболочка заполнена ровно наполовину, что делает ион стабильным.

Валентность +2: Эта валентность встречается очень редко и считается нестабильной.

Она возникает, когда гадолиний отдаёт только два электрона с 6s-орбитали.

Конфигурация иона Gd2+ ([Xe]4f⁷5d¹) не так стабильна, как в случае иона Gd³⁺, что объясняет редкость таких соединений.

✅ По соединению

Валентность гадолиния можно определить по формуле химического соединения, зная валентность другого элемента.

Пример: Оксид гадолиния (Gd₂O₃)

Валентность кислорода (O) всегда II.

В молекуле Gd₂O₃ три атома кислорода. Суммарная валентность кислорода: 3 × 2 = 6.

Суммарная валентность гадолиния должна быть равна суммарной валентности кислорода, то есть 6.

В молекуле два атома гадолиния. Следовательно, валентность одного атома гадолиния: 6 ÷ 2= 3.

Таким образом, в этом соединении гадолиний имеет валентность III.

Почему валентность (+2), +3 и 0

Может проявлять валентности +3, +2 и 0, но их стабильность и распространённость сильно различаются и это обусловлено его электронной конфигурацией.

➡️ Валентность +3

Это самая распространённая и стабильная валентность гадолиния.

Она достигается, когда атом отдает два электрона с внешней 6s-оболочки и один электрон с 5d-оболочки.

Причина стабильности: Ион гадолиния (Gd³⁺) имеет электронную конфигурацию [Xe]4f⁷.

В этом состоянии его 4f-оболочка заполнена ровно наполовину (7 электронов), что является чрезвычайно стабильной конфигурацией.

➡️ Валентность +2

Эта валентность крайне редкая и нестабильная. Она проявляется в очень немногих соединениях, которые можно получить только в особых условиях.

Причина нестабильности: Для достижения этой валентности гадолиний должен отдать только два электрона с 6s-оболочки, сохраняя один электрон на 5d-оболочке ([Xe]4f⁷5d¹).

Эта конфигурация не является энергетически выгодной, что объясняет, почему соединения с валентностью +2 очень редки и нестабильны.

➡️ Валентность 0

Эта валентность относится к атому гадолиния в его простом, металлическом состоянии.

Причина: Атом гадолиния в металлическом виде не образовал химических связей с другими элементами.

В этом случае все его электроны находятся на своих местах, и его валентность считается равной нулю.

Возможные валентности атома гадолиния в основном и «возбужденном» состояниях

В химии термин «возбуждённое состояние» чаще всего относится к электронам, которые перешли на более высокие энергетические уровни.

В случае гадолиния, его валентности лучше объяснять, исходя из стабильности ионов, образующихся при потере электронов.

Валентности атома гадолиния

Валентность 0 (основное состояние) Эта валентность относится к атому гадолиния в его простом, металлическом виде.

Когда он не вступает в химические связи и все его электроны находятся на своих местах.

Валентность +3 (наиболее стабильное состояние иона) Это наиболее распространённое состояние для гадолиния.

Оно достигается, когда атом теряет три электрона: два с внешней 6s-орбитали и один с 5d-орбитали.

В результате образуется ион Gd³⁺ с электронной конфигурацией [Xe]4f⁷.

Эта конфигурация является чрезвычайно стабильной, поскольку 4f-оболочка заполнена ровно наполовину.

Валентность +2 (нестабильное состояние) Это редкая валентность, которая не связана с «возбуждением» электронов.

Она образуется, когда атом гадолиния отдаёт только два электрона с внешней 6s-орбитали.

Конфигурация иона Gd²⁺ ([Xe] 4f⁷5d¹) не является такой энергетически выгодной, как в случае иона Gd³⁺, что объясняет её нестабильность и редкость.

Причина таких валентностей кроется в его атомарном строении. Чтобы увидеть это наглядно, обратите внимание на электронную формулу атома гадолиния.

Отличия валентности гадолиния от других элементов его группы

Валентность гадолиния отличается от большинства других лантаноидов тем, что его доминирующая валентность +3 обусловлена не только потерей внешних электронов (как у других).

Но и уникальной электронной конфигурацией, которая включает в себя один электрон на 5d-оболочке.

У гадолиния электронная конфигурация [Xe]4f⁷5d¹6s². Он отдаёт два электрона с 6s и один электрон с 5d, чтобы достичь очень стабильного состояния с наполовину заполненной 4f-оболочкой (4f⁷).

В то время как у других лантаноидов, таких как лантан (La) или неодим (Nd), валентность +3 также является основной.

Она обычно достигается за счёт потери электронов с 6s- и 4f-оболочек.

У гадолиния же наличие электрона на 5d-оболочке делает его валентность +3 особенно стабильной.

Примеры соединений всех валентностей

➡️ Валентность +3 (наиболее стабильная)

Оксид гадолиния(Gd₂O₃): Наиболее распространённое соединение, используемое в производстве керамики и люминофоров.

Хлорид гадолиния(GdCl₃): Используется в качестве реагента в химии и для получения металлического гадолиния.

➡️ Валентность +2 (нестабильная)

Хлорид гадолиния(GdCl₂): Это крайне редкое и нестабильное соединение, которое можно получить только в специальных условиях.

➡️ Валентность 0 (простое вещество)

Металлический гадолиний (Gd): Используется в сплавах, а также в медицине для магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Для более глубокого изучения его атомного строения, физических свойств и применения, мы рекомендуем ознакомиться с нашей главной статьей: гадолиний химический элемент.

Пример решения, задача:

▶️ Дано:

Соединение хлорид гадолиния (GdCl₂).

⌕ Найти:

Валентность гадолиния (Gd).

✨ Решение:

Определяем валентность хлора (Cl): В данном соединении хлор выступает в роли неметалла, и его валентность равна I.

Вычисляем общую валентность хлора: В формуле GdCl₂ два атома хлора.

Их общая валентность: 2 атома × 1 = 2

Определяем валентность гадолиния (Gd): В нейтральном соединении общая валентность всех элементов должна быть равна нулю.

То есть сумма валентностей положительного и отрицательного элементов должна быть одинаковой. Таким образом, валентность гадолиния равна общей валентности хлора.

✅ Ответ:

Валентность гадолиния в соединении GdCl₂ равна II.

Часто задаваемые вопросы:

Сколько всего возможных валентностей у гадолиния?

У него есть три возможные валентности:

+3 — самая стабильная и распространённая валентность.

+2 — редкая и нестабильная валентность.

0 — валентность, присущая металлическому гадолинию в его простом состоянии.

Сколько валентных электронов?

У атома гадолиния три валентных электрона, которые могут участвовать в образовании химических связей: два электрона на внешней 6s-оболочке и один электрон на 5d-оболочке.

Почему у гадолиния валентность +3 самая стабильная?

Основная причина стабильности валентности +3 у гадолиния — это его электронная конфигурация.

Когда атом гадолиния теряет два электрона с внешней 6s-оболочки и один электрон с 5d-оболочки, его внутренняя 4f-оболочка становится наполовину заполненной (содержит 7 электронов).