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.
Валентность гадолиния можно определить несколькими способами:
✅ 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.
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.
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.
➡️ 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.
▶️ 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.
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.
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.
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).