Валентность золота (Au)

Теория:

Валентность золота (Au) — это способность образовывать в соединениях определенное количество химических связей.

Поэтому: чаще всего проявляет валентность, равную +1, (+2), +3, (−1), 0, +5, +7.

Относится к переходным металлам, которые находятся в группе 11 периодической таблицы (в старой форме таблицы – IB — подгруппа).

Причина переменной валентности золота — это релятивистские эффекты.

Из-за очень высокой скорости электронов на внутренних оболочках тяжёлого атома золота:

Орбитали электронов сжимаются, что делает их более близкими к ядру.

Это приводит к тому, что электроны с разных энергетических уровней (6s и 5d) становятся очень близкими по энергии.

В результате золото может легко терять разное количество электронов, проявляя разные валентности.

Как определить валентность золота

Валентность золота можно определить несколькими способами:

1. По периодической системе.
2. По электронной конфигурации.
3. По соединениям.

✅ По периодической системе

Золото (Au) находится в 11-й группе периодической таблицы (в старой форме таблицы — в IB-подгруппе).

Элементы этой группы, как правило, имеют на внешнем энергетическом уровне 1 электрон, поэтому их наиболее характерная валентность равна +1.

Однако, этот метод не дает полной картины, так как не объясняет, почему золото может проявлять другие валентности, например +3, которая даже более стабильна в некоторых условиях.

✅ По электронной конфигурации

Это наиболее точный способ, так как он напрямую связан со строением атома. Электронная конфигурация золота: [Xe]4f¹⁴5d¹⁰6s¹

Валентность +1 объясняется тем, что золото легко отдает единственный электрон с внешнего 6s-уровня.

Валентность +3 объясняется тем, что золото может отдавать не только 6s-электрон, но и два электрона с 5d-оболочки.

Это уникальное свойство золота, которое объясняется релятивистскими эффектами — электроны движутся на очень высоких скоростях, что меняет их энергию и делает возможным образование разных степеней окисления.

✅ По химическому соединению

Этот метод позволяет определить фактическую валентность золота в конкретном веществе.

Для этого нужно знать валентности других атомов в соединении.

Пример: Хлорид золота(III) (AuCl₃​)

Валентность хлора (Cl) в соединениях с металлами всегда равна -1.

Обозначим валентность золота как x.

Составим уравнение, учитывая, что сумма валентностей в нейтральной молекуле равна нулю: x + 3 ⋅ (−1) = 0

Решив уравнение, находим, что валентность золота равна: x = +3

Почему золото проявляет валентность -1, 0, (+1), +2, (+3), +4, (+5) +6

Золото проявляет такое разнообразие валентностей из-за уникального сочетания его электронной конфигурации и релятивистских эффектов, которые становятся особенно сильными для тяжёлых элементов.

➡️ Валентность 0

Причина: Это естественное состояние чистого металлического золота, когда оно не образует соединений.

Все его электроны находятся на своих местах и у атома нет заряда.

➡️ Валентности +1 и +3

Причина: Это самые распространенные и стабильные валентности золота.

+1: Достигается, когда золото теряет один электрон с самой внешней 6s-оболочки. Это типично для элементов 11-й группы.

+3: Достигается, когда золото теряет 6s-электрон и еще два электрона с внутренней 5d-оболочки.

Обычно это требует больше энергии, но из-за релятивистских эффектов эти оболочки энергетически сближаются, что делает валентность +3 очень стабильной, особенно в растворах.

➡️ Валентность -1

Причина: Это очень редкая валентность. Из-за релятивистских эффектов 6s-оболочка золота становится более стабильной и похожей на оболочку галогенов.

Это позволяет атому золота принимать один дополнительный электрон, чтобы заполнить свою внешнюю оболочку, образуя отрицательно заряженный ион (Au⁻), как, например, в соединении с цезием (CsAu).

➡️ Валентности +2, +5

Причина: Это очень редкие и менее стабильные валентности.

+2: Существование этой валентности было подтверждено лишь недавно в очень специфических условиях.

Она нестабильна и быстро превращается либо в +1, либо в +3.

+5: Достигается только с очень сильными окислителями, например, с фтором, который способен «вытягивать» электроны даже из стабильной 5d-оболочки (например, во фториде золота(V), AuF₅).

➡️ Валентности +4, +6

Причина: Эти валентности являются крайне редкими или даже гипотетическими.

Научные исследования показывают, что соединения золота в этих состояниях могут существовать только в экстремальных условиях, таких как высокое давление.

Общепринятых стабильных соединений золота с валентностями +4 и +6 не существует.

➡️ Валентность -1

Причина: Это очень редкая валентность. Из-за релятивистских эффектов 6s-оболочка золота становится более стабильной и похожей на оболочку галогенов.

Это позволяет атому золота принимать один дополнительный электрон, чтобы заполнить свою внешнюю оболочку, образуя отрицательно заряженный ион (Au⁻), как, например, в соединении с цезием (CsAu).

➡️ Валентности +2, +5

Причина: Это очень редкие и менее стабильные валентности.

+2: Существование этой валентности было подтверждено лишь недавно в очень специфических условиях.

Она нестабильна и быстро превращается либо в +1, либо в +3.

+5: Достигается только с очень сильными окислителями, например, с фтором, который способен «вытягивать» электроны даже из стабильной 5d-оболочки (например, во фториде золота(V), AuF₅​).

➡️ Валентности +4, +6

Причина: Эти валентности являются крайне редкими или даже гипотетическими.

Научные исследования показывают, что соединения золота в этих состояниях могут существовать только в экстремальных условиях, таких как высокое давление.

Общепринятых стабильных соединений золота с валентностями +4 и +6 не существует.

Возможные валентности атома в основном и «возбужденном» состояниях

➡️ В основном состоянии

Атом золота (Au) имеет следующую электронную конфигурацию: [Xe]4f¹⁴5d¹⁰6s¹.

Валентность +1: Это наиболее естественная валентность. Она образуется, когда атом золота теряет единственный электрон с самого внешнего 6s-уровня.

Это требует минимальных затрат энергии, что объясняет, почему соединения золота (I) так распространены.

Валентность +3: Эта валентность также очень стабильна, но образуется при потере не только 6s-электрона, но и двух электронов из заполненной 5d-оболочки.

У обычных металлов это происходит редко, но для золота это становится возможным благодаря релятивистским эффектам, которые сближают энергии этих оболочек.

➡️ «Возбуждённое» состояние

Термин «возбуждённое состояние» в данном контексте можно интерпретировать как состояние, в котором атом золота получает достаточно энергии для участия в реакциях с образованием более высоких валентностей.

Валентность +2, +4, +5: Эти валентности считаются нестабильными и встречаются очень редко.

Они образуются, когда атом золота получает достаточно энергии (например, при взаимодействии с очень сильными окислителями), чтобы «выбить» еще больше электронов из стабильной 5d-оболочки.

Эти состояния не являются результатом простого возбуждения, а скорее сильного химического взаимодействия.

Валентность -1: Эта валентность образуется не в результате потери электрона, а, наоборот, при его приобретении.

Из-за релятивистских эффектов 6s-орбиталь золота сжимается и становится более стабильной, что позволяет ей принимать дополнительный электрон.

Это происходит только в соединениях с крайне электроположительными металлами.

Причина валентности кроется в его атомарном строении. Чтобы увидеть это наглядно, обратите внимание на электронную формулу атома золота.

Отличия валентности от других элементов его группы

Золото (Au), находясь в 11-й группе периодической таблицы, имеет уникальное поведение по сравнению со своими «соседями» — медью (Cu) и серебром (Ag).

Медь и серебро чаще всего проявляют валентность +1 (в основном) и +2.

Валентность +3 у них крайне редка и нестабильна.

Золото проявляет валентность +1, но валентность +3 для него также очень характерна и является наиболее стабильной в водных растворах.

Главная причина этого отличия — релятивистские эффекты. Для тяжелого атома золота электроны на внутренних оболочках движутся с околосветовой скоростью.

Это приводит к сильному сжатию 6s-орбитали, делая ее электроны более прочно связанными с ядром.

В то же время, 5d-оболочка дестабилизируется, и ее электроны легче отрываются.

Это позволяет золоту не только отдавать единственный 6s-электрон, но и легко вовлекать в реакции два 5d-электрона.

У меди и серебра эти эффекты незначительны, поэтому они не проявляют валентность +3 так же легко.

Примеры соединений всех валентностей

Валентность 0: Au (чистое металлическое золото)

Валентность -1: CsAu (аурид цезия) — соединение, в котором атом золота принимает электрон, становясь анионом (Au^—).

Валентность +1: AuCl (хлорид золота (I)) — здесь золото отдает один электрон.

K[Au(CN)₂] (дицианоаурат(I) калия) — один из наиболее распространенных примеров соединений золота(I).

Валентность +2: [Au(CH₂)₂PPh₂]₂Cl₂ (димерный комплекс золота (II)) — редкие соединения, стабилизированные специфическими лигандами.

Валентность +3: AuCl₃ (хлорид золота (III)) — наиболее распространенное соединение золота.

H[AuCl₄] (тетрахлороаурат (III) водорода) — золотая кислота, используемая для получения золота.

Валентность +5: AuF₅ (фторид золота (V)) — образуется при взаимодействии с самым сильным окислителем — фтором.

Это одно из немногих соединений с такой высокой валентностью.

Валентность +4 и +6 : эти валентности гипотетические и были получены только в экспериментальных условиях при очень высоком давлении.

Стабильных соединений золота с такими валентностями в обычных условиях не существует.

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

Пример решения, задача:

Часто задаваемые вопросы: