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.
Валентность золота можно определить несколькими способами:
✅ 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
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.
➡️ 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.
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.
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.
▶️ Дано:
Химическое соединение: хлорид золота (AuCl3).
Это нейтральная молекула.
Валентность хлора (Cl) в соединениях с металлами всегда равна -1.
⌕ Найти:
Найти валентность которую проявляет золото в этом соединении.
✨ Решение:
Сумма валентностей всех атомов в нейтральной молекуле равна нулю.
Обозначим валентность золота как x.
В молекуле AuCl3 один атом золота и три атома хлора.
Составим уравнение: x + 3 ⋅ (−1) = 0
Решим уравнение относительно x : x − 3 = 0 x = +3
✅ Ответ:
Его валентность в соединении AuCl3 равна +3.
У (Au) есть несколько известных валентностей, но наиболее распространенными являются +1 и +3.
Всего возможно 7 валентностей: −1, 0, +1, +2, +3, +5, +7.
Имеет 1 валентный электрон.
Этот электрон находится на самой внешней 6s-орбитали.
Однако, из-за уникальной электронной конфигурации золота и релятивистских эффектов, электроны с внутренней 5d-оболочки также могут участвовать в образовании химических связей.
Что объясняет, почему золото проявляет валентности +3 и другие.
Стабильность валентностей золота +1 и +3 обусловлена его уникальной электронной конфигурацией и релятивистскими эффектами.