Теория:
Валентность кюрия (Cm) — это способность образовывать в соединениях определенное количество химических связей.
Чаще всего проявляет валентность, равную +3 (самая устойчивая) и +4, а также может проявлять +2, +5, +6 (редко).
Относится к актиноидам (или актинидам), которые находятся в 7 периоде периодической таблицы (в старой форме таблицы – под лантаноидами, как часть внутреннего переходного ряда), относится к элементам с переменной валентностью.
Причина переменной валентности кюрия (Cm) и других актиноидов кроется в их электронной структуре ([Rn]5f76d17s2).
Определить валентность кюрия (Cm) можно, анализируя его положение в Периодической системе, уникальную электронную конфигурацию и химический состав его соединений.
✅ По периодической системе
Кюрий (Z=96) относится к ряду актиноидов (внутренний переходный ряд), расположенному в 7 периоде под лантаноидами.
Семейство актиноидов: Для всего ряда актиноидов наиболее характерной и самой стабильной степенью окисления является +3.
Это объясняется тем, что при переходе в состояние Cm3+ атом достигает конфигурации с относительно стабильными внутренними орбиталями.
Аналог: Кюрий в этом ряду является аналогом Гадолиния (Gd) среди лантаноидов, поскольку оба элемента имеют полу заполненную f-оболочку в своей электронной конфигурации.
Гадолиний также демонстрирует исключительную стабильность в состоянии Gd3+.
Прогноз: Исходя из этого, прогнозируется, что +3 будет самой распространённой валентностью, а +4 (потеря дополнительного электрона) будет следующей возможной валентностью, но менее устойчивой.
✅ По электронной конфигурации
Электронная конфигурация атома кюрия (Z=96):
[Rn]5f76d17s2
Эта конфигурация объясняет наблюдаемые валентности:
+3 (Самая стабильная): Достигается при потере двух внешних 7s-электронов и одного 6d-электрона.
Это оставляет внутреннюю 5f-оболочку полузаполненной (5f7), что придаёт иону Cm3+ высокую стабильность.
+4 (Вторая по устойчивости): Достигается при потере всех трёх вышеуказанных электронов и одного 5f-электрона.
Эта валентность встречается в твёрдых соединениях (например, CmO2) и стабилизируется за счёт образования прочной кристаллической решётки.
+2, +5, +6 (Редкие): Малая разница в энергии между 5f-, 6d- и 7s-орбиталями позволяет отрывать или присоединять дополнительные электроны.
Поэтому при воздействии сильных окислителей или восстановителей, что приводит к образованию этих редких валентностей.
✅ По химическим соединениям (Пример)
Для точного определения валентности в конкретном соединении используют принцип электронейтральности: сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна нулю.
Пример: Оксид кюрия (CmO2).
Определим валентность кюрия (Cm) в диоксиде кюрия (CmO2).
Известные степени окисления:
Кислород (O) в большинстве соединений имеет степень окисления −2.
Уравнение:
Пусть x — валентность Cm.
x + (2 × ОС(O)) = 0
x + (2 × (−2)) = 0
x − 4 = 0
x = +4
Его валентность варьируется от 0 до +6 из-за уникальной электронной конфигурации [Rn]5f76d17s2 и близости энергетических уровней его внешних (7s) и внутренних (6d,5f) электронов.
➡️ 0 (Нулевая): Кюрий в свободном виде (чистый металлический элемент).
В этом состоянии атомы нейтральны и не образуют ионных или ковалентных связей, поэтому степень окисления равна 0.
➡️ +3 (Наиболее устойчивая): конфигурация: Потеря 7s2 и одного 6d1 электрона.
Результат: Ион Cm3+ с конфигурацией 5f7. Эта конфигурация имеет полу заполненную 5f-оболочку, что придает ей особую термодинамическую стабильность.
Это самая распространённая валентность в растворах.
➡️ +4 (Устойчивая в твёрдых соединениях): конфигурация: потеря 7s2, 6d1 и одного 5f электрона.
Требует немного больше энергии, чем +3. Стабилизируется за счёт образования прочной кристаллической решётки (например, в CmO2 и CmF4).
➡️ +2 (Редкая): конфигурация: Потеря только двух 7s электронов.
Образование иона Cm2+ с конфигурацией 5f76d1. Cm способен принять эту степень окисления, поскольку она сохраняет стабильную полу заполненную 5f7 оболочку.
Крайне нестабильна в водных растворах.
➡️ +5 и +6 (Крайне редкие): конфигурация: Последовательная потеря дополнительных 5f-электронов.
Эти высшие валентности могут быть достигнуты только под действием очень сильных окислителей и, как правило, в твёрдой фазе или в сильнощелочных растворах.
Они крайне нестабильны и легко восстанавливаются.
В основном и «возбужденном» состояниях атом кюрия (Cm) проявляет следующие валентности (степени окисления), обусловленные его электронной конфигурацией 5f76d17s2:
➡️ Основное состояние (Наиболее устойчивые)
+3 (Доминирующая): Самая устойчивая валентность, формируется при потере 7s2 и 6d1 электронов.
Это приводит к особо стабильной полузаполненной 5f7 оболочке.
+4 (Второстепенная): Относительно стабильна, особенно в твёрдых соединениях, образуется за счёт потери 7s2, 6d1 и одного 5f электрона.
➡️ «Возбужденное» состояние (Редкие и нестабильные)
+2 (Редкая): Формируется при потере только 7s2 электронов, сохраняя при этом 5f7 конфигурацию, что придает ей некоторую стабильность, но она крайне неустойчива в растворах.
+5 и +6 (Крайне редкие): Эти высшие валентности требуют значительных энергетических затрат (сильных окислителей) для отрыва дополнительных 5f-электронов.
Они являются очень сильными окислителями и нестабильны.
Ключевое отличие валентности кюрия (Cm) от большинства других элементов его группы (актиноидов) — это исключительная стабильность валентности +3, связанная с электронной конфигурацией.
➡️ Доминирование +3
Валентность +3 является наиболее устойчивой и доминирующей в водных растворах и большинстве соединений.
Это объясняется его электронной конфигурацией 5f76d17s2, где потеря трёх электронов (7s2 и 6d1) приводит к стабильной, полузаполненной 5f7 оболочке.
Ранние актиноиды (до Плутония): Элементы, стоящие раньше в ряду (U,Np,Pu), чаще проявляют более высокие валентности (+4,+5,+6) как наиболее стабильные. Например, для Урана (U) доминирует +6.
➡️ Сходство с лантаноидами
Благодаря стабильности 5f7 (аналог 4f7 у Гадолиния), химическое поведение Cm3+ очень схоже с поведением лантаноидов.
Кюрий часто называют «настоящим» аналогом лантаноидов среди актиноидов, поскольку в его химии преобладает именно состояние +3, а не высшие валентности.
➡️ Низкая устойчивость высших валентностей
Высшие валентности Кюрия (+5,+6) значительно менее устойчивы и являются более сильными окислителями по сравнению с аналогичными высшими состояниями у его соседей (Нептуний, Плутоний, Америций).
Они встречаются редко и только в специфических условиях.
CmO3 (Триоксид кюрия (VI), предположительно существует в газовой фазе, крайне неустойчив).
CmF5 (Пентафторид кюрия (V), теоретически возможен, но нестабилен и плохо изучен).
CmO2 (Диоксид кюрия (IV), устойчивое твёрдое вещество).
CmF4 (Тетрафторид кюрия (IV), образуется при реакции CmF3 с фтором).
CmCl3 (Трихлорид кюрия (III), наиболее стабильный галогенид).
Cm(NO3)3 (Нитрат кюрия (III), устойчив в водных растворах).
CmO (Оксид кюрия (II), получен в виде тонкой пленки на металле, крайне нестабилен).
CmCl2 (Дихлорид кюрия (II), получен, но нестабилен).
▶️ Дано:
Соединение: Трихлорид кюрия (CmCl3). Молекула нейтральна (общий заряд равен 0).
⌕ Найти:
Валентность, которую проявляет кюрия в этом соединении.
✨ Решение:
Определяем известную степень окисления: CmCl3 — это галогенид. Хлор (Cl) в большинстве соединений с металлами проявляет степень окисления −1.
Принимаем валентность Cm за x.
Составляем уравнение, исходя из того, что общая сумма степеней окисления в нейтральной молекуле равна нулю:
ОС(Cm) + 3 × ОС(Cl) = 0
x + 3 × (−1) = 0
x − 3 = 0
x = +3
✅ Ответ:
Его валентность в соединении Трихлорид кюрия (CmCl3) равна +3.
Меняется из-за уникальной электронной структуры его атома (5f76d17s2).
Наиболее устойчивая и распространенная валентность кюрия (Cm) — +3.
А также валентности от +2 до +6:
Частая: +4 (устойчива в твёрдых соединениях).
Редкие и нестабильные: +2, +5, +6.
Относится к группе Актиноидов (или актинидов).