Валентность неодима (Nd)

Теория:

Валентность неодима (Nd) — это способность атома образовывать в соединениях определённое количество химических связей.

Поэтому: неодим чаще всего проявляет валентность, равную +3, но также может иметь +2 и +4.

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

Причина переменной валентности у неодима и других лантаноидов кроется в особенностях их электронной конфигурации.

У него есть электроны на внешних орбиталях, которые имеют очень близкие энергетические уровни:

6s-орбиталь (самая внешняя).

5d-орбиталь (расположена глубже, но по энергии близка к 6s).

4f-орбиталь (ещё глубже, но её энергия также сопоставима с 6s и 5d).

Содержание страницы

Как определить валентность неодима

Валентность неодима можно определить несколькими способами:

По периодической системе.
По электронной конфигурации.
По соединениям.

✅ По периодической системе

Неодим (Nd) находится в 6-м периоде и III группе Периодической таблицы. Он относится к семейству лантаноидов (редкоземельных элементов).

Для лантаноидов характерно, что их наиболее стабильной и типичной валентностью является +3.

Это объясняется тем, что они легко отдают три электрона с внешних оболочек, достигая более стабильного состояния.

✅ По электронной конфигурации

Электронная конфигурация неодима в основном состоянии: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f⁴.

Наиболее внешние электроны находятся на 6s- и 4f-подуровнях. Энергии этих подуровней очень близки.

Валентность +3: Наиболее распространённая валентность. Атом теряет два электрона с 6s-подуровня и один электрон с 4f-подуровня.

Валентность +2: Редкая валентность. Атом может терять два электрона с 6s-подуровня.

Валентность +4: Редкая валентность. Атом может терять два электрона с 6s-подуровня и два электрона с 4f-подуровня.

Таким образом, наличие электронов на близких по энергии орбиталях позволяет неодиму проявлять несколько валентностей, но +3 является наиболее энергетически выгодной и стабильной.

✅ По соединениям

В подавляющем большинстве своих соединений неодим проявляет валентность +3.

Пример: Оксид неодима (Nd₂O₃)

Атом кислорода (O) всегда проявляет валентность II.

В формуле Nd₂O₃ атомы кислорода образуют 3 x 2 = 6 связей.

Эти шесть связей распределяются между двумя атомами неодима.

6 связей / 2 атома = 3 связи на один атом неодима.

Таким образом, валентность неодима в оксиде (Nd₂O₃) равна III.

Почему у неодима валентность +2, +3, +4

Основная причина переменной валентности у неодима (Nd) — это уникальная электронная структура, где электроны находятся на разных, но очень близких по энергии орбиталях.

Это позволяет атому легко терять разное количество электронов, что приводит к валентностям +2, +3 и +4.

Объяснение валентности на основе электронной конфигурации

Электронная конфигурация неодима: [Kr] 4d¹⁰4f⁴5s²5p⁶6s².

Наиболее важные для валентности электроны находятся на подуровнях 6s и 4f, так как их энергии очень близки.

➡️ Валентность +3 (наиболее распространённая)

Атом неодима достигает этой валентности, теряя два электрона с 6s-орбитали и один электрон с 4f-орбитали.

Эта комбинация является наиболее энергетически выгодной и стабильной, поэтому валентность +3 является наиболее характерной для неодима и большинства лантаноидов.

Пример: В оксиде неодима (Nd₂O₃) неодим имеет валентность +3.

➡️ Валентность +2 (редкая)

Эта валентность проявляется, когда атом теряет только два электрона с 6s-орбитали.

Такие соединения менее стабильны и легко окисляются до соединений с валентностью +3.

Пример: Дигалогениды неодима, например, NdCl₂.

➡️ Валентность +4 (очень редкая)

Эта валентность возникает в очень сильных окислительных условиях. Атом теряет два электрона с 6s-орбитали и два электрона с 4f-орбитали.

Эта валентность нестабильна и встречается в очень немногих соединениях.

Пример: Диоксид неодима (NdO₂).

Возможные валентности атома неодима в основном и «возбужденном» состояниях

У неодима, как и у других лантаноидов, валентность определяется сложным взаимодействием электронов на близких по энергии орбиталях. Это объясняет, почему он может иметь валентности +2, +3 и +4.

Основное состояние

В основном состоянии атом неодима имеет два неспаренных электрона на 4f-подуровне.

Тем не менее, наиболее характерной для него является валентность +3.

Это происходит, потому что для образования стабильных ионных соединений атом неодима теряет два электрона с 6s-орбитали и один электрон с 4f-орбитали.

Это энергетически наиболее выгодное состояние для образования устойчивого иона Nd³⁺.

Электронная конфигурация основного состояния неодима: …5p⁶6s²4f⁴.

Пример валентности +3: Nd₂O₃ (оксид неодима).

Возбужденное состояние

Возбужденное состояние неодима, по сути, не применяется в традиционном смысле для объяснения валентности, как, например, у углерода.

У неодима валентности +2 и +4 возникают не из-за перехода электрона на пустую орбиталь в пределах одного энергетического уровня, а из-за разницы в энергии, необходимой для удаления разного количества электронов с близких по энергии орбиталей 6s и 4f.

Валентность +2: Атом теряет два электрона с 6s-орбитали, которая является внешней. Это менее энергетически выгодно, чем потеря трёх электронов, поэтому такая валентность встречается редко.

Валентность +4: Для достижения этой валентности требуется удалить два электрона с 6s-орбитали и два электрона с 4f-орбитали.

Это требует значительного количества энергии и возможно только в сильных окислительных условиях, что делает эту валентность крайне нестабильной и редкой.

Таким образом, валентности +2 и +4 можно рассматривать как электронные состояния, которые отличаются от основного +3 и требуют либо меньших, либо больших затрат энергии для своего образования.

Примеры валентностей:

Валентность +2: NdCl₂ (дихлорид неодима).

Валентность +4: NdO₂ (диоксид неодима).

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

Отличия валентности неодима от других элементов III группы

Главное отличие валентности неодима от других элементов III группы (например, скандия или иттрия) заключается в наличии и участии электронов 4f-подуровня в химических связях.

У большинства элементов III группы, таких как скандий (Sc) или иттрий (Y), валентность практически всегда равна +3.

Это объясняется их электронной конфигурацией: они легко отдают три электрона с внешних s- и d-орбиталей, достигая стабильной электронной оболочки.

Например, у скандия это 4s²3d¹, а у иттрия — 5s²4d¹. Для них этот процесс энергетически выгоден и не требует сложной перестройки электронной структуры.

Неодим, будучи лантаноидом, имеет более сложную электронную конфигурацию, где электроны находятся на близких по энергии орбиталях: 6s и 4f.

Это создаёт уникальные условия:

Валентность +3: Это основная и самая стабильная валентность неодима, как и у других элементов III группы.

Она достигается при потере двух электронов с 6s-орбитали и одного электрона с 4f-орбитали.

Переменные валентности (+2 и +4): В отличие от скандия или иттрия, неодим может проявлять валентности +2 и +4.

Это происходит из-за того, что энергия, необходимая для удаления или добавления дополнительных электронов с 4f-подуровня, сопоставима с энергией образования химической связи.

Валентность +2 возникает при потере только двух 6s-электронов, а валентность +4 — при потере двух 6s- и двух 4f-электронов.

Эти состояния менее стабильны, чем +3, но возможны.

Таким образом, если у большинства элементов III группы валентность фиксирована и однозначна (+3).

То у неодима она переменная, хотя и с доминирующей +3, что обусловлено особой структурой его внутренних f-орбиталей.

Примеры соединений неодима всех валентностей

Валентность +3 (наиболее распространённая)

Оксид неодима (Nd₂O₃): Наиболее стабильное соединение, где неодим имеет валентность +3.

Хлорид неодима (NdCl₃): Типичный представитель галогенидов, где Nd проявляет валентность +3.

Сульфат неодима (Nd₂(SO₄)₃): Соль, образующаяся в результате реакции неодима с серной кислотой.

Валентность +2 (редкая)

Дихлорид неодима (NdCl₂): Нестабильное соединение, которое легко окисляется до NdCl₃.

Валентность +4 (очень редкая)

Диоксид неодима (NdO₂): Высоко окисленное соединение, которое существует в строго определённых условиях и является очень нестабильным.

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

Пример решения, задача:

▶️ Дано:

Соединение NdO₂ (диоксид неодима)

⌕ Найти:

Валентность неодима (Nd) в этом соединении.

✨ Решение:

Определить валентность кислорода:

В большинстве соединений кислород (O) имеет постоянную валентность, равную II.

Рассчитать суммарную валентность кислорода:

В формуле NdO₂ содержится 2 атома кислорода.

Суммарная валентность кислорода = 2 (атома O) × 2 (валентность O) = 4.

Определить валентность неодима:

Так как молекула соединения электронейтральна, суммарная валентность атомов одного элемента должна быть равна суммарной валентности атомов другого элемента.

Суммарная валентность неодима = Суммарная валентность кислорода.

Суммарная валентность неодима = 4.

Поскольку в соединении всего один атом неодима, его валентность равна общей сумме, то есть IV.

✅ Ответ:

Валентность неодима (Nd) в соединении NdO₂ равна IV.

Часто задаваемые вопросы:

Сколько всего возможных валентностей у неодима?

У него возможно три валентности: +2, +3 и +4.

Однако самой распространённой и стабильной является валентность +3.

Сколько валентных электронов?

У него два валентных электрона

Как понять, сколько валентных электронов?

Они находятся на самой внешней 6s-орбитали. Именно эти электроны первыми участвуют в образовании химических связей.

Однако, из-за энергетической близости к внешней оболочке, электроны с 4f-орбитали также могут участвовать в связях, что объясняет, почему у неодима может быть валентность +3 и +4.