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).
Валентность неодима можно определить несколькими способами:
✅ 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.
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).
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.
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.
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.
▶️ 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.
У него возможно три валентности: +2, +3 и +4.
Однако самой распространённой и стабильной является валентность +3.
У него два валентных электрона
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.