Теория:
Валентность тантала (Ta) — это способность образовывать в соединениях определенное количество химических связей.
Поэтому Ta чаще всего проявляет валентность, равную +5. Также возможны валентности +4, +3, +2, +1, 0, -1 и -3.
Тантал относится к переходным металлам, которые находятся в 5-й группе периодической таблицы (в старой форме таблицы – в побочной подгруппе V группы).
Причина переменной валентности: как и других переходных металлов, кроется в его электронной конфигурации.
Валентность тантала можно определить несколькими способами:
✅ По Периодической системе
Валентность элемента можно определить по его положению в Периодической системе.
Группа: Тантал (Ta) находится в 5-й группе, или, если быть точнее, в побочной подгруппе V группы.
Правило: Для элементов, находящихся в главных подгруппах, высшая валентность обычно равна номеру группы.
Для переходных металлов (к которым относится тантал) это правило работает так: высшая валентность чаще всего равна сумме электронов на внешнем и пред внешнем d-подуровне.
Поскольку тантал находится в 5-й группе, его высшая валентность равна V (5).
Это самая распространённая и устойчивая валентность.
✅ По электронной конфигурации
Электронная конфигурация атома даёт наиболее точную информацию о его валентности, так как она показывает, какие электроны могут участвовать в образовании химических связей.
Электронная конфигурация тантала:
1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d36s2
Сокращённая запись: [Xe]4f145d36s2
На внешнем (6s2) и предвнешнем (5d3) уровнях у тантала в сумме находится 5 электронов (2 + 3 = 5).
Эти пять электронов являются валентными.
Отдавая их, атом тантала переходит в наиболее стабильное состояние со степенью окисления +5, проявляя валентность V.
Возможность проявлять другие, более низкие валентности (например, III, IV) объясняется тем, что тантал может отдавать не все валентные электроны, а только часть из них.
✅ По химическим соединениям
Валентность можно определить, зная формулу химического соединения. Самый простой пример — это оксид тантала (V).
Оксид тантала (V): Ta2O5
Валентность кислорода всегда II.
Используем правило «крест-накрест»: два атома тантала (индекс 2) и пять атомов кислорода (индекс 5).
Для определения валентности тантала нужно умножить валентность кислорода на его индекс и разделить на индекс тантала: (II × 5) ÷ 2 = 5.
Таким образом, в соединении Ta2O5 валентность тантала равна V.
Это подтверждает, что валентность V является наиболее характерной для тантала в соединениях с кислородом.
Проявляет такие разные валентности, потому что он является переходным металлом.
Это означает, что его валентные электроны находятся не только на самом внешнем энергетическом уровне, но и на пред внешнем.
Электронная конфигурация атома тантала: [Xe]4f145d36s2.
Причина переменной валентности кроется в том, что электроны с близких по энергии 5d- и 6s-орбиталей могут участвовать в образовании химических связей.
➡️ Валентность +5: Это самая устойчивая и распространённая валентность.
Она достигается, когда атом тантала отдаёт все пять своих валентных электронов (три с 5d-орбитали и два с 6s-орбитали).
➡️ Валентность +4, +3, +2, +1: Эти валентности проявляются, когда тантал отдаёт только часть из своих пяти валентных электронов.
Это происходит в менее стабильных или специфических условиях.
➡️ Валентность 0: Валентность равна нулю, когда тантал находится в свободном, чистом виде.
➡️ Валентность -1 и -3: Отрицательные валентности — это очень редкие состояния.
Они возможны в так называемых металлоорганических соединениях или в кластерных анионах, где атом тантала принимает электроны для завершения электронной оболочки.
➡️ Основное состояние
В основном, или невозбужденном, состоянии атом тантала имеет следующую электронную конфигурацию: [Xe]4f145d36s2
В этом состоянии его валентными электронами являются те, что находятся на внешнем (6s) и пред внешнем (5d) уровнях.
Их сумма равна 5 (2+3=5), поэтому наиболее распространенная и устойчивая валентность тантала — V (+5).
Атом отдает все эти электроны, чтобы достичь более стабильной конфигурации.
➡️ Возбужденное состояние
В «возбужденном» состоянии, под воздействием энергии (например, при образовании химических связей), электроны могут переходить на более высокие, но близкие по энергии орбитали.
Это позволяет атому образовывать большее или меньшее количество связей, чем в основном состоянии.
+4: Эта валентность возникает, когда атом тантала отдает 4 электрона.
+3: Проявляется при отдаче 3 электронов.
+2, +1, 0: Эти валентности возможны в особых, менее стабильных условиях или в свободной форме (0).
-1, -3: Отрицательные валентности — очень редкое явление для переходных металлов, но они могут проявляться в некоторых комплексных или металлоорганических соединениях, когда атом принимает электроны.
Причина таких валентностей кроется в его атомарном строении. Чтобы увидеть это наглядно, обратите внимание на электронную формулу атома тантала.
Тантал (Ta) принадлежит к группе 5 Периодической таблицы вместе с ванадием (V), ниобием (Nb) и дубнием (Db).
Главное отличие его валентности от ванадия — это стабильность высшей степени окисления.
Ванадий (V): Проявляет широкий спектр валентностей (+2, +3, +4, +5), и все они достаточно устойчивы.
Это позволяет ему образовывать множество соединений, например, разноцветные растворы, где валентность влияет на цвет.
Тантал (Ta) и Ниобий (Nb): Из-за явления, известного как лантаноидное сжатие, эти два элемента имеют почти одинаковые атомные радиусы, несмотря на то, что тантал находится ниже в группе.
Это делает их химические свойства очень похожими. В отличие от ванадия, их высшая валентность +5 является доминирующей и самой стабильной.
Соединения с более низкими валентностями менее распространены и менее устойчивы.
Таким образом, тантал и ниобий химически очень похожи, и их валентность +5 гораздо более выражена, чем у ванадия.
➡️ Валентность +5
Это наиболее устойчивая и распространённая валентность.
Оксид тантала (V) (Ta2O5) — твёрдое вещество, используется в электронике.
Фторид тантала (V) (TaF5) — соединение, которое часто используют для получения чистого тантала.
➡️ Валентность +4
Эта валентность менее стабильна, чем +5, но встречается в некоторых соединениях.
Хлорид тантала (IV) (TaCl4) — тёмно-коричневое твёрдое вещество.
Диоксид тантала (TaO2) — оксид с промежуточной валентностью.
➡️ Валентность +3
Соединения тантала с этой валентностью обычно менее устойчивы, чем с валентностью +5.
Иодид тантала (III) (TaI3) — пример соединения, где тантал проявляет эту валентность.
➡️ Валентность +2 и +1
Эти валентности очень редки и, как правило, встречаются в так называемых кластерных соединениях, где несколько атомов тантала образуют группу.
Хлорид тантала (II) (TaCl2) — пример хлорида с низкой валентностью.
Кластерный ион, такой как [Ta6Cl12]+, где средняя валентность тантала равна +1.
➡️ Валентность 0
Чистый тантал (Ta) — в своей элементарной форме валентность атома всегда равна нулю.
➡️ Отрицательные валентности (-1, -3)
Эти состояния крайне редки и наблюдаются только в особых комплексных или металлоорганических соединениях, где атом тантала принимает электроны от других групп.
Примером может служить комплексный анион [Ta(CO)6]−, где тантал имеет валентность -1.
Для более глубокого изучения его атомного строения, физических свойств и применения, мы рекомендуем ознакомиться с нашей главной статьей: тантал химический элемент.
▶️ Дано:
Соединение: Хлорид тантала (II) (TaCl2).
⌕ Найти:
Какую валентность проявляет тантал в этом соединении.
✨ Решение:
Валентность хлора (Cl) в соединениях с металлами всегда равна I (степень окисления -1).
В химическом соединении сумма валентностей всех атомов должна быть равна нулю.
В соединении TaCl2 один атом тантала (Ta) и два атома хлора (Cl).
Составим уравнение, где X — искомая валентность тантала: X ⋅ 1 + (I ⋅ 2) = 0 X + (−1 ⋅ 2) = 0 X − 2 = 0 X = 2
✅ Ответ:
Соединении хлорид тантала (II) (TaCl2) равна II (степень окисления +2).
Проявляет валентность +5, +4, +3, +2, +1, 0, -1 и -3, но +5 самая стабильная.
У тантала 5 валентных электронов.
Это электроны, которые находятся на двух внешних электронных слоях: на 6s2 и 5d3 -орбиталях.
Суммируя их количество (2+3=5), мы получаем общее число электронов, которые могут участвовать в образовании химических связей.
Валентность +5 является самой стабильной у тантала.
Потому что она достигается при отдаче всех его пяти валентных электронов, которые находятся на внешних и пред внешних электронных оболочках (6s2 и 5d3).
Потеря этих пяти электронов позволяет атому тантала достичь наиболее энергетически выгодного и устойчивого состояния.
Что объясняет, почему большинство его соединений имеют именно эту валентность.