Теория:
Валентность тулия (Tm) — это способность атома образовывать в соединениях определенное количество химических связей.
Поэтому: тулий чаще всего проявляет валентность, равную +3, и реже — +2.
Тулий относится к лантаноидам, которые находятся в 6-м периоде периодической таблицы (в старой форме таблицы – III B-группа).
Причина переменной валентности тулия (+2 и +3) заключается в особенностях строения его электронной оболочки.
Стабильность валентности +3 обусловлена потерей двух электронов с внешней 6s-оболочки и одного электрона с 4f-оболочки.
Валентность +2 возникает, когда атом тулия теряет только два электрона с 6s-оболочки.
Соединения, где тулий проявляет валентность +2, менее стабильны, так как требуют меньше энергии для перехода в более устойчивое состояние +3.
Валентность тулия можно определить несколькими способами:
✅ По периодической системе элементов
Тулий (Tm) находится в 6-м периоде и относится к группе лантаноидов.
Для этой группы характерна стабильная степень окисления +3, что связано с особенностями заполнения f-оболочки.
Таким образом, можно сразу предположить, что его основная валентность будет равна 3.
✅ По электронной конфигурации
Электронная конфигурация атома тулия выглядит так: [Xe] 4f13 6s2.
Чтобы достичь наиболее стабильного состояния, атом стремится отдать электроны с внешних оболочек.
Тулий теряет два электрона с внешней 6s-оболочки.
Затем он может отдать один электрон с внутренней 4f-оболочки, чтобы получить устойчивую, наполовину заполненную или полностью заполненную f-оболочку, что приводит к валентности +3.
В редких случаях, когда теряются только два электрона с 6s-оболочки, тулий может проявлять валентность +2.
Это состояние менее стабильно, так как не обеспечивает полной стабильности электронной оболочки.
✅ По соединениям
Валентность элемента в соединении можно определить, зная валентность других элементов в формуле.
Пример: Соединение тулия оксид (Tm2O3).
Кислород (O) в оксидах всегда имеет валентность −2.
В формуле есть три атома кислорода, поэтому их суммарная валентность составляет: 3 × (−2) = −6.
Чтобы соединение было электронейтральным (суммарная валентность равнялась нулю), два атома тулия должны иметь суммарную валентность +6.
Следовательно, валентность одного атома тулия составляет: (+6) / 2 = +3.
Объясняется особенностями его электронной конфигурации, которая определяет, какие электроны атом готов отдать, чтобы достичь более стабильного состояния.
Электронная конфигурация тулия (Tm)
Электронная конфигурация тулия (атомный номер 69) выглядит так: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f13.
Для упрощения часто используют сокращённую запись, где [Xe] обозначает конфигурацию ксенона: [Xe] 4f13 6s2.
➡️ Валентность +3 (наиболее распространённая)
Это основная и наиболее стабильная валентность тулия.
Она достигается, когда атом тулия теряет три электрона:
Два электрона с внешней 6s-оболочки. Эти электроны находятся дальше от ядра и легче всего удаляются.
Один электрон с внутренней 4f-оболочки. После потери этого электрона в 4f-подуровне остаётся 12 электронов.
Эта конфигурация не является полностью стабильной, однако потеря 3-х электронов является энергетически выгодной и приводит к образованию иона Tm3+.
➡️ Валентность +2 (менее распространённая)
Тулий может проявлять валентность +2, но соединения в этом состоянии менее стабильны.
Это происходит, когда атом тулия теряет только два электрона с внешней 6s-оболочки.
В этом случае конфигурация 4f13 остаётся неизменной.
Такие соединения (например, TmI2 и TmBr2) существуют, но они являются сильными восстановителями.
И легко окисляются до более стабильного состояния +3, так как при этом происходит переход к более энергетически выгодной конфигурации.
Его валентность определяется его электронной конфигурацией и способностью электронов покидать свои орбитали для достижения более стабильного состояния.
Концепция «возбуждённого» состояния, которая широко применяется к элементам главных подгрупп (например, фосфору), не является ключевой для объяснения валентности лантаноидов, таких как тулий.
Их валентность определяется не количеством неспаренных электронов, а энергетической выгодой при потере электронов с внешних оболочек.
➡️ Валентность +3 (основное состояние)
Это основная и наиболее стабильная валентность тулия. Она достигается, когда атом тулия теряет три электрона:
Два электрона с внешней 6s-оболочки. Эти электроны находятся на самом дальнем от ядра энергетическом уровне и легко удаляются.
Один электрон с внутренней 4f-оболочки.
Электронная конфигурация тулия в основном состоянии: [Xe] 4f13 6s2.
После потери трёх электронов, ион Tm3+ получает конфигурацию [Xe] 4f12.
Эта степень окисления является самой распространённой для тулия и всей группы лантаноидов.
➡️ Валентность +2 (менее стабильное состояние)
Тулий может проявлять валентность +2 в менее стабильных соединениях.
Это происходит, когда атом теряет только два электрона с внешней 6s-оболочки, а конфигурация 4f13 остаётся неизменной.
Причина валентности кроется в его атомарном строении. Чтобы увидеть это наглядно, обратите внимание на электронную формулу атома тулия.
Основное отличие его валентности от других лантаноидов (элементов группы) заключается в том, что он, наряду с самарием (Sm), европием (Eu) и иттербием (Yb), является одним из немногих, кто стабильно проявляет валентность +2.
Большинство лантаноидов (церий, неодим, гольмий и т.д.) практически всегда имеют валентность +3.
Это связано с тем, что тулий и другие вышеупомянутые элементы могут получить энергетически более выгодную электронную конфигурацию.
Теряя только два электрона, что делает их двухвалентные соединения более стабильными, чем у других лантаноидов.
➡️ Валентность +3 (наиболее распространённая).
Оксид тулия: Tm2O3. В этом соединении тулий имеет валентность +3, а кислород — -2.
Хлорид тулия: TmCl3. Хлор имеет валентность -1, поэтому тулий проявляет валентность +3.
Нитрат тулия: Tm(NO3)3. Нитрат-ион (NO3—) имеет валентность -1, что также подтверждает валентность тулия +3.
➡️ Валентность +2 (менее распространённая)
Соединения тулия с валентностью +2 менее стабильны и легко окисляются до +3. Они часто существуют только в особых условиях.
Йодид тулия (II): TmI2.
Бромид тулия (II): TmBr2.
В этих соединениях тулий отдаёт два электрона, проявляя валентность +2.
Для более глубокого изучения его атомного строения, физических свойств и применения, мы рекомендуем ознакомиться с нашей главной статьей: тулий химический элемент.
▶️ Дано:
Химическая формула соединения: TmBr2.
⌕ Найти:
Валентность тулия (Tm).
✨ Решение:
Бром (Br) — это галоген, который в соединениях с менее электроотрицательными элементами, такими как металлы, проявляет постоянную валентность, равную -1.
Сумма валентностей всех атомов в нейтральном соединении равна нулю.
В формуле TmBr2 содержится один атом тулия (Tm) и два атома брома (Br).
Составим уравнение, где X — искомая валентность тулия:
(Валентность Tm) × (количество Tm) + (Валентность Br) × (количество Br) = 0
X × 1 + (-1) × 2 = 0
X — 2 = 0
X = +2
✅ Ответ:
В соединении Бромид тулия (TmBr2) валентность равна +2.
У него всего две возможные валентности: +3 и +2.
Валентность +3 является наиболее стабильной и распространённой.
Валентность +2 встречается реже и характерна для менее стабильных соединений.
У него два валентных электрона.
Его электронная конфигурация заканчивается на …6s², что означает, что на его внешней, 6-й, оболочке находится два электрона.
Именно эти электроны участвуют в образовании химических связей.
Потому что для её достижения атому достаточно отдать два электрона с внешней 6s-оболочки и один электрон с внутренней 4f-оболочки.
Этот процесс является энергетически выгодным и приводит к образованию более устойчивого иона Tm3+.