Валентность урана (U)

Теория:

Валентность урана (U) — это способность образовывать в соединениях определенное количество химических связей.

Чаще всего уран проявляет степени окисления (которые в соединениях часто коррелируют с валентностью) +4 и +6.

Наиболее устойчивая — +6 (в виде уранил-иона UO₂²⁺).

Элемент также проявляет:валентность, равную 0 (сам химический элемент в чистом виде), +3 (сильный восстановитель).

А также +5 (неустойчива в растворах) и +2 (очень редко, в твердых соединениях).

Уран относится к актиноидам (или 5f-элементам), которые находятся в 7-м периоде III Б-группе периодической таблицы (в старой форме таблицы – третий столбец после лантаноидов).

Причина переменной валентности по которой уран проявляет широкий диапазон валентностей (+3,+4,+5,+6), кроется в особенностях его электронной конфигурации и близости энергетических уровней внешних орбиталей/

Содержание страницы

Toggle

Как определить валентность урана

Валентность урана можно определить несколькими способами:

По периодической системе.
По электронной конфигурации.
По соединениям.

✅ По периодической системе

Уран (U, атомный номер Z=92) расположен в VII периоде и относится к семейству актиноидов (5f-элементы).

Группа: Уран находится в III группе Периодической таблицы, но исторически его часто рассматривают как аналог элементов VI Б-группы (хрома, молибдена и вольфрама).

Сходство с переходными металлами: В то время как лантаноиды в основном проявляют степень окисления +3, актиноиды, включая уран, проявляют более высокие валентности, схожие с элементами d-блока.

Наибольшая групповая Валентность: Как и Cr, Mo и W, уран способен проявлять +6 степень окисления, которая является его максимальной и самой устойчивой в кислородсодержащих соединениях.

✅ По электронной конфигурации

Электронная конфигурация атома урана является ключом к пониманию его переменной валентности:

[Rn] 5f³6d¹7s²

Валентные электроны: Валентные электроны урана расположены на трех близких по энергии внешних орбиталях: 5f, 6d и 7s.

Причина переменной валентности: Поскольку энергетические уровни этих орбиталей (5f, 6d и 7s) очень близки, атом может использовать разное количество электронов с каждой из них для образования химических связей:

Валентность +3: Используются 5f³ электроны.

Валентность +4: Используются 5f³6d¹ электроны (или 5f²7s²).

Валентность +6: Используются все шесть внешних электронов (5f³6d¹7s²). Это обуславливает наиболее высокую и стабильную валентность.

✅ По его соединениям (пример)

Наиболее практичный способ — это определение валентности по степени окисления, используя правило нейтральности.

Пример: Триоксид урана (UO₃)

Дано: Молекула UO₃ нейтральна (Сумма валентностей=0).

Известная валентность: Кислород (O) всегда проявляет степень окисления −2 в оксидах.

Формула расчета: Валентность урана (X) + 3 × (Валентность кислорода) = 0.

X + 3 × (−2) = 0

Вычисление:

X − 6 = 0
X = +6

Почему уран проявляет валентность 6, 4, 3, 5, 2

Основная причина, по которой он проявляет широкий диапазон валентностей от +2 до +6, заключается в особенностях его электронной конфигурации и близости энергетических уровней его внешних орбиталей.

➡️ Электронная конфигурация урана

Уран — актиноид с атомным номером Z=92. Его полная электронная конфигурация:

[Rn] 5f36d17s2

Валентные электроны, которые могут участвовать в образовании химических связей, расположены на трёх разных, но близких по энергии орбиталях: 7s, 6d и 5f.

➡️ Причина переменной валентности

Близость энергетических уровней этих трёх подоболочек позволяет атому урана использовать разное количество электронов, что и обеспечивает его переменную валентность:

Высокая валентность (+6): Максимальная валентность достигается за счет использования всех шести валентных электронов (7s², 6d¹ и 5f³).

U⁶⁺ — наиболее стабильное состояние, особенно в кислородсодержащих соединениях и водных растворах, где он образует ион уранила (UO₂²⁺).

Устойчивая валентность (+4): Это вторая по устойчивости и наиболее распространенная валентность.

Она формируется за счет использования 7s² и 6d¹ электронов, а также одного 5f электрона (или двух 5f).

U⁴⁺ — стабильное состояние в твердых оксидах (UO₂) и растворах (при отсутствии воздуха).

➡️ Низкие валентности (+3,+5,+2):

U³⁺ (используются 7s и 6d электроны, а также 5f электроны) — это сильный восстановитель, который легко окисляется до +4 в водных растворах.

U⁵⁺ — нестабильное промежуточное состояние, которое быстро диспропорционирует (распадается) на +4 и +6.

U²⁺ — очень редкое состояние, наблюдаемое только в некоторых твердых соединениях и монооксиде UO.

Возможные валентности атома урана в основном и «возбужденном» состояниях

➡️ Основное состояние

В основном (невозбужденном) состоянии атом урана теоретически может использовать только электроны с самых внешних оболочек.

Однако, из-за специфики f-элементов, даже в относительно простых соединениях 5f-электроны могут участвовать в связях.

Валентность +3 и +4: Эти валентности часто формируются за счет использования электронов 7s и 6d в комбинации с несколькими 5f-электронами.

U⁺³ — неустойчивый ион (сильный восстановитель), имеет красноватую окраску.

U⁺⁴ — очень устойчивая валентность, характерна для диоксида урана (UO₂) и солей U(IV).

➡️ Возбужденное состояние

В возбужденном состоянии, когда атом поглощает энергию, электроны с более низких энергетических уровней (5f и 6d) легко переходят на более высокие уровни.

И становятся доступными для образования химических связей. Это приводит к проявлению высших валентностей:

Валентность +6 (Максимальная): Это самое устойчивое состояние урана, особенно в кислородсодержащих соединениях и растворах.

Достигается за счет участия в связях всех шести валентных электронов (7s², 6d¹ и 5f³).

Именно U⁺⁶ образует исключительно стабильный уранил-ион (UO₂²⁺), который лежит в основе большинства природных минералов урана.

Валентность +5: Неустойчивое, промежуточное состояние, которое быстро распадается (диспропорционирует) на U⁺⁴ и U⁺⁶.

Валентность +2 (Минимальная): Крайне редкое состояние, наблюдаемое только в некоторых твердых соединениях (например, UO), где связь носит преимущественно ионный характер.

Причина валентности кроется в его атомарном строении. Чтобы увидеть это наглядно, обратите внимание на электронную формулу атома урана.

Отличия валентности от других элементов его группы

Самое важное отличие валентности урана (U) от других элементов его группы — это то, что его высшая валентность (+6) является самой устойчивой и характерной.

В то время как у большинства других актиноидов высшая валентность быстро теряет стабильность.

➡️ Доминирование высшей валентности (+6)

Уран (U): Степень окисления +6 является наиболее устойчивой и распространенной (особенно в растворах, где образуется стабильный UO₂²⁺ ион).

Тяжелые Актиноиды (после Am): У этих элементов наиболее устойчивой становится степень окисления +3.

Высшие валентности (+4,+5,+6) быстро теряют стабильность и почти не встречаются в растворах.

➡️ Сходство с переходными металлами

Уран (U): Химия урана во многом напоминает элементы d-блока (VI Б-группы), такие как вольфрам (W) и молибден (Mo), которые также устойчиво проявляют валентность +6.

Легкие Актиноиды (Th,Pa,Np,Pu): Уран является последним элементом, где валентность +6 является стабильной.

Уже у нептуния (Np) и плутония (Pu) валентности +5 и +4 начинают конкурировать с +6 по устойчивости.

➡️ Низкая валентность (+3)

Уран (U): U+3 является сильным восстановителем и неустойчив, легко окисляясь до U+4.

Тяжелые Актиноиды (после Am): Ме³⁺ — это самая устойчивая и характерная степень окисления, которая определяет всю их химию (подобно лантаноидам).

Примеры соединений всех валентностей

Валентность +6 (Наиболее Устойчивая в растворах и на воздухе)
- Триоксид урана: UO₃
- Гексафторид урана: UF₆ (используется для обогащения урана)
- Ион уранила (в растворах, например, в уранил нитрате): UO₂²⁺ (UO₂(NO₃)₂ )
Валентность +5 (Неустойчивая, промежуточная)
- Пентафторид урана: UF₅ (часто используется в качестве промежуточного продукта)
- Пентахлорид урана: UCl₅
- Соединения, содержащие ион уранила(V): UO₂ ⁺ (нестабилен в растворе)
Валентность +4 (Вторая по устойчивости, стабильная в твердых телах)
- Диоксид урана: UO₂ (основной компонент ядерного топлива)
- Тетрафторид урана: UF₄
- Тетрахлорид урана: UCl₄
Валентность +3 (Неустойчивая, сильный восстановитель)
- Трихлорид урана: UCl₃ (в водных растворах — красный)
- Трибромид урана: UBr₃
- Сульфид урана: U₂S₃
Валентность +2 (Очень редкая, только в твердых соединениях при высоких температурах)
- Моноокись урана: UO

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

Пример решения, задача:

▶️ Дано:

Соединение: U₂S₃ (сульфид урана (III)).

Известная валентность: Сера (S) в сульфидах проявляет постоянную степень окисления −2.

Условие: Молекула нейтральна, поэтому сумма степеней окисления всех атомов равна 0.

⌕ Найти:

Валентность, которую проявляет уран в этом соединении.

✨ Решение:

Обозначим степень окисления (валентность) урана как X.

Составляем уравнение, исходя из правила нейтральности:

2 × (Валентность U) +3 × (Валентность S) = 0

Подставляем известные значения:

2 × X +3 × (−2) = 0

Решаем уравнение относительно X:

2X − 6 = 0
2X = 6
X = +3

✅ Ответ:

Его валентность в соединении U₂S₃ равна +3. .

Часто задаваемые вопросы:

Сколько валентных электронов у урана ?

У атома урана (U) в основном состоянии шесть валентных электронов.

Почему валентность +4 и +6 самая стабильная ?

Валентности +4 и +6 являются самыми стабильными для урана (U) благодаря сочетанию факторов.

Связанных с его электронной конфигурацией и термодинамической устойчивостью образующихся соединений.

Сколько всего возможных валентностей у урана?

Наиболее характерными, устойчивыми и распространенными являются две валентности: +4 и +6.

Но проявляет и другие менее стабильные: +3, +5, +2.