Валентность висмута (Bi)

Теория:

Валентность висмута (Bi) — это способность образовывать в соединениях определенное количество химических связей.

Чаще всего проявляет валентность, равную +3 и +5. А также, но крайне редко, +1, +2, +4 и -3.

Относится к пост переходным металлам, которые находятся в 15-й группе периодической таблицы (в старой форме таблицы – V А).

Причина переменной валентности — эффект инертной пары.

Содержание страницы

Как определить валентность висмута

Валентность висмута можно определить несколькими способами:

По периодической системе.
По электронной конфигурации.
По соединениям.

✅ По Периодической системе

Находится в 15-й группе (или V A) Периодической таблицы. Элементы этой группы имеют 5 валентных электронов.

Это означает, что висмут может проявлять валентность:

+5: когда отдаёт все 5 валентных электронов.

+3: когда отдаёт только 3 электрона с p-орбитали. Это происходит из-за эффекта инертной пары, когда два электрона на s-орбитали (внешней) малоактивны и не участвуют в образовании связей.

-3: когда принимает 3 электрона, чтобы завершить внешний электронный слой до 8.

✅ По электронной конфигурации

Электронная конфигурация атома висмута: …6s²6p³.

Валентность +3: висмут отдаёт три электрона с p-орбитали (6p³). После этого остаётся два электрона на s-орбитали, которые не участвуют в связи.

Валентность +5: висмут отдаёт все пять электронов с внешнего слоя (6s²6p³).

Это требует больше энергии, поэтому такая валентность встречается реже.

✅ По соединению (пример)

Для определения валентности в соединении, нужно знать валентность другого элемента.

Соединение Bi₂O₃ (оксид висмута):

Кислород всегда имеет валентность -2.

В соединении три атома кислорода, поэтому их общая валентность равна 3 × (−2) = −6.

В соединении два атома висмута. Чтобы общее соединение было нейтральным, общая валентность висмута должна быть +6.

Значит, валентность одного атома висмута равна (+6) ÷ 2 = +3.

Почему висмут проявляет валентность 5, 3, -3

Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня атома висмута — 6s²6p³. На этом уровне находятся пять электронов.

Возможность проявлять разные валентности обусловлена тем, какие именно из этих электронов участвуют в образовании химических связей.

➡️ Валентность +3

Это наиболее стабильная и распространённая валентность висмута. Она возникает, когда в образовании связей участвуют только три электрона с p-орбитали (6p³).

Два электрона с s-орбитали (6s2) остаются на месте, так как для их отрыва требуется значительно больше энергии.

Это явление называется эффектом инертной пары — особенностью тяжёлых элементов 13-й, 14-й и 15-й групп.

Пример: В оксиде висмута (Bi₂O₃), валентность висмута равна +3, так как он образует связи с тремя атомами кислорода, отдавая три электрона.

➡️ Валентность +5

Эта валентность является менее стабильной и встречается реже.

Для её проявления висмут должен отдать все пять электронов со своего внешнего энергетического уровня (6s²6p₃), включая и те, что находятся на s-орбитали.

Это требует большого количества энергии, поэтому соединения висмута с валентностью +5 являются сильными окислителями.

Пример: Фторид висмута (BiF₅) является примером такого соединения.

➡️ Валентность -3

Эта валентность возникает, когда атом висмута присоединяет три электрона к своей внешней p-орбитали.

Чтобы завершить внешний электронный слой до 8 электронов (6s²6p⁶), что соответствует конфигурации инертного газа.

Пример: Гидрид висмута (BiH₃) — неустойчивое соединение, где висмут проявляет валентность -3.

Возможные валентности атома в основном и «возбужденном» состояниях

➡️ Основное (невозбужденное) состояние

Электронная конфигурация внешнего уровня висмута в основном состоянии: 6s²6p³. На этом уровне есть 3 неспаренных p-электрона, а s-орбиталь заполнена парой.

Валентность +3: В этом состоянии висмут проявляет валентность +3.

Это происходит, когда он образует связи, используя три неспаренных электрона с p-орбитали.

Два электрона на s-орбитали остаются «инертными» и не участвуют в образовании связей. Это наиболее стабильная валентность для висмута.

Валентность -3: Эта валентность возникает, когда атом висмута присоединяет 3 электрона, чтобы завершить внешний p-уровень.

➡️ «Возбужденное» состояние

Чтобы проявить валентность +5, атом висмута должен перейти в возбужденное состояние.

Это происходит, когда один из спаренных s-электронов переходит на более высокий, пустой d-уровень.

Валентность +5: В возбужденном состоянии у атома висмута становится 5 неспаренных электронов: 3 с p-орбитали, 1 с s-орбитали и 1 с d-орбитали.

Все эти 5 электронов могут участвовать в образовании связей, что и приводит к валентности +5.

Для перехода в это состояние требуется значительная энергия, поэтому соединения с висмутом (V) менее стабильны и являются сильными окислителями.

Причина валентности кроется в его атомарном строении. Чтобы увидеть это наглядно, обратите внимание на: Электронную формулу атома висмута.

Отличия валентности от других элементов его группы

Главное отличие валентности от других элементов его группы (азот, фосфор, мышьяк, сурьма) заключается в стабильности валентности +3.

Для лёгких элементов (азот, фосфор, мышьяк):

Для них валентность +5 (когда используются все 5 внешних электронов) является более характерной или столь же стабильной, как и +3.

Например, фосфор образует очень стабильные соединения с валентностью +5, такие как P₂O₅ и PF₅.

Для висмута:

Благодаря эффекту инертной пары, валентность +3 является для него наиболее стабильной.

Соединения с валентностью +5 (BiF₅, Bi₂O₅) менее устойчивы и являются сильными окислителями, так как стремятся перейти в более стабильное состояние с валентностью +3.

Это свойство становится всё более выраженным по мере движения вниз по группе.

Отрицательная валентность:

Способность принимать электроны и проявлять валентность -3 (как в NH₃ или PH₃) резко ослабевает по мере увеличения атомного номера.

Для висмута соединения с валентностью -3, такие как BiH₃, крайне неустойчивы и разлагаются даже при комнатной температуре.

Примеры соединений всех валентностей

➡️ Валентность +3 (наиболее стабильная):

Оксид висмута (III) (Bi₂O₃) — используется в керамике и электронике.

Хлорид висмута (III) (BiCl₃) — используется в органическом синтезе.

Висмута нитрат (III) (Bi(NO₃)₃) — одна из наиболее распространенных солей висмута.

➡️ Валентность +5 (менее стабильная):

Фторид висмута (V) (BiF₅) — очень сильный окислитель.

Оксид висмута (V) (Bi₂O₅) — также сильный окислитель, неустойчив при нагревании.

➡️ Валентность -3 (очень редкая и нестабильная):

Висмутин (BiH₃) — очень неустойчивый газ, который быстро разлагается.

➡️ Другие валентности (+1, +2, +4) (очень редкие):

Соединения с такими валентностями крайне редки и, как правило, не существуют в виде простых молекул, а являются частью комплексных или кластерных структур.

Например, димерный ион висмута (Bi₂²⁺), который встречается в некоторых солях.

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

Пример решения, задача:

▶️ Дано:

Химическая формула Bi₂O₅.

⌕ Найти:

✨ Решение:

Определяем валентность кислорода. В оксидах кислород всегда имеет постоянную валентность, равную II.

Рассчитываем общую валентность всех атомов кислорода. В формуле Bi₂O₅ пять атомов кислорода. Их общая валентность: 5 × II = 10.

Определяем общую валентность висмута. Чтобы молекула была нейтральной, общая валентность двух атомов висмута должна быть равна общей валентности кислорода, то есть 10.

Находим валентность одного атома висмута. Делим общую валентность висмута на количество его атомов в соединении: 10 ÷ 2 = 5.

✅ Ответ:

Его валентность в соединении Оксид висмута (Bi₂O₅) равна V.

Часто задаваемые вопросы:

Сколько всего валентностей у висмута?

+3 и +5, крайне редко, +1, +2, +4 и -3.

Сколько валентных электронов?

У висмута 5 валентных электронов.

Почему валентность +3 самая стабильная?

Самая стабильная его валентность +3, потому что эффект инертной пары делает два электрона на s-орбитали менее склонными к участию в химических связях.

В результате в реакциях участвуют только три электрона с p-орбитали, что приводит к валентности +3.