Валентность иттербия (Yb)

Теория:

Валентность иттербия (Yb) — это способность атома образовывать в соединениях определенное количество химических связей.

Поэтому: иттербий чаще всего проявляет валентность, равную +3, и реже — +2.

Иттербий относится к лантаноидам, которые находятся в 6-м периоде периодической таблицы (в старой форме таблицы – III B-группа).

Причина переменной валентности иттербия (+2 и +3) объясняется особенностями строения его электронной оболочки. [Xe] 4f¹⁴ 6s².

Как определить валентность иттербия

Валентность иттербия можно определить несколькими способами:

1. По периодической системе.
2. По электронной конфигурации.
3. По соединениям.

✅ По периодической системе элементов

Иттербий (Yb) находится в 6-м периоде и относится к группе лантаноидов (редкоземельных элементов).

Для всей этой группы наиболее характерна и стабильна валентность +3.

Однако иттербий, наряду с европием и самарием, является исключением, так как он также может проявлять относительно стабильную валентность +2.

Это связано с особенностями его электронной структуры, которая делает потерю двух электронов энергетически выгодной, приводящей к полностью заполненной f-оболочке.

✅ По электронной конфигурации

Электронная конфигурация атома иттербия (атомный номер 70) выглядит так: [Xe] 4f¹⁴ 6s².

Валентность +3: Это наиболее распространённая валентность.

Атом иттербия теряет два электрона с внешней 6s-оболочки и один электрон с внутренней 4f-оболочки.

В результате образуется ион Yb³⁺ с электронной конфигурацией [Xe] 4f¹³.

Эта потеря трех электронов является энергетически выгодной для лантаноидов в целом.

Валентность +2: Иттербий также может проявлять валентность +2, что является довольно стабильным состоянием.

В этом случае атом иттербия теряет только два электрона с внешней 6s-оболочки.

При этом внутренняя 4f-оболочка остаётся полностью заполненной (4f¹⁴), что придает иону Yb²⁺ (конфигурация [Xe] 4f¹⁴) дополнительную устойчивость.

Эта полная заполненность f-оболочки объясняет относительную стабильность двухвалентного иттербия по сравнению с другими лантаноидами.

✅ По соединениям (пример)

Валентность элемента в соединении можно определить, зная валентность других элементов.

Пример: Оксид иттербия (Yb₂O₃)

Кислород (O) в оксидах всегда имеет валентность −2.

В формуле три атома кислорода, что даёт суммарную валентность: 3 × (−2) = −6.

Чтобы соединение было электронейтральным, два атома иттербия должны иметь суммарную валентность +6.

Следовательно, валентность одного атома иттербия составляет: (+6) / 2 = +3.

Почему иттербий проявляет валентность +3, +2

Это объясняется спецификой его электронной конфигурации и энергетической стабильности образующихся ионов.

Чаще используется сокращённая форма, где [Xe] представляет электронную конфигурацию ксенона (инертного газа, предшествующего иттербию): [Xe] 4f¹⁴ 6s².

Эта конфигурация показывает, что:

У иттербия есть полностью заполненная внутренняя 4f-оболочка (4f¹⁴).

На самой внешней оболочке (6s-оболочка) находятся два электрона (6s²).

➡️ Валентность +3 (наиболее распространённая и стабильная)

Это типичная и наиболее стабильная валентность для большинства лантаноидов, включая иттербий.

Валентность +3 достигается, когда атом иттербия теряет три электрона:

1. Два электрона с внешней 6s-оболочки: Эти электроны находятся на самом дальнем от ядра энергетическом уровне и, следовательно, наименее прочно связаны, что делает их удаление энергетически выгодным.
2. Один электрон с внутренней 4f-оболочки: После потери этого электрона в 4f-подуровне остаётся 13 электронов.

Таким образом, ион Yb³⁺ имеет электронную конфигурацию [Xe] 4f¹³.

Хотя конфигурация 4f¹³ не является идеально стабильной (как полностью заполненная или наполовину заполненная f-оболочка), потеря трёх электронов в целом энергетически более выгодна для лантаноидов в водных растворах и многих соединениях.

➡️ Валентность +2 (относительно стабильная)

Иттербий является одним из немногих лантаноидов (наряду с европием и самарием), который проявляет относительно стабильную валентность +2.

Это объясняется особой электронной структурой:

1. Атом иттербия теряет только два электрона с внешней 6s-оболочки.
2. При этом внутренняя 4f-оболочка остаётся полностью заполненной (4f¹⁴).

Таким образом, ион Yb²⁺ имеет электронную конфигурацию [Xe] 4f¹⁴.

Полностью заполненная электронная оболочка (как 4f¹⁴ в данном случае) является очень стабильной конфигурацией с точки зрения квантовой механики (аналогично стабильности заполненных p-оболочек у инертных газов).

Эта дополнительная стабильность 4f¹⁴ конфигурации делает двухвалентное состояние иттербия значительно более устойчивым и наблюдаемым в химических соединениях, чем двухвалентные состояния большинства других лантаноидов.

Соединения Yb (II) (например, YbCl₂, Yb₂SO₄) существуют, но они являются сильными восстановителями, так как стремятся перейти в более распространённое состояние Yb³⁺.

Возможные валентности атома в основном и «возбужденном» состояниях

Для лантаноидов валентность определяется скорее энергетической выгодой при потере определённого количества электронов с внешних и внутренних оболочек, приводящей к стабильным электронным конфигурациям.

Тем не менее, если мы пытаемся применить эту терминологию, то можно сказать следующее:

➡️ Валентность +2 (основное или «предпочтительное» состояние для потери 2 электронов):

В этом случае атом иттербия теряет два электрона с внешней 6s-оболочки.

При этом внутренняя 4f-оболочка остаётся полностью заполненной (4f¹⁴).

Ион Yb²⁺ имеет электронную конфигурацию [Xe] 4f¹⁴.

Полностью заполненная f-оболочка очень стабильна и энергетически выгодна, что делает валентность +2 для иттербия относительно устойчивой и наблюдаемой.

Это можно рассматривать как одно из основных состояний, когда речь идет о формировании ионов.

➡️ Валентность +3 (наиболее распространённое состояние для ионов в растворе):

Это наиболее характерная валентность для лантаноидов.

Атом иттербия теряет два электрона с внешней 6s-оболочки и один электрон с внутренней 4f-оболочки.

Ион Yb³⁺ имеет электронную конфигурацию [Xe] 4f¹³.

Несмотря на то что 4f-оболочка не является полностью заполненной, потеря этих трёх электронов (особенно в водных растворах) является энергетически выгодной и приводит к формированию доминирующего иона.

Здесь нет «возбуждения» электрона на более высокий уровень, а происходит прямое отрывание электрона.

Примеры соединений всех валентностей

➡️ Соединения с валентностью +3 (наиболее распространённые и стабильные)

Оксид иттербия (III): Yb₂O₃

В этом соединении иттербий находится в степени окисления +3. Это белый порошок, основной оксид.

Хлорид иттербия (III): YbCl₃

Наиболее распространённый галогенид. Бесцветное, гигроскопичное вещество, хорошо растворимое в воде.

Сульфат иттербия (III): Yb₂(SO₄)₃

Часто встречается в виде гидратов (например, с 8 молекулами воды).

Нитрат иттербия (III): Yb(NO₃)₃

Используется в химии лантаноидов, как и другие их нитраты.

➡️ Соединения с валентностью +2 (относительно стабильные, но менее распространённые)

Эти соединения менее стабильны, чем трёхвалентные, и являются сильными восстановителями.

Дийодид иттербия (II): YbI₂

Светло-зелёное или жёлтое твёрдое вещество. Является сильным восстановителем.

Дибромид иттербия (II): YbBr₂

Также проявляет восстановительные свойства.

Сульфат иттербия (II): YbSO₄

Это соединение существует, но оно весьма реакционноспособно и легко окисляется на воздухе.

Оксид иттербия (II): YbO

Чёрное твёрдое вещество, образуется при высоких температурах и имеет специфические свойства.

Пример решения, задача:

Часто задаваемые вопросы: