Валентность плутония (Pu)

Теория:

Валентность плутония (Pu) — это способность образовывать в соединениях определенное количество химических связей.

Чаще всего проявляет валентность IV, (+4 наиболее устойчивая), а также II, III, V, VI, и VII (равную 0 сам химический элемент, в простом веществе, в соединениях не проявляет).

Относится к актиноидам , которые находятся в 7-м периоде периодической таблицы (в старой форме таблицы – III Б группе).

Причина переменной валентности (то есть может образовывать различное количество связей) из-за уникального строения его электронной оболочки как элемента-актиноида.

Причина кроется в том, что электроны находятся на нескольких внешних подоболочках, которые имеют очень близкие уровни энергии.

Как определить валентность плутония

Валентность плутония (Pu) можно определить несколькими способами:

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

✅ По периодической системе

Если бы Плутоний был обычным элементом, его валентность можно было бы легко предсказать. Но поскольку он является актиноидом, его ячейка в таблице говорит нам:

Начальная/Общая Валентность: Смотри на группу III Б → валентность III (Pu³⁺).

Фактическая Валентность: Смотри на Семейство Актиноидов → Валентность будет переменной (III, IV, V, VI, VII), с IV (Pu⁴⁺) как наиболее устойчивой формой в растворах.

Таким образом, таблица дает нам точку отсчета (III), но для полного определения всех возможных валентностей (II — VII) необходим анализ его электронной конфигурации.

✅ По электронной конфигурации

Электронная конфигурация плутония в основном состоянии: [Rn]5f⁶7s².

Переменная валентность возникает из-за низкой энергетической разницы между тремя внешними подоболочками: 5f, 6d и 7s.

Валентность II (+2): Возможна при отдаче или участии только двух электронов (7s²).

Валентность III (+3): Наиболее распространенная для актиноидов; возникает при участии двух 7s электронов и одного 5f электрона.

Валентность IV (+4): Наиболее стабильная форма. Достигается при участии 7s² и двух 5f электронов, что часто приводит к более симметричной и устойчивой конфигурации.

Валентность VII (+7): Самая высокая. Возникает при участии максимального числа электронов с этих внешних уровней, но это требует очень сильных окислителей и высокой энергии, что делает эту форму нестабильной.

✅ По соединению (Пример)

Валентность (степень окисления) элемента в соединении определяется на основе известных валентностей других атомов.

Рассмотрим соединение Диоксид плутония (PuO₂​).

Расчет:

Кислород (O): В большинстве соединений Кислород имеет постоянную валентность II (степень окисления −2).

Формула: В PuO₂​ есть один атом Плутония (Pu) и два атома Кислорода (O_2​).

Сумма Зарядов: Общая сумма степеней окисления в нейтральной молекуле равна нулю.

1. Степень окисления Pu + 2 ⋅ (Степень окисления O) = 0
2. Степень окисления Pu + 2 ⋅ (−2) = 0
3. Степень окисления Pu − 4 = 0
4. Степень окисление Pu = +4

Почему плутоний проявляет валентность II, III, IV, V, VI VII

➡️ Валентность II

Конфигурация ионов: [Rn]5f⁶.

Механизм: Достигается при участии (отдаче) только двух электронов с самого внешнего 7s-уровня.

Устойчивость: Крайне неустойчивая форма. Встречается очень редко и только в твердом состоянии при особых условиях (например, в соединениях PuCl₂​ или PuO), не существует в водных растворах.

➡️ Валентность III

Конфигурация ионов: [Rn]5f⁵.

Механизм: Участвуют два 7s-электрона и один электрон с внутреннего 5f-уровня.

Устойчивость: Стабильная форма (особенно в растворах) и характерна для актиноидов, поскольку она является аналогом лантаноидов. Формирует ион Pu³⁺.

➡️ Валентность IV

Конфигурация ионов: [Rn]5f⁴.

Механизм: Участвуют два 7s-электрона и два электрона с 5f-уровня. Это приводит к особо устойчивой конфигурации.

Устойчивость: Наиболее устойчивая форма плутония, особенно в кислых растворах. Формирует простой ион Pu⁴⁺ (например, в PuO₂​).

➡️ Валентность V

Конфигурация ионов: [Rn]5f³.

Механизм: Участвуют два 7s-электрона и три электрона с 5f-уровня.

Устойчивость: Неустойчивая форма. Плутоний в валентности V существует в виде иона плутонила PuO₂⁺​.

Он склонен к диспропорционированию (самопроизвольному переходу в более стабильные Pu (IV) и Pu (VI) формы).

➡️ Валентность VI

Конфигурация ионов: [Rn]5f².

Механизм: Участвуют два 7s-электрона и четыре электрона с 5f-уровня.

Устойчивость: Стабильная форма в сильно окисляющих растворах. Существует в виде иона плутонила PuO₂²⁺​.

➡️ Валентность VII

Конфигурация ионов: [Rn]5f¹.

Механизм: Шесть электронов с 5f-уровня и два 7s-электрона в теории могут участвовать в связи, но фактически степень окисления +7 достигается при участии семи электронов, включая возможные 6d электроны.

Устойчивость: Самая высокая и очень неустойчивая форма. Может быть получена только под воздействием сильных окислителей.

В водных растворах она быстро восстанавливается до Pu (VI).

Возможные валентности атома плутония в основном и «возбужденном» состояниях

➡️ Валентность III и IV (основное состояние)

Даже в относительно «спокойном» (невозбужденном) состоянии атом плутония имеет возможность использовать 7s-электроны и ближайшие к ним 5f-электроны.

Механизм: Участие двух 7s электронов плюс одного или двух 5f электронов приводит к наиболее стабильным и часто встречающимся валентностям III (+3) и IV (+4).

➡️ Валентность V, VI, и VII (возбужденные состояния)

Для достижения более высоких валентностей требуется значительная энергия (как при реакции с сильными окислителями), которая переводит атом в «возбужденное» состояние, делая доступными для связи больше электронов.

Механизм: При «возбуждении» в образование связей вовлекаются дополнительные электроны с внутреннего 5f-уровня (до четырех) и потенциально 6d-уровня.

Это позволяет достичь высоких валентностей V (+5), VI (+6), и максимально возможной VII (+7).

➡️ Валентность II (редкое состояние)

Эта самая низкая валентность возникает при участии только двух самых внешних 7s-электронов и требует особых условий (например, в твердом состоянии), чтобы стабилизировать это электронное состояние.

Отличия валентности плутония от других элементов его группы

➡️ Максимальный диапазон валентностей

Плутоний проявляет самый широкий диапазон стабильных степеней окисления среди всех актиноидов: от II до VII.

Сравнение:

Ac (Актиний), La (Лантан): Только стабильная III.

Th (Торий): Почти всегда IV.

Плутоний же активно использует формы III,IV,V,VI и VII.

➡️ Одновременное сосуществование

В водных растворах средней кислотности Плутоний уникален тем, что ионы Pu³⁺, Pu⁴⁺,PuO₂⁺​, и PuO₂^2+​ (т.е., Pu (III), Pu (IV), Pu (V) и Pu (VI)) могут находиться в равновесии.

Причина: Это происходит из-за близости окислительно-восстановительных потенциалов этих четырех пар.

Ни один из ионов не является достаточно сильным окислителем или восстановителем, чтобы полностью перевести все остальные формы в одну общую.

Следствие: Это делает химию Плутония чрезвычайно сложной и отличной от других актиноидов, которые обычно имеют одну доминирующую форму в растворе.

➡️ Наиболее устойчивая +4 (IV)

В то время как для начала ряда актиноидов (и лантаноидов) наиболее устойчивой формой является III (+3), для Плутония наиболее устойчивой формой является IV (+4).

Исключение: В самом начале ряда Ac и Th могут иметь III и IV соответственно, но для Плутония форма IV доминирует в кислотных условиях.

Примеры соединений всех валентностей

1. Валентность +2:

   PuCl₂ (Хлорид Плутония (II))

   PuO (Оксид Плутония (II))

2. Валентность +3:

   PuCl₃ (Хлорид Плутония (III))

   Pu₂(SO₄)₃ (Сульфат Плутония (III))

3. Валентность +4:

   Pu(OH)₄ (Гидроксид Плутония (IV))

   PuO₂ (Диоксид Плутония (IV))

4. Валентность +5:

   PuO₂(NO₃) (Нитрат Плутонила (V))

   PuO₂Cl (Хлорид Плутонила (V))

5. Валентность +6:

   PuF₆ (Гексафторид Плутония (VI))

   PuO₂(NO₃)₂ (Нитрат Плутонила (VI))

6. Валентность +7:

   Li₅PuO₆ (Литий-плутонат)

   Ba₃(PuO₅)₂ (Барий-плутонат)

Пример решения, задача:

Часто задаваемые вопросы: