Валентность протактиния (Pa)

Теория:

Валентность протактиния (Pa) — это способность образовывать в соединениях определённое количество химических связей.

Чаще всего проявляет валентность, равную +5 (наиболее устойчивая).

Нулевую валентность (0) проявляет сам химический элемент в свободном виде (чистый металл).

В соединениях также проявляет валентность +4, а также, реже, +3 и +2.

Относится к актиноидам, которые находятся в седьмом периоде периодической таблицы (в старой форме таблицы – III B группа).

Причина переменной валентности сложная электронная конфигурация внешних 5f-, 6d- и 7s-оболочек атома протактиния.

Содержание страницы

Как определить валентность протактиния

Валентность протактиния можно определить несколькими способами:

По периодической системе.
По электронной конфигурации.
По соединениям.

✅ По периодической системе

Протактиний (Pa, атомный номер 91) находится в ряду актиноидов.

Проявляет валентность V (+5) как его основную, потому что он находится в группе, аналогичной группе V B.

Однако, будучи актиноидом, он проявляет и другие, низшие валентности (+4, +3) из-за участия 5f-электронов.

Энергии внешних 7s-, 6d- и внутренних 5f-электронов очень близки.

Это позволяет атому легко использовать разное количество электронов для образования связей, что и приводит к переменной валентности (+2, +3, +4, +5).

✅ По электронной конфигурации

Протактиний может использовать для образования связи электроны с внешних подоболочек 7s, 6d и 5f.

+5 (наиболее стабильная): Атом отдает все 5 внешних электронов (5f² + 6d¹ + 7s²), оставляя стабильную конфигурацию благородного газа. Это наиболее распространенный случай.

+4: Атом отдает 4 электрона, что также относительно стабильно.

+3 и +2: Атом отдает 3 или 2 электрона, что встречается реже, но возможно.

✅ Определение по соединениям

Для это нужно знать валентность (или степень окисления) других, более электроотрицательных элементов.

Пример: Оксид протактиния (Pa₂O₅)

Известный элемент: Кислород (O) в оксидах почти всегда имеет степень окисления −2.

Общий заряд: В молекуле должно быть равенство положительных и отрицательных зарядов (общий заряд равен нулю).

Расчет:

В молекуле 5 атомов кислорода: 5 × (−2) = −10.

Значит, два атома протактиния (Pa) должны нести общий заряд +10.

Степень окисления Pa: (+10)/2 = +5.

Валентность: Протактиний проявляет валентность V.

Почему протактиний проявляет валентность 0, 5, 4, 3, 2

+5 (Наиболее Устойчивая): Протактиний отдает все 5 электронов с трех внешних подоболочек (5f² + 6d¹ + 7s²).

В этом состоянии он ведет себя как элементы V B группы (тантал и ниобий), поскольку его 5f-оболочка становится пустой.

+4 и +3 (Характерные): Проявляются, когда атом использует 7s и 6d электроны, а также один или два 5f-электрона.

В этих состояниях Pa ведет себя как типичный актиноид.

+2 (Редкая): Проявляется в особых условиях и обусловлена участием только самых внешних электронов.

(0) валентность: протактиний проявляет валентность 0 только как простое вещество (чистый металл).

Возможные валентности атома в основном и «возбужденном» состояниях

➡️ Основное состояние (наиболее устойчивые)

В основном состоянии, где элемент проявляет наибольшую стабильность в соединениях:

+5 (Валентность V): Это наиболее устойчивая и характерная валентность. Атом отдает все пять электронов с внешних оболочек (5f²6d¹7s²).

+4 (Валентность IV): Вторая по распространенности валентность.

➡️ «Возбужденные» состояния (менее устойчивые)

«Возбужденные» состояния отражают возможность использования меньшего количества электронов для образования связей, что приводит к менее устойчивым соединениям.

+3 (Валентность III): Проявляется в условиях, когда Pa ведет себя как типичный актиноид.

+2 (Валентность II): Встречается очень редко, обычно в специальных, высокотемпературных или восстановительных условиях.

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

Отличия валентности от других элементов его группы

Главное отличие протактиния от его вертикальных аналогов (Nb и Ta) состоит в следующем:

Имеет устойчивые низшие валентности (+4 и +3), в то время как для Nb и Ta валентность +5 является почти исключительной.

Это происходит потому, что у Pa впервые начинают активно участвовать в связях внутренние 5f-электроны, что характерно для всех актиноидов, но не для элементов над ним в V B группе.

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

Примеры соединений всех валентностей

Валентность +5 (Наиболее Устойчивая)
- Пентаоксид протактиния: Pa₂O₅
- Пентафторид протактиния: PaF₅
- Пентахлорид протактиния: PaCl₅
Валентность +4 (Устойчивая)
- Диоксид протактиния: PaO₂
- Тетрахлорид протактиния: PaCl₄
- Тетрабромид протактиния: PaBr₄
Валентность +3 (Редкая)
- Трихлорид протактиния: PaCl₃
- Трибромид протактиния: PaBr₃
Валентность +2 (Очень Редкая)
- Дихлорид протактиния: PaCl₂
Валентность 0 (металлический протактиний: Pa чистое вещество)

Пример решения, задача:

▶️ Дано:

Химическое соединение: пентахлорид протактиния (PaCl₅)

⌕ Найти:

Валентность, которую проявляет протактиний в этом соединении.

✨ Решение:

Сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле должна быть равна нулю (0).

Хлор (Cl), как более электроотрицательный элемент, проявляет постоянную степень окисления −1 в соединениях с металлами.

Обозначим неизвестную степень окисления Pa через x:

x(−1)
PaCl₅

Составим уравнение, приравнивая сумму всех зарядов к нулю:

(1 ⋅ x) + (5 ⋅ (−1)) = 0

Решим уравнение относительно x:

x − 5 = 0
x = +5

✅ Ответ:

Его валентность в соединении пентахлорид протактиния (PaCl₅) равна +5.

Часто задаваемые вопросы:

Сколько валентных электронов протактиния?

У него 5 валентных электронов.

Эти электроны расположены на внешних подоболочках: 5f²6d¹7s².

Почему валентность +5 самая стабильная ?

Потому, что при отдаче всех пяти валентных электронов (5f²6d¹7s²), атом протактиния приобретает конфигурацию стабильной инертной оболочки (полностью пустая 5f-оболочка и полностью заполненная 6p-оболочка).

Сколько всего возможных валентностей у протактиния?

У него всего пять возможных валентностей: 0,+2,+3,+4,+5