Валентность тория (Th)

Теория:

Валентность тория (Th) — это способность образовывать в соединениях определенное количество химических связей.

Чаще всего проявляет валентность, равную IV (в соединениях, со степенью окисления +4), а также 0 (в свободном состоянии). Редкие и неустойчивые валентности — III (+3) и II (+2).

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

Причина переменной валентности  IV, III и II (хотя IV доминирует), является его электронная конфигурация и доступность электронов с разных орбиталей.

Как определить валентность тория

Валентность тория можно определить несколькими способами:

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

✅ По периодической системе

Торий (Th, элемент №90) находится в:

Период: 7-й период.

Семейство: Актиноиды (в старой номенклатуре – III Б группа).

Особенность: Хотя Th находится рядом с Ac и является первым элементом, который начинает заполнять 5f-подуровень, его поведение уникально.

Большинство актиноидов проявляют валентность III, но торий чаще всего стремится к IV.

Вывод: Его положение как элемента, следующего за Ac, указывает на тенденцию к увеличению числа валентных электронов, что подтверждает его основную валентность IV.

✅ По электронной конфигурации

Электронная конфигурация тория подтверждает, почему валентность IV является доминирующей:

Сокращенная конфигурация: [Rn]5f⁰6d²7s²

Валентные электроны: Торий имеет 4 электрона на внешних и пред внешних орбиталях (2 электрона на 7s и 2 электрона на 6d).

Электроны 5f в основном состоянии Th не заняты (или не участвуют в образовании связей).

Стремление к стабильности: Для достижения максимально стабильной, завершенной оболочки инертного газа радона (Rn), атому энергетически выгодно отдать все эти четыре электрона.

Th → Th⁴⁺ + 4e⁻

Вывод: Его максимальная и наиболее устойчивая валентность, как правило, равна IV.

✅ По соединениям (пример)

Валентность тория всегда можно определить, зная постоянную валентность другого элемента в соединении.

Пример: Оксид тория (ThO₂​)

Известная валентность: Валентность кислорода (O) всегда II.

Суммарная валентность кислорода: В формуле ThO₂​ содержится 2 атома кислорода.

Суммарная валентность O = 2 × II = 4

Суммарная валентность тория: Общая валентность Th должна быть равна общей валентности O, то есть 4.

Валентность тория (X): Поскольку в формуле 1 атом тория:

X × 1 = 4

X = IV

Почему торий проявляет валентность +4, 0, +2, +3

➡️ Доминирующая валентность (IV или +4)

Валентность IV (степень окисления +4) является наиболее устойчивой и характерной для тория.

Причина: Атом тория имеет четыре валентных электрона (7s² и 6d²).

Отдача всех этих четырех электронов позволяет атому достичь максимально стабильной электронной конфигурации, идентичной инертному газу радону (Rn).

Стремление к стабильности: Этот переход в состояние Th4+ является энергетически очень выгодным.

➡️ Валентность 0

Валентность 0 не относится к химическим соединениям, а описывает простое вещество (чистый металлический торий).

В этом состоянии атомы связаны только металлическими связями и не образуют ковалентных или ионных связей с другими элементами.

➡️ Редкие и неустойчивые валентности (II или +2 и III или +3)

Валентности II и III (степени окисления +2 и +3) являются неустойчивыми, редкими или теоретическими в нормальных условиях:

Причина неустойчивости: Эти состояния образуются, когда торий отдает только два или три электрона, а не все четыре.

Оставшиеся электроны на внешних оболочках делают ионы Th²⁺ и Th³⁺ менее стабильными по сравнению с Th⁴⁺.

Наблюдение: Эти низкие состояния могут быть зафиксированы в газовой фазе, некоторых высокотемпературных галогенидах (например, ThI_2​ или ThCl_3​) или в твердых растворах.

Итог: Соединения Th(II) и Th(III) легко диспропорционируют (распадаются) и окисляются, стремясь перейти в гораздо более стабильное состояние Th(IV).

Возможные валентности атома в основном и «возбужденном» состояниях

➡️ Основное состояние

В основном состоянии атом тория имеет конфигурацию [Rn]5f⁰6d²7s².

Валентность: IV (четыре).

Причина: Атом стремится отдать все четыре внешних электрона (2 с 7s и 2 с 6d), чтобы достичь крайне стабильной электронной оболочки инертного газа радона (Rn).

Это состояние Th⁴⁺ энергетически наиболее выгодно.

Реальность: Это единственная стабильная валентность в химических соединениях.

➡️ «Возбужденное» состояние

Теоретически, атом тория может проявлять валентности II и III за счет неполного участия валентных электронов или возбуждения электронов на другие уровни.

Валентность: III (три) и II (два).

Причина: Эти состояния возникают, когда атом отдает только три (Th³⁺) или два (Th²⁺) электрона.

Реальность: Образование ионов Th²⁺ и Th³⁺ является энергетически невыгодным.

Энергии, необходимые для образования связей, недостаточно, чтобы компенсировать нестабильность иона.

Поэтому соединения с валентностями II и III неустойчивы в нормальных условиях и быстро окисляются до стабильного состояния IV.

Отличия валентности от других элементов его группы

➡️ Торий (Th): Фиксированная высокая валентность (IV)

Торий — это первый элемент в ряду актиноидов. Он имеет уникальное электронное строение (5f⁰6d²7s²), которое делает потерю четырех электронов (→Th4+) энергетически наиболее выгодной.

Причина: Достижение чрезвычайно стабильной, полностью завершенной оболочки инертного газа радона (Rn).

Следствие: Торий проявляет почти исключительно валентность IV в стабильных соединениях.

➡️ Остальные Актиноиды (U, Np, Pu и др.): Переменная валентность

Большинство последующих актиноидов (начиная с протактиния (Pa) и далее) активно используют электроны не только с внешних (7s, 6d) уровней, но и с внутренних 5f-орбиталей.

Причина: Энергии 5f и 6d электронов очень близки, что позволяет атому переключаться между ними.

Следствие: Они проявляют широкий спектр переменных валентностей (III, IV, V, VI, VII), при этом валентность III становится доминирующей только в конце ряда актиноидов (например, кюрий, калифорний).

Пример решения, задача:

Часто задаваемые вопросы: