Валентность церия (Ce)

Теория:

Валентность церия (Ce) — это способность образовывать в соединениях определённое количество химических связей.

Поэтому церий чаще всего проявляет валентность, равную +3 и +4.

Он относится к лантаноидам, которые находятся в 6-м периоде периодической таблицы (в старой форме таблицы – побочная подгруппа III группы).

Причина переменной валентности: переменная валентность церия (+3 и +4) обусловлена его уникальной электронной конфигурацией.

У церия есть электроны, которые находятся на разных, но очень близких по энергии орбиталях: 6s, 5d и 4f.

Как определить валентность церия

Валентность церия можно определить несколькими способами:

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

✅ По периодической системе

Церий (Ce) находится в 6-м периоде и является первым элементом в группе лантаноидов.

Хотя он находится в III группе (побочная подгруппа), его валентность отличается от валентности других элементов этой группы (скандия, иттрия, лантана), которые имеют постоянную валентность III.

Уникальное положение церия как начального элемента лантаноидов позволяет ему проявлять переменную валентность (+3 и +4).

✅ По электронной конфигурации

Валентность церия напрямую связана с тем, сколько электронов он отдаёт с внешних и пред внешних энергетических уровней.

Электронная конфигурация атома церия:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰4f¹5s²5p⁶5d¹6s²

Валентность +3: В этом случае церий отдаёт три электрона: два с внешней 6s-орбитали и один с 5d-орбитали.

Конфигурация иона Ce³⁺: 1s²2s²2p⁶…5s²5p⁶4f¹.

Этот ион относительно стабилен, так как три электрона находятся на внешних, наиболее доступных орбиталях.

Валентность +4: Это более стабильное состояние. Церий отдаёт четыре электрона: два с 6s-орбитали, один с 5d-орбитали и один с 4f-орбитали.

Конфигурация иона Ce⁴⁺: 1s²2s²2p⁶…5s²5p⁶4f⁰.

Это состояние является более энергетически выгодным, так как ион Ce⁴⁺ имеет электронную оболочку, аналогичную оболочке инертного газа ксенона (Xe), что делает его очень устойчивым.

✅ По химическим соединениям

Валентность церия в конкретном соединении можно определить по валентности другого, известного элемента.

На примере оксида церия (CeO₂​):

Валентность кислорода: У кислорода она постоянна и равна II.

Расчёт: В соединении CeO₂​ два атома кислорода имеют общую валентность 2 × II = 4.

Чтобы уравновесить связи, один атом церия должен иметь валентность IV.

Вывод: В этом соединении церий проявляет валентность +4.

Почему у церия валентности +3 и +4

Переменная валентность церия (Ce) (+3 и +4) объясняется особенностями его электронной конфигурации и энергетической близостью внешних и пред внешних орбиталей.

Церий может отдавать разное количество электронов, чтобы достичь более стабильного состояния.

➡️ Валентность +3

Это наиболее распространённая валентность для всех лантаноидов. Она возникает, когда церий отдаёт три электрона:

1. Два электрона с внешней 6s-орбитали.
2. Один электрон с пред внешней 5d-орбитали.

Электронная конфигурация атома церия: [Xe]4f¹5d¹6s². Конфигурация иона Ce³⁺: [Xe]4f¹.

Отдача этих трёх электронов делает ион Ce³⁺ относительно стабильным, но он всё ещё может быть окислен до более высокого состояния.

➡️ Валентность +4

Это более стабильная и энергетически выгодная валентность для церия.

Она образуется, когда церий отдаёт четыре электрона:

1. Два электрона с 6s-орбитали.
2. Один электрон с 5d-орбитали.
3. Один электрон с 4f-орбитали.

Конфигурация иона Ce⁴⁺: [Xe]4f⁰.

В этом случае ион церия приобретает электронную конфигурацию инертного газа ксенона ([Xe]), которая характеризуется полностью заполненными внешними оболочками.

Это делает его очень устойчивым и несклонным к дальнейшим химическим превращениям.

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

Валентности атома церия в основном и «возбуждённом» состояниях

Термины «основное» и «возбуждённое» состояния не совсем подходят для объяснения валентности церия.

Эти понятия чаще применяются к элементам, которые имеют неспаренные электроны в основном состоянии и образуют больше связей после «возбуждения» (перехода электронов на более высокие орбитали), как, например, фосфор или сера.

В случае церия мы говорим о стабильности ионов с разным количеством отданных электронов.

Оба состояния (+3 и +4) существуют в основном состоянии атома, а их реализация зависит от условий реакции и того, какое из них более энергетически выгодно.

Валентность +4 — это результат стремления атома к конфигурации инертного газа, что является мощным движущим фактором в химии.

Отличия валентности от других элементов 3-й группы

Самое главное отличие валентности церия от других элементов 3-й группы (скандия, иттрия и лантана) заключается в том, что церий имеет переменную валентность (+3 и +4), в то время как остальные элементы этой группы проявляют постоянную валентность +3.

➡️ Общее свойство

Все элементы 3-й группы имеют три валентных электрона и, как правило, образуют ионы с зарядом +3.

Это их наиболее стабильное и распространённое состояние.

➡️ Ключевое отличие

Уникальность церия в том, что он может отдавать четыре электрона, а не только три. Это связано с его особой электронной конфигурацией [Xe]4f¹5d¹6s².

Скандий, иттрий и лантан отдают три электрона с внешних оболочек, после чего их ионы (Sc³⁺,Y³⁺,La³⁺) становятся стабильными.

Церий может отдать четвёртый электрон с 4f-подуровня.

Отдача этого электрона делает ион церия (Ce⁴⁺) ещё более стабильным, так как его электронная оболочка становится идентичной оболочке инертного газа ксенона ([Xe]).

Это создаёт две устойчивые валентности (+3 и +4) и отличает церий от его «соседей» по группе.

Примеры соединений

Валентность +3:

1. Оксид церия (III): Ce₂​O₃​
2. Сульфат церия (III): Ce₂​(SO₄​)₃​

Валентность +4:

1. Оксид церия (IV): CeO_2​
2. Фторид церия (IV): CeF₄

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

Пример решения, задача:

Часто задаваемые вопросы: