¿Por qué el estado de oxidación +3 es tan común y estable en los lantánidos?

Hay dos partes de este asunto, una es la razón por la cual el estado de oxidación no ha sido mayor y la otra es la razón por la cual no es inferior a +3.

La ausencia de estados superiores a 3+ para los lantánidos se debe principalmente a la estabilización mucho mayor de los orbitales 4f en comparación con 5d y 6. El orden de penetración de los orbitales en el núcleo interno del electrón es 4f> 5d> 6 s. Los electrones 4f son los más cercanos al núcleo y son los más atraídos por él. Ahora, a medida que la ionización sucesiva aumenta la carga neta en el catión lantánido, estando más cerca del núcleo, los electrones 4f se acercan aún más que los electrones 5d y 6s. Por lo tanto, es Ln3 +, los electrones 4f son demasiado fuertemente atraídos por el núcleo para ser ionizados aún más, ya que requerirá una gran energía para él, por lo que generalmente no se ven estados superiores a +3.

Ce y Pr son excepcionales, ya que son al comienzo de la serie, por lo que la carga nuclear efectiva no es tan alta como para poder atraer los electrones 4f mucho más que 5d y 6s.Tb + 4 es estable debido a que tiene una carga completa 4f concha.

Podría haber estados de oxidación más bajos, pero eso no sucede debido a la menor energía de hidratación de los cationes +2 en comparación con los iones +3 debido a que los cationes +2 tienen una densidad de carga más baja. Aquí, también hay excepciones como Eu + 2 e Yb + 2, que se debe a que el estado +2 tiene un nivel 4f medio lleno y un nivel 4f completamente lleno, respectivamente.

Los Lantánidos tienen la configuración electrónica general de [matemáticas] {[Xe}] [/ matemáticas] [matemáticas] {4f} ^ {n} {6s} ^ {2} [/ matemáticas] con la excepción de La, Di-s y Lu que tienen un electrón 5d.

El estado +3 es el más estable, aunque a primera vista puede esperar que +2 se forme más fácilmente por la pérdida de los 2 electrones de valencia 6s.

Sin embargo, este es solo un factor cuando se considera relativo estabilidad en sistemas acuosos. Hay varios factores que pueden afectar esto, como el pH o el tipo de ligando. Sugiero, tentativamente, que existe una situación similar a la existente entre el cobre (I) y el cobre (II). Un ión [matemático] {M} ^ {2 +} [/ matemático] tendrá una entalpía de baja hidratación en comparación con [matemático] {M} ^ {3 +} [/ matemático]. El ion [math] {M} ^ {2 +} [/ math] es más grande y menos cargado, por lo que su densidad de carga será menor, por lo que su entalpía de hidratación será menor.

La tabla anterior contiene la configuración de electrones atómicos de los elementos lantánidos que pueden ser una referencia (se omite la capa más externa de [math] 6s ^ 2 [/ math], tabla de wikipedia).

Cuando estos elementos forman iones, los electrones de la capa externa deben perderse preferentemente, los electrones [matemáticos] 4f ^ n [/ matemáticos] deben ser inertes debido al bloqueo de [matemáticos] 5s ^ 25p ^ 6 [/ matemáticos].

Pero también debemos darnos cuenta de que todos los lantánidos son de gran radio atómico para que puedan tener altos números de coordinación para estabilizarse, ya sea en estado sólido o acuoso. El alto número de coordinación necesita que el ion central tenga más carga positiva para contrarrestar el campo negativo generado por los ligandos. Entonces, después de perder los electrones de la capa más externa como [matemática] 6s ^ 2 [/ matemática] así como los electrones [matemática] 5d [/ matemática] (si tiene), algunos lantánidos tienden a perder uno más [matemática] 4f [/ math] electron para ganar estabilidad representa una energía totalmente mínima.

En realidad, hay otros factores que afectarán la configuración de los electrones, como la estabilidad total o media del depósito debido a la Regla de Hund, la existencia de oxidante / reductor, etc.

En una palabra, la naturaleza prefiere un estado de baja energía.

Estimado, qué estado de oxidación adquirirá un átomo en un compuesto dado en una condición dada es principalmente un problema de termodinámica, es decir, un átomo generalmente existe en ese estado de oxidación, lo que proporcionará la máxima estabilidad posible de ese lado a ese compuesto en condiciones dadas En cuanto a las lanthanonas, la formación de Ln3 + requiere menos energía (tres energías de ionización consecutivas), su formación es un poco fácil, además, el hecho de que +3 sea muy grande también estabiliza sus sales (termodinámicamente) a altas energías de celosía. Esperando que lo consigas.

Los lantánidos tienen una configuración electrónica idealizada de [matemáticas] [Xe] 4f ^ n 5d ^ 1 6s ^ 2 [/ matemáticas]. Entonces, cuando pierden tres electrones, alcanzan una configuración electrónica de [matemáticas] [Xe] 4f ^ n [/ matemáticas]. Por lo tanto, los iones 3+ tienen una capa de valencia cerrada y una subcapa de d más externa cerrada.

cuando pierden tres electrones alcanzan una configuración electrónica de [X e] 4 fn. Por lo tanto, los iones 3 + tienen una capa de valencia cerrada y una subcapa de d más externa cerrada. Principalmente, cualquier compuesto se forma para aumentar la estabilidad o, en otras palabras, para disminuir la energía.

Principalmente, cualquier compuesto se forma para aumentar la estabilidad o, en otras palabras, para disminuir la energía. Eso es en química llamada entalpía de un proceso. Más la entalpía negativa de la reacción, más espontánea será la reacción (otros factores como el conteo de entropía, pero esto es solo para comprender).

Por experimentos se ve que la energía libre de ionización de los lantánidos apoya la formación del estado de oxidación +3. Eso es hasta que se alcanza el estado de oxidación +3, el valor de la entalpía es menor y es factible por otros iones.

Espero que lo tengas.

Gracias.

Actualizar:-

Los lantánidos se encuentran en el grupo 3 de la tabla periódica, por lo que, al igual que otros átomos del grupo 3 tienen un estado de oxidación +3, la respuesta más apropiada sería +3, ya que se encuentra en el grupo 3.