Lantánidos: Configuración electrónica y estados de oxidación

Introducción a los lantánidos

Los elementos del bloque f en la tabla periódica aparecen en dos series caracterizadas por el llenado de los orbitales 4f y 5f. La primera serie contiene los catorce elementos cerio a lutecio (elementos 58 a 71) y se denominan lantánidos porque aparecen después del lantano. La segunda serie (torio a lawrencio, elementos 90 a 103) aparece después del actinio y se denominan actínidos. La historia de los elementos de tierras raras abarca un largo período de más de 113 años desde 1774 (cuando se descubrió el itrio) hasta 1907 (cuando se descubrió el lutecio) con prometio preparado artificialmente mucho más tarde en 1926. Los elementos de tierras raras se reconocieron por primera vez como óxidos y de ahí el nombre de “tierras”.

Configuración electronica

Las configuraciones electrónicas del estado fundamental de los lantánidos se proporcionan en la tabla que está viendo en la pantalla:

La configuración electrónica del estado fundamental de los elementos lantánidos es generalmente del tipo (Xe) 4f n 6s 2 . El lantano está fuera de esta generalización, pero se incluye en la tabla por su trivalencia uniforme y otras similitudes. Entre los lantánidos, se encuentran excepciones al patrón 4f n 5d 0 6s 2 en tres casos.

Cerio, donde el aumento de la carga nuclear efectiva después del lantano es insuficiente para estabilizar la configuración 4f 2 5d 0 en comparación con 4f 1 5d 1 . La carga nuclear es insuficiente para contraer los orbitales 4f y reducir su energía muy por debajo del 5d.

El gadolinio tiene la configuración f 7 d 1 , consistente con nuestra expectativa de un caparazón f medio lleno estabilizado.

El lutecio también tiene la configuración f 1 4d 1 donde el último electrón se agrega más allá de la capacidad de la capa 4f.

Estados de oxidación

Los lantánidos son muy propensos a perder tres electrones y formar iones M 3+ . Aquí está la explicación. Vemos que hay un electrón en la capa 5d en todos los lantánidos. Pero el principio de Aufbau , que establece que en el estado fundamental de un átomo, un electrón entra primero en el orbital con la energía más baja y los electrones posteriores se alimentan en el orden de energías crecientes, nos dice que 5d se llena después de 4f. La regla aquí es que se agrega un electrón al lantano en la capa d y luego los electrones comienzan a acumularse en la capa 4f en los elementos consiguientes.

Ves esos electrones 4f 1 y 5d 1 en Ce. Como están solos en un orbital, son bastante fáciles de quitar. Los orbitales tienden a ser estables cuando están completamente llenos o exactamente a la mitad. Si un orbital se llena en una configuración que no es una de las dos anteriores, los electrones se pueden eliminar con relativa facilidad. Los electrones 4f y 5d en Ce se pueden eliminar sin mucho esfuerzo, por lo que Ce muestra tanto el estado +3 como el +4.

Para los átomos siguientes, el electrón salta de 5d a 4f como en Pr. Pero sigue siendo fácil eliminar los electrones. Para Nd, el cuarto electrón también puede eliminarse con cierta dificultad y, por lo tanto, Nd también muestra un estado +4. Pero algo interesante sucede después de esto para Pr. Cuando se alcanza el estado de oxidación +3, el átomo tiene una gran cantidad de carga positiva. Se vuelve bastante difícil eliminar más electrones. Por tanto, el estado estable permanece como solo +3.

Entonces, para resumir todo esto, el estado +3 estable es una batalla de dos parámetros. ¿Qué tan fácil es eliminar un electrón particular de un orbital en lugar de que el átomo pueda soportar más carga positiva? Esta colisión de fuerzas opuestas lleva a que +3 sea un estado estable, con pocos elementos que muestran también +2 estable, mientras que algunos muestran +4 también.

Resumen de la lección

Esta lección introdujo los quince elementos lantánidos , que se llaman así porque vienen después del lantano en la tabla periódica. Comienzan desde el lantano, que tiene el número atómico 57, hasta el lutecio, que tiene el número atómico 71. Los lantánidos tienen la configuración electrónica general del tipo (Xe) 4f n 6s 2 . Se denominan elementos 4f porque tienen subcapas 4f incompletas. Recuerde que el Principio Afbauestablece que en el estado fundamental de un átomo, un electrón entra primero en el orbital con la energía más baja y los electrones subsiguientes se alimentan en el orden de energías crecientes y nos dice que 5d se llena después de 4f. La eliminación de tres electrones es más fácil de las subcapas 4f, por lo que tienen un estado de oxidación estable de +3.