Степень окисления вольфрама (W): в соединениях, как определить, примеры

Теория:

Степень окисления вольфрама (W)  от −4 до +6, но практически значимы только положительные степени окисления (+2, +3, +4, +5, +6) и 0 для металлического вольфрама.

Отрицательные степени окисления реализуются лишь в исключительных условиях (кластеры, интерметаллиды, экстремальные условия синтеза) и не образуют устойчивых соединений, поэтому не имеют практического значения.

Например для наиболее стабильной СО +6: в соединении WO₃ (оксид вольфрама VI) заряд иона металла равен +6.

Для сравнения, низшие СО: встречаются в таких веществах, как WCl₂ (хлорид вольфрама II) или WCl₅ (хлорид вольфрама V).

• Почему +6? Вольфрам находится в 6-й группе. Его конфигурация [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s² позволяет атому полностью задействовать все шесть валентных электронов для образования связей.
• Разнообразие форм: В отличие от легких аналогов, вольфрам охотно образует кластеры и полимерные структуры в низших степенях окисления (+2, +3, +4), где атомы металла связаны друг с другом.
• Устойчивость высшей формы: Достижение конфигурации с пустыми d- и s-орбиталями делает состояние +6 энергетически наиболее «спокойным» в присутствии кислорода или фтора.

Рис. 1. Весь спектр степеней окисления вольфрама: от 0 до +6. Превалирующая форма — +6 (ангидриды, вольфраматы), в то время как промежуточные значения часто встречаются в галогенидах.

Важно подчеркнуть, что химия вольфрама в высших состояниях демонстрирует склонность к образованию полианионов (изополи- и гетерополисоединений), что отличает его от типичных металлов начала таблицы.

На вариативность его характеристик влияют электронное строение (5d⁴ 6s²), значительный атомный радиус и электроотрицательность 1,7 по Полингу.

Почему +6 — самая стабильная степень окисления у вольфрама

Причина непоколебимости этого состояния заключается в возможности полной передачи валентных электронов на связывающие орбитали с сильными окислителями.

1. В простом веществе (W⁰): Заряд равен 0. Конфигурация: [Xe] 4f14 5d4 6s2.
2. В ионе (W⁺⁶): Вольфрам задействует все 6 внешних электронов. Конфигурация: [Xe] 4f14.

Рис. 2. Трансформация вольфрама: путь от нейтрального атома до устойчивого катиона +6 через последовательное удаление электронов с d- и s-подуровней.

Степень окисления вольфрама в соединениях

В зависимости от окружения, вольфрам в соединениях проявляет степень окисления, которая диктует его роль в промышленности — от катализаторов до сверхтвердых сплавов:

• Оксид вольфрама(VI) (WO₃): W +6, O -2.
• Карбид вольфрама (WC): W +4 (формально, в тугоплавких фазах).
• Гексафторид вольфрама (WF₆): W +6, F -1.
• Хлорид вольфрама(V) (WCl₅): W +5.
• Дисульфид вольфрама (WS₂): W +4.
• Карбонил вольфрама (W(CO)₆): W 0.

Высшая степень окисления

Высшая степень окисления W составляет +6. Она является доминирующей и наиболее важной для аналитической химии и производства вольфраматов.

Низшая степень окисления

Для вольфрама в металлоорганических комплексах возможна степень окисления -4.

Однако атом вольфрама имеет степень окисления 0 в виде компактного металла — это база для электротехнических применений.

Промежуточные степени окисления

Степень окисления вольфрама в веществах часто принимает значения +2, +3, +4 и +5.

Эти формы менее стабильны и склонны к диспропорционированию или окислению на воздухе до +6.

Важно: Вольфрамовые сини (смешанные оксиды) содержат металл одновременно в степени окисления вольфрама формула соединения которых включает значения +5 и +6, что придает им интенсивный синий цвет.

Почему вольфрам проявляет положительные степени (+2…+6), а не отрицательные?

Вектор заряда определяется его металлическими свойствами и положением в центре d-блока:

1. Положительная СО (+): Вольфрам выступает донором электронов, образуя полярные ковалентные и ионные связи с неметаллами.
2. Нулевая СО (0): Типична для самого тугоплавкого металла на планете.
3. Отрицательная СО (-): Редко фиксируется в особых комплексах с сильными донорами, так как металл стремится отдавать, а не принимать заряд.

4 способа определить степень окисления вольфрама

По таблице Менделеева

1. Семейство: d-элемент.
2. Валентные электроны: 6 (4 на 5d и 2 на 6s-подуровнях).
3. Атомная масса вольфрама: 183,8 а.е.м.

По валентности (Число связей)

Специфическая валентность вольфрама чаще всего равна VI, но может быть IV или V.

1. В ангидриде (WO₃): Атом вольфрама образует связи, отвечающие валентности VI, СО — +6.
2. В сульфиде (WS₂): Вольфрам проявляет валентность IV, СО — +4.

По электронной конфигурации

1. Электронная формула вольфрама: [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s².
2. Атому вольфрама степени окисления +6 достичь проще всего в химических реакциях с сильными агентами, так как это полностью опустошает валентные слои.

Для уточнения энергетических уровней используй таблицу квантовых чисел.

По химическому соединению (Алгебраический расчет)

Пример для WF₆ (гексафторид вольфрама):

Суммарная СО равна 0. Фтор (F) всегда -1. Примем W за x.

x + 6 · (-1) = 0 ⇒ x = +6

Примеры степеней окисления вольфрама

Шпаргалка для вольфрама

• +6 — главная степень окисления, определяющая промышленное применение.
• Тугоплавкость — вольфрам в СО 0 плавится при рекордных 3422 °C.
• Полиморфизм — вольфрам легко образует сложные цепочки и циклы в составе изополикислот.

Пример решения задачи:

Проверка знаний

1) Вольфрам является d-элементом 6-й группы.

2) Высшая степень окисления вольфрама (+6) совпадает с номером его группы.

3) Вольфрам никогда не проявляет степень окисления +4.

4) Формула высшего оксида вольфрама — WO₃.

5) Вольфрам может иметь отрицательные степени окисления в металлоорганических комплексах.

Часто задаваемые вопросы