Степень окисления ванадия (V): в соединениях, как определить, примеры

Теория:

Степень окисления ванадия в наиболее устойчивых соединениях равна +5, а также 0, +1, +2, +3, +4.

Это определяется его положением в периодической системе: ванадий — элемент 5‑й группы (побочная подгруппа), 4‑го периода.

Как переходный металл, он имеет пять валентных электронов на внешнем и предвнешнем уровнях (3d³4s²), которые он способен отдавать ступенчато, образуя широкий спектр соединений разного цвета.

В отличие от ванадия, для многих других элементов положение в таблице даёт лишь базовую информацию о степенях окисления.

Чтобы определить все возможные значения, используют электронную формулу.

Например:

Для фосфора (1s²2s²2p⁶3s²3p³) формула объясняет наличие трех неспаренных электронов и вакантных d-орбиталей, что позволяет ему проявлять степени окисления от -3 до +5;
Для хрома (1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹) — возможность достижения высшей степени окисления +6 за счёт участия всех шести валентных электронов, включая «провалившийся» электрон с s-уровня.

Ванадий наиболее стабилен в своей высшей степени окисления +5, где он приобретает электронную конфигурацию инертного газа аргона ([Ar]).

Рис. Степень окисления ванадия 0, +2, +3, +4, +5. Факторы, влияющие на СО — наличие трех d-электронов и двух s-электронов, возможность их последовательной отдачи.

Содержание страницы

Почему у ванадия переменные степени окисления?

Причина многообразия ванадия — наличие пяти валентных электронов на 3d и 4s подуровнях.

В простом веществе (V⁰): Пять валентных электронов принадлежат атому. Заряд равен 0. 3d [↑][↑][↑][ ][ ] 4s [↑↓].
В соединениях (V⁺⁵): Ванадий отдаёт все 5 электронов, достигая конфигурации аргона. Подуровни 4s и 3d пустеют. 3d [ ][ ][ ][ ][ ] 4s [ ].

Рис. 2 Схема окисления атома ванадия: атом V ([Ar] 3d³ 4s²) последовательно теряет электроны, достигая высшего состояния +5.

Степень окисления ванадия в соединениях

Ванадий — настоящий «хамелеон» в химии. Его растворы меняют цвет в зависимости от степени окисления: +2 (фиолетовый), +3 (зеленый), +4 (синий), +5 (желтый).

Оксид ванадия(V) (V₂O₅): V +5, O -2.
Оксид ванадия(IV) (VO₂): V +4, O -2.
Сульфат ванадила (VOSO₄): V +4, O -2, S +6.
Хлорид ванадия(III) (VCl₃): V +3, Cl -1.

Высшая степень окисления

Высшая степень окисления ванадия равна +5 (соответствует номеру группы). Это состояние наиболее характерно для кислородных соединений, таких как ванадаты.

Низшая степень окисления

Низшая равна 0 (металл в чистом виде).

Промежуточные степени окисления

+2, +3 — проявляют выраженные восстановительные свойства (легко отдают электроны дальше).
+4 — довольно устойчивая степень окисления, встречается в виде иона ванадила (VO²⁺).

Примечание: степень окисления +1, крайне не стабильная и очень редкая.

Как определить степень окисления ванадия

По таблице Менделеева

Ванадий (V) в таблице Менделеева находится в 5-й группе (VB), период — 4, блок — d-элемент. Высшая СО соответствует номеру группы — +5.

По электронной конфигурации

Электронная формула ванадия: [Ar] 3d³ 4s².
Сначала уходят 2 электрона с 4s-уровня (СО +2), затем последовательно три электрона с 3d-уровня (+3, +4, +5).

По валентности (Число связей)

Валентность ванадия в наиболее устойчивых соединениях (в степени окисления +5) равна V.

Это означает, что атом ванадия образует пять химических связей с более электроотрицательными элементами.

В оксиде ванадия (V) V₂O₅ каждый атом ванадия образует по пять связей с атомами кислорода, проявляя валентность V.
В соединениях ванадила (например, VOCl₃) ванадий также пятичленен: он связан двойной связью с кислородом и тремя одинарными связями с хлором, валентность — V.

Примечание: Ванадий — один из немногих металлов, способных проявлять валентность, равную пяти, благодаря наличию пяти валентных электронов на 3d и 4s орбиталях.

По химическому соединению (Алгебраический расчет)

Пример для NH₄VO₃ (метанавадат аммония): Сумма СО равна 0. Группа NH₄ имеет общий заряд +1, кислород -2. Обозначим ванадий за x.

(+1) + x + 3 · (-2) = 0 → 1 + x — 6 = 0 ⇒ x = +5.

Примеры степеней окисления ванадия

СО	Цвет в растворе	Примеры соединений
+5	Желтый	V₂O₅, KVO₃
+4	Синий	VO₂, VOSO₄
+3	Зеленый	V₂O₃, VCl₃
+2	Фиолетовый	VO, VCl₂

Шпаргалка для определения степени окисления ванадия

Представьте, что атом ванадия — это кошелёк, в котором 5 монет (4s²3d³).

0 — «кошелёк полный» (чистый металл V).
+2 — «отдали 2 s-монеты» (состояние +2).
+3 — «отдали 2 s-монеты и 1 d-монету» (состояние +3).
+4 — «в кошельке осталась всего 1 d-монета» (состояние +4).
+5 — «отдали всё до копейки» — достигли стабильного «нулевого баланса» аргона (состояние +5).

Ванадий химический элемент: свойства, применение в сверхпрочных сталях и катализаторах.

Пример решения задачи:

▶️ Дано:

Соединение: V₂O₅.

⌕ Найти:

Определите СО ванадия.

✨ Решение:

Кислород (O) имеет СО = −2. Сумма зарядов: 2 · x + 5 · (−2) = 0 → 2x − 10 = 0 → 2x = 10 → x = +5.

✅ Ответ:

V(+5).

Проверка знаний: Как определить Ванадий по таблице Менделеева

Отметьте три правильных утверждения для Ванадия (V):

1) В атомном ядре содержится ровно 23 протона.

2) Находится в пятом периоде и пятой группе.

3) Конфигурация валентных слоев: 3d³ 4s².

4) Высшая степень окисления равна +5.

5) Является s-элементом, как и кальций.

Показать верные ответы и пояснения

Правильные ответы: 1, 3, 4

1) Порядковый номер 23 — это паспорт ванадия.
3) Формула 3d³ 4s² объясняет наличие 5 валентных электронов.
4) Номер группы (5) определяет его высшую степень окисления +5.
2 — ошибка (период 4-й), 5 — ошибка (это d-элемент).

Часто задаваемые вопросы

Почему ванадий называют «химическим хамелеоном»?

Из-за его способности легко переходить между степенями окисления +2, +3, +4 и +5, каждая из которых имеет свой неповторимый цвет в водном растворе.

Какая степень окисления ванадия самая устойчивая?

Наиболее устойчивой является степень окисления +5, особенно в форме оксида V₂O₅ или ванадатов.

Имеет ли ванадий отрицательную степень окисления?

Это типичный металл. У него низкая электроотрицательность (1,63), поэтому ему гораздо выгоднее отдавать свои 5 валентных электронов, чем принимать чужие.