Door John Brennan
Bijgewerkt op 24 maart 2022

Wolfraam (atoomnummer 74) is een dicht, grijs metaal dat bekend staat om zijn uitzonderlijk hoge smeltpunt en uitstekende mechanische eigenschappen. Hoewel de bekendste rol ervan ligt in de gloeidraden van gloeilampen, vloeit het industriële belang ervan grotendeels voort uit de productie van wolfraamcarbide en het gebruik ervan in hogetemperatuurlegeringen. De kern van deze toepassingen ligt in de aard van de bindingen die wolfraamatomen bij elkaar houden.

Elektronenconfiguratie

In zijn geïsoleerde grondtoestand heeft een wolfraamatoom de elektronische configuratie [Xe]4f ¹⁴  5d ⁴  6s ² . Wanneer atomen zich echter in een kristalrooster nestelen, verschuiven de energieniveaus:de 5d-subschil wordt volledig bezet (vijf elektronen), terwijl de 6s-subschil één enkel elektron bevat. De 5d-elektronen zijn in staat directionele, covalente interacties te vormen die relatief gelokaliseerd zijn tussen naburige atomen, terwijl de 6s-elektronen delocaliseren over het rooster.

Metaalbinding

In de vaste toestand gedragen de gedelokaliseerde 6s-elektronen zich als een ‘zee’ van mobiele lading die het metaal doordringt. Dit elektronengas bindt de positief geladen wolfraamkernen samen, waardoor het materiaal zijn karakteristieke metallische binding krijgt. De overlap van veel atomaire orbitalen creëert een dichte band van energieniveaus die elektronen kunnen innemen, wat de hoge elektrische geleidbaarheid van wolfraam en zijn weerstand tegen vervorming verklaart.

Kristalstructuur en fysieke eigenschappen

Wolfraam kristalliseert in verschillende allotropen:de meest voorkomende is de lichaamsgecentreerde kubieke alfafase, die thermodynamisch het meest stabiel is. Er bestaat ook een bètafase bij hoge temperatuur; bij afkoeling verandert de bètastructuur in alfa. De metaalbinding, gecombineerd met een dichte opeenhoping van atomen, resulteert in een metaal dat zowel kneedbaar als ductiel is – typische eigenschappen van metalen waarbij atomen niet opgesloten zitten in een stijf rooster zoals diamant.

Wolfraamverbindingen

Wanneer wolfraam reageert met niet-metalen elementen of liganden, vormt het coördinatiecomplexen en covalente verbindingen. De gedeelde elektronenaard van deze bindingen staat in contrast met de metallische binding in het elementaire metaal. De oxidatietoestanden van wolfraam in dergelijke verbindingen variëren van –2 tot +6, wat de diversiteit van de chemie weerspiegelt. Bij verhoogde temperaturen oxideert wolfraam gemakkelijk; dit is de reden waarom gloeilampen gevuld zijn met inerte gassen, om degradatie van de gloeidraad te voorkomen.