ВОЛЬФРАМ: ІСТОРІЯ, ВЛАСТИВОСТІ, СТРУКТУРА, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Вольфраму , вольфрам або вольфрам важкого металу є перехідний, хімічний символ У. розташовані в період з 6 групи 6 Періодичної таблиці, і атомний номер 74. Його назвою має два етимологічних значень: твердий камінь і вовча піна; Друга - тому, що цей метал також відомий як вольфрам.

Це сріблясто-сірий метал і, хоча він крихкий, має велику твердість, щільність, високі температури плавлення та кипіння. Тому він застосовується у всіх тих сферах застосування, які передбачають високі температури, тиск або механічні сили, такі як свердла, снаряди або нитки, що випромінюють випромінювання.

Вольфрамовий брусок з його частково окисленою поверхнею. Джерело: Зображення високої здатності хімічних елементів

Найбільш відоме використання цього металу на культурному та популярному рівні - в нитках електричних лампочок. Хто звертався з ними, той зрозуміє, наскільки вони крихкі; однак вони не виготовлені з чистого вольфраму, який є ковким і пластичним. Крім того, в металевих матрицях, таких як сплави, він забезпечує відмінну стійкість і твердість.

Він характеризується та відрізняється тим, що метал має найвищу температуру плавлення, а також більш щільний, ніж сам свинець, перевершений лише іншими металами, такими як осмій та іридій. Так само це найважчий метал, який, як відомо, виконує певну біологічну роль в організмі.

Аніон вольфрама, WO ₄ ^2- , бере участь у більшості своїх іонних сполук , які можуть полімеризуватися, утворюючи кластери в кислому середовищі. З іншого боку, вольфрам може утворювати інтерметалічні сполуки або спікатися з металами або неорганічними солями, щоб його тверді речовини набували різної форми або консистенції.

Земна кора не дуже рясна, лише 1,5 грама цього металу на тонну. Крім того, оскільки він є важким елементом, його походження є міжгалактичним; конкретно від вибухів наднової, які, мабуть, підкинули «струмені» атомів вольфраму до нашої планети під час її утворення.

Історія

Етимологія

Історія вольфраму чи вольфраму має два обличчя, як і їхні імена: одне швейцарське, а друге німецьке. У 1600-х роках у регіонах, які зараз окуповані Німеччиною та Австрією, шахтарі працювали на видобутку міді та олова для отримання бронзів.

На той час шахтарі опинилися з шипом: в процесі розплавлення був надзвичайно важкий мінерал; мінерал, що складається з вольфраміту, (Fe, Mn, Mg) WO ₄ , який зберігав або «пожирав» олово, як ніби вовк.

Звідси етимологія цього елемента, «вовк» для вовка по-іспанськи, вовк, який їв олово; і «таран» з піни або крему, кристали якого нагадували довге чорне хутро. Таким чином, назва «вольфрам» або «вольфрам» виникла на честь цих перших спостережень.

У 1758 році, зі швейцарської сторони, аналогічний мінерал, шееліт, CaWO ₄ , був названий «tung sten», що означає «твердий камінь».

Обидва назви, вольфрам і вольфрам, широко використовуються взаємозамінно, залежно лише від культури. Наприклад, в Іспанії та в Західній Європі цей метал найбільш відомий як вольфрам; тоді як на американському континенті переважає назва вольфраму.

Визнання та відкриття

Тоді було відомо, що між XVII-XVIII століттями існували два корисні копалини: вольфраміт і шейліт. Але хто бачив, що в них є метал, відмінний від інших? Їх можна було охарактеризувати лише як мінерали, і саме в 1779 році ірландський хімік Петер Вулф ретельно проаналізував вольфрам і вивів існування вольфраму.

З боку Швейцарії, знову ж таки, Карлу Вільгельму Шеле в 1781 році вдалося виділити вольфрам як WO ₃ ; і навіть більше, він отримував вольфрамову (або вольфрамову) кислоту, H ₂ WO ₄ та інші сполуки.

Однак цього було недостатньо, щоб дістатися до чистого металу, оскільки потрібно було зменшити цю кислоту; тобто піддають його такому процесу, що він відривається від кисню і кристалізується як метал. Карл Вільгельм Шееле не мав відповідних печей чи методології для цієї хімічної реакції відновлення.

Саме тут вступили в дію іспанські брати д'Елхуяр, Фаусто і Хуан Хосе, які зменшили обидва корисні копалини (вольфраміт і шееліт) у місті Бергара. Двоє з них удостоєні заслуги та честі бути відкривачами металевого вольфраму (W).

Сталі і колби

Будь-яка лампочка з вольфрамовою ниткою. Джерело: Pxhere.

Як і інші метали, його використання визначає його історію. Серед найвизначніших наприкінці 19 століття стали сталь-вольфрамові сплави та вольфрамові нитки для заміни вуглецю в електричних лампочках. Можна сказати, що перші лампочки, як ми їх знаємо, були продані в 1903-1904 роках.

Властивості

Зовнішність

Це блискучий сріблясто-сірий метал. Тендітна, але дуже жорстка (не плутати з міцністю). Якщо шматок відрізняється високою чистотою, він стає ковким і твердим на стільки ж або більше, як кілька сталей.

Атомне число

74.

Молярна маса

183,85 г / моль.

Точка плавлення

3422 ° С.

Точка кипіння

5930 ° С.

Щільність

19,3 г / мл

Тепло синтезу

52,31 кДж / моль.

Тепло випаровування

774 кДж / моль.

Молярна теплоємність

24,27 кДж / моль.

Твердість Моха

7.5.

Електронегативність

2,36 за шкалою Полінга.

Атомне радіо

139 вечора

Електричний опір

52,8 нОм · м при 20 ° С.

Ізотопи

Він зустрічається переважно в природі у вигляді п'яти ізотопів: ¹⁸² Вт, ¹⁸³ Вт, ¹⁸⁴ Вт, ¹⁸⁶ Вт і ¹⁸⁰ Вт. За молярною масою 183 г / моль, що в середньому атомних мас цих ізотопів (та інших тридцять радіоізотопів), кожен атом вольфраму чи вольфраму має близько ста десяти нейтронів (74 + 110 = 184).

Хімія

Це метал, що відрізняється високою стійкістю до корозії, оскільки його тонкий шар WO ₃ захищає його від нападу кисню, кислоти та лугів. Після розчинення та осадження інших реагентів отримують його солі, які називаються вольфрамами або вольфраматами; у них вольфрам зазвичай має окислювальний стан +6 (якщо вважати, що є катіони W ⁶⁺ ).

Кластеризація кислот

Декатунгстат, приклад поліоксаметалів вольфраму. Джерело: Scifanz

Хімічно вольфрам є досить унікальним, оскільки його іони мають тенденцію до кластеризації, утворюючи гетеропольні кислоти або поліоксометалати. Хто вони? Вони являють собою групи або скупчення атомів, які об'єднуються для визначення тривимірного тіла; В основному, одна зі сферичною структурою, що нагадує клітку, в яку інший атом «укладений».

Все починається з аніона вольфрамату WO ₄ ^2- , який у кислому середовищі швидко протонізується (HWO ₄ ^- ) і зв'язується з сусіднім аніоном, утворюючи ^2- ; а це, в свою чергу, з'єднується з іншим ^2- для початку ^4- . І так, поки не знайдеться кілька політунгстатів у розчині.

Паратунстати A і B, ^6- і H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ^10- , відповідно, є одними з найвидатніших з цих поліаніонів.

Це може бути складним, щоб придумати свій ескіз та структури Льюїса; але в принципі їх досить візуалізувати як набори октаедрів WO ₆ (верхнє зображення).

Зауважте, що ці сіруваті октаедри в кінцевому підсумку визначають декатунгстати, політунгстат; Якщо гетероатом (наприклад, фосфор) міститься всередині нього, то це був би поліоксометалат.

Структура та електронна конфігурація

Кристалічні фази

Атоми вольфраму визначають кристал із кубічною (скп) структурою, орієнтованою на тіло. Ця кристалічна форма відома як α-фаза; при цьому фаза β також кубічна, але трохи більш щільна. Обидві фази або кристалічні форми, α і β, можуть існувати в рівновазі за звичайних умов.

Кристалічні зерна α-фази ізометричні, тоді як фази β-фази нагадують колони. Незалежно від кристала, він керується металевими зв’язками, які щільно утримують атоми W. В іншому випадку високі температури плавлення і кипіння або висока твердість і щільність вольфраму не можна було пояснити.

Металевий зв’язок

Атоми вольфраму повинні бути якось щільно пов'язані. Щоб зробити гіпотезу, спочатку слід дотримуватися електронної конфігурації цього металу:

4f ¹⁴ 5d ⁴ 6s ²

5d орбіталі дуже великі і нечіткі, що означало б, що між двома сусідніми атомами W є ефективні орбітальні перекриття. Також орбіталі 6s сприяють отриманим смугам, але в меншій мірі. У той час як орбіталі 4f знаходяться "глибоко на задньому плані", і тому їхній внесок у металевий зв’язок менший.

Це, розмір атомів та кристалічні зерна - це змінні, що визначають твердість вольфраму та його щільність.

Стани окислення

У металевому вольфрамі або вольфрамі атоми W мають нульовий стан окислення (W ⁰ ). Повертаючись до електронної конфігурації, орбіталі 5d і 6s можуть бути «спорожнені» електронами залежно від того, чи є W в компанії високоелектричних негативних атомів, таких як кисень або фтор.

Коли два 6-електрона втрачаються, вольфрам має стан окислення +2 (W ²⁺ ), через що його атом стискається.

Якщо він також втратить всі електрони на своїх 5d орбіталях, його окислювальний стан стане +6 (W ⁶⁺ ); Звідси вона не може стати більш позитивною (теоретично), оскільки орбіталі 4f, будучи внутрішньою, потребують великих енергій, щоб видалити їхні електрони. Іншими словами, найбільш позитивний окислювальний стан - +6, де вольфрам ще менший.

Цей вольфрам (VI) дуже стійкий в кислих умовах або в багатьох кисневих або галогенованих сполуках. Інші можливі та позитивні стани окислення: +1, +2, +3, +4, +5 і +6.

Вольфрам також може набирати електрони, якщо він поєднується з атомами, менш електронегативними, ніж сам. У цьому випадку його атоми стають більшими. Він може набрати максимум чотири електрони; тобто мають стан окислення -4 (W ⁴ ).

Отримання

Раніше згадувалося, що вольфрам міститься в мінералах вольфраміт і шелліт. Залежно від способу, з них отримують два сполуки: оксид вольфраму, WO ₃ або паратунгстат амонію, (NH ₄ ) ₁₀ (H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ) · 4H ₂ O (або АТФ). Будь-яка з них може бути зменшена до металевих Вт з вуглецем понад 1050 ° С.

Виробляти вольфрамові злитки економічно не вигідно, оскільки для їх розплавлення знадобиться багато тепла (і грошей). Ось чому бажано виготовляти його у вигляді порошку, щоб одразу обробити його іншими металами для отримання сплавів.

Варто згадати, що Китай - країна з найбільшим виробництвом вольфраму у світі. А на американському континенті, Канаді, Болівії та Бразилії також займають список найбільших виробників цього металу.

Програми

Кільце з карбіду вольфраму - приклад того, як твердість цього металу може бути використана для увічнення та затвердіння матеріалів. Джерело: SolitaryAngel (SolitaryAngel)

Ось кілька відомих цілей використання цього металу:

- Її солі використовували для забарвлення бавовни з одягу старих театрів.

-У поєднанні зі сталлю він твердіє ще більше, здатний навіть протистояти механічним порізам на високих швидкостях.

-Сінеровані вольфрамові нитки використовуються вже більше ста років в електричних лампочках і галогенних лампах. Також завдяки високій температурі плавлення він слугував матеріалом як для катодних променевих труб, так і для форсунок ракетних двигунів.

-Змінює свинець у виробництві снарядів та радіоактивних щитів.

- Нанопроводи вольфраму можуть бути використані в pH та газочутливих нанопристроях.

-Пальфрамові каталізатори були використані для боротьби з виробництвом сірки в нафтовій промисловості.

-Карбід вольфраму є найбільш широко використовуваним з усіх його сполук. Від посилення різальних і свердлильних інструментів або виготовлення шматків військового озброєння, до обробки дерева, пластмаси та кераміки.

Ризики та запобіжні заходи

Біологічні

Будучи відносно рідкісним металом у земній корі, його негативний вплив обмежений. У кислих ґрунтах полінгстати можуть не впливати на ферменти, які використовують молібдатні аніони; але в основних ґрунтах WO ₄ ^2- втручається (позитивно чи негативно) у метаболічні процеси MoO ₄ ^2- та міді.

Наприклад, рослини можуть поглинати розчинні вольфрамові сполуки, і коли тварина їсть їх, а потім, споживаючи його м'ясо, атоми W потрапляють в наші тіла. Більшість виганяються з сечею та калом, і мало що відомо, що відбувається з рештою.

Дослідження на тваринах показали, що при вдиханні високої концентрації вольфраму в порошок у них виникають симптоми, схожі на симптоми раку легенів.

При прийомі всередину дорослій людині потрібно буде випити тисячі галонів води, збагаченої вольфрамовими солями, щоб виявити помітне пригнічення ферментів холінестерази та фосфатази.

Фізичні

Взагалі вольфрам є малотоксичним елементом, і тому існує невеликий ризик екологічної шкоди для здоров’я.

Щодо металевого вольфраму, уникайте вдихання його пилу; і якщо зразок є твердим, слід пам’ятати, що він дуже щільний і що при падінні або попаданні на інші поверхні він може завдати фізичної шкоди.

Список літератури

1. Белл Теренс. (sf). Вольфрам (Wolfram): Властивості, виробництво, застосування та сплави. Баланс. Відновлено з: thebalance.com
2. Вікіпедія. (2019). Вольфрам. Відновлено з: en.wikipedia.org
3. Lenntech BV (2019). Вольфрам. Відновлено з: lenntech.com
4. Джефф Дежардінс. (1 травня 2017 р.). Історія вольфраму, найсильнішого природного металу на Землі. Відновлено з: visualcapitalist.com
5. Дуг Стюарт. (2019). Факти вольфрамового елемента. Відновлено з: chemicool.com
6. Арт Фішер та Пам Пауелл. (sf). Вольфрам. Університет Невади. Відновлено з: unce.unr.edu
7. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (02 березня 2019 р.). Факти з вольфраму або Вольфрама. Відновлено з: thinkco.com