ВОЛЬФРАМ: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2026

Вольфрама , вольфрам или вольфрам тяжелого металла представляет собой переходный, химический символ У. расположены в период с 6 группы 6 Периодической таблицы, и атомный номер 74. Его названием имеет два этимологических значений: твердый камень и волчья пена; Во-вторых, этот металл также известен как вольфрам.

Это серебристо-серый металл, и, хотя он хрупкий, он обладает большой твердостью, плотностью и высокими температурами плавления и кипения. Следовательно, он использовался во всех тех областях применения, которые связаны с высокими температурами, давлением или механическими силами, такими как сверла, снаряды или излучающие излучение нити.

Вольфрамовый стержень с частично окисленной поверхностью. Источник: изображения химических элементов в высоком разрешении.

Наиболее известное использование этого металла на культурном и популярном уровне - в нити электрических лампочек. Кто бы ни имел дело с ними, поймет, насколько они хрупки; однако они не сделаны из чистого вольфрама, который является ковким и пластичным. Кроме того, в металлических матрицах, таких как сплавы, он обеспечивает отличное сопротивление и твердость.

Он характеризуется и отличается тем, что является металлом с самой высокой температурой плавления, а также более плотным, чем сам свинец, уступая только другим металлам, таким как осмий и иридий. Точно так же это самый тяжелый металл, который, как известно, выполняет определенную биологическую роль в организме.

Анион вольфрама, WO ₄ ^2- , участвует в большинстве своих ионных соединений , которые могут полимеризоваться с образованием кластеров в кислой среде. С другой стороны, вольфрам может образовывать интерметаллические соединения или спекаться с металлами или неорганическими солями, так что его твердые частицы приобретают различную форму или консистенцию.

Его не так много в земной коре, всего 1,5 грамма этого металла на тонну. Кроме того, поскольку это тяжелый элемент, его происхождение межгалактическое; особенно от взрывов сверхновых, которые должны были выбросить «струи» атомов вольфрама на нашу планету во время ее образования.

История

Этимология

История вольфрама или вольфрама имеет два лица, как и их названия: одно швейцарское, а другое немецкое. В 1600-х годах в регионах, в настоящее время оккупированных Германией и Австрией, горняки работали над добычей меди и олова для производства бронзы.

К тому времени горняки столкнулись с проблемой: плавить был чрезвычайно трудный минерал; минерал, состоящий из вольфрамита (Fe, Mn, Mg) WO ₄ , который удерживал или «пожирал» олово, как если бы оно было волком.

Отсюда этимология этого элемента: «волк» по-испански означает «волк», волк, который ел олово; и «баран» из пены или крема, кристаллы которого напоминали длинный черный мех. Так возникло название «вольфрам» или «вольфрам» в честь этих первых наблюдений.

В 1758 году на швейцарской стороне аналогичный минерал, шеелит, CaWO ₄ , был назван «вольфрам», что означает «твердый камень».

Оба названия, вольфрам и вольфрам, широко используются как взаимозаменяемые, в зависимости исключительно от культуры. В Испании, например, и в Западной Европе этот металл наиболее известен как вольфрам; в то время как на американском континенте преобладает название вольфрам.

Признание и открытие

Тогда было известно, что между семнадцатым и восемнадцатым веками существует два минерала: вольфрамит и шеелит. Но кто видел, что в них есть металл, отличный от других? Их можно было охарактеризовать только как минералы, и именно в 1779 году ирландский химик Питер Вулф тщательно проанализировал вольфрам и сделал вывод о существовании вольфрама.

На швейцарской стороне, опять же, Карл Вильгельм Шееле в 1781 году смог выделить вольфрам как WO ₃ ; и даже больше, он получил вольфрамовую (или вольфрамовую) кислоту, H ₂ WO ₄ и другие соединения.

Однако этого было недостаточно, чтобы получить чистый металл, так как необходимо было восстановить эту кислоту; то есть подвергнуть его такому процессу, чтобы он отделялся от кислорода и кристаллизовался в виде металла. У Карла Вильгельма Шееле не было подходящих печей или методологии для этой химической реакции восстановления.

Именно здесь вступили в действие испанские братья д'Эльхуяр, Фаусто и Хуан Хосе, которые восстановили оба минерала (вольфрамит и шеелит) углем в городе Бергара. Двое из них награждены заслугой и почетом как первооткрыватели металлического вольфрама (W).

Стали и лампочки

Любая лампочка с вольфрамовой нитью. Источник: Pxhere.

Как и другие металлы, его использование определяет его историю. Среди наиболее известных в конце 19-го века были сплавы стали с вольфрамом и вольфрамовые нити, заменявшие углеродные нити внутри электрических лампочек. Можно сказать, что первые лампочки в том виде, в каком мы их знаем, появились на рынке в 1903–1904 годах.

Свойства

Внешность

Это блестящий серебристо-серый металл. Хрупкий, но очень твердый (не путать с прочностью). Если изделие имеет высокую чистоту, оно становится пластичным и твердым, как несколько сталей.

Атомный номер

74.

Молярная масса

183,85 г / моль.

Температура плавления

3422 ° С.

Точка кипения

5930 ° С.

плотность

19,3 г / мл.

Теплота плавления

52,31 кДж / моль.

Теплота испарения

774 кДж / моль.

Молярная теплоемкость

24,27 кДж / моль.

Твердость Мооса

7.5.

Электроотрицательность

2,36 по шкале Полинга.

Атомное радио

139 вечера

Удельное электрическое сопротивление

52,8 нОм · м при 20 ° C.

Изотопы

Он встречается преимущественно в природе в виде пяти изотопов: ¹⁸² W, ¹⁸³ W, ¹⁸⁴ W, ¹⁸⁶ W и ¹⁸⁰ W. Согласно молярной массе 183 г / моль, которая усредняет атомные массы этих изотопов (и других тридцать радиоизотопов), каждый атом вольфрама или вольфрама имеет около ста десяти нейтронов (74 + 110 = 184).

Химия

Это металл с высокой устойчивостью к коррозии, так как его тонкий слой WO ₃ защищает его от воздействия кислорода, кислоты и щелочей. После растворения и осаждения с другими реагентами получают его соли, которые называются вольфраматами или вольфраматами; в них вольфрам обычно имеет степень окисления +6 (при условии наличия катионов W ⁶⁺ ).

Кислотная кластеризация

Декавольфрамат, пример полиоксометаллатов вольфрама. Источник: Scifanz

В химическом отношении вольфрам уникален, потому что его ионы склонны к кластеризации с образованием гетерополикислот или полиоксометаллатов. Кто они такие? Они представляют собой группы или кластеры атомов, которые собираются вместе, образуя трехмерное тело; В основном, со сферической каркасной структурой, в которую «заключен» другой атом.

Все начинается с вольфраматного аниона WO ₄ ^2- , который быстро протонирует в кислой среде (HWO ₄ ^- ) и связывается с соседним анионом с образованием ^2- ; и это, в свою очередь, соединяется с другим ^2-, чтобы создать ^4- . И так до тех пор, пока в решении не будет нескольких политик.

Паравольфраматы A и B, ^6- и H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ^10- , соответственно, являются одними из наиболее известных полианионов.

Придумать эскиз и структуру Льюиса может быть непросто; но в принципе достаточно визуализировать их как наборы октаэдров WO ₆ (верхнее изображение).

Обратите внимание, что эти сероватые октаэдры в конечном итоге определяют декавольфрамат, политунгстат; Если бы в нем содержался гетероатом (например, фосфор), то это был бы полиоксометаллат.

Структура и электронная конфигурация

Кристаллические фазы

Атомы вольфрама определяют кристалл с объемно-центрированной кубической (ОЦК) структурой. Эта кристаллическая форма известна как α-фаза; при этом β-фаза тоже кубическая, но немного более плотная. Обе фазы или кристаллические формы, α и β, могут сосуществовать в равновесии при нормальных условиях.

Кристаллические зерна α-фазы изометричны, а β-фазы напоминают столбики. Независимо от кристалла, это определяется металлическими связями, которые плотно удерживают атомы W. В противном случае нельзя было бы объяснить высокие температуры плавления и кипения или высокую твердость и плотность вольфрама.

Металлическая связка

Атомы вольфрама должны быть как-то прочно связаны. Чтобы сделать предположение, сначала необходимо наблюдать электронную конфигурацию этого металла:

4ж ¹⁴ 5д ⁴ 6с ²

5d-орбитали очень большие и нечеткие, что может означать, что между двумя соседними атомами W существуют эффективные орбитальные перекрытия. Кроме того, орбитали 6s вносят вклад в результирующие полосы, но в меньшей степени. В то время как 4f-орбитали находятся «глубоко на заднем плане» и, следовательно, их вклад в металлическую связь меньше.

Это, размер атомов и кристаллических зерен, являются переменными, которые определяют твердость вольфрама и его плотность.

Состояния окисления

В металлическом вольфраме или вольфраме атомы W имеют нулевую степень окисления (W ⁰ ). Возвращаясь к электронной конфигурации, орбитали 5d и 6s могут быть «освобождены» от электронов в зависимости от того, находится ли W в компании сильно электроотрицательных атомов, таких как кислород или фтор.

Когда два электрона 6s потеряны, вольфрам имеет степень окисления +2 (W ²⁺ ), что заставляет его атом сжиматься.

Если он также потеряет все электроны на своих 5d-орбиталях, его степень окисления станет +6 (W ⁶⁺ ); Отсюда он не может стать более положительным (теоретически), поскольку 4f-орбитали, будучи внутренними, потребовали бы больших энергий для удаления своих электронов. Другими словами, самая положительная степень окисления +6, где вольфрам еще меньше.

Этот вольфрам (VI) очень стабилен в кислых условиях или во многих кислородсодержащих или галогенизированных соединениях. Другие возможные и положительные степени окисления: +1, +2, +3, +4, +5 и +6.

Вольфрам также может получать электроны, если он соединяется с менее электроотрицательными атомами, чем он сам. В этом случае его атомы становятся больше. Он может получить максимум четыре электрона; то есть иметь степень окисления -4 (W ^4- ).

получение

Ранее упоминалось, что вольфрам содержится в минералах вольфрамит и шеелит. В зависимости от процесса из них получают два соединения: оксид вольфрама, WO ₃ , или паравольфрамат аммония, (NH ₄ ) ₁₀ (H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ) · 4H ₂ O (или АТФ). Любой из них может быть восстановлен до металлического W с углеродом выше 1050 ° C.

Производить вольфрамовые слитки экономически невыгодно, так как для их плавления потребуется много тепла (и денег). Вот почему его предпочтительно производить в виде порошка, чтобы сразу обработать другими металлами для получения сплавов.

Стоит отметить, что Китай является страной с крупнейшим производством вольфрама в мире. А на американском континенте Канада, Боливия и Бразилия также входят в список крупнейших производителей этого металла.

Приложения

Кольцо из карбида вольфрама - пример того, как твердость этого металла можно использовать для увековечения и упрочнения материалов. Источник: SolitaryAngel (Солитарный ангел)

Вот некоторые из известных применений этого металла:

-Его соли использовались для окрашивания хлопка из старых театральных нарядов.

-В сочетании со сталью он еще больше укрепляет его, способствуя сопротивлению даже механическим порезам на высоких скоростях.

-Спеченные вольфрамовые нити уже более ста лет используются в электрических лампах и галогенных лампах. Кроме того, из-за своей высокой температуры плавления он служил материалом для электронно-лучевых трубок и сопел ракетных двигателей.

-Заменяет свинец при изготовлении снарядов и радиоактивных щитов.

-Вольфрамовые нанопроволоки могут быть использованы в наноустройствах, чувствительных к pH и газу.

-Вольфрамовые катализаторы использовались для производства серы в нефтяной промышленности.

-Карбид вольфрама - наиболее широко используемый из всех его соединений. От усиления режущих и сверлильных инструментов или производства предметов военного оружия до обработки дерева, пластика и керамики.

Риски и меры предосторожности

биологическая

Поскольку он является относительно редким металлом в земной коре, его негативное воздействие незначительно. В кислых почвах поливольфраматы не могут влиять на ферменты, использующие анионы молибдата; но в основных почвах WO ₄ ^2- вмешивается (положительно или отрицательно) в метаболические процессы MoO ₄ ^2- и меди.

Например, растения могут поглощать растворимые соединения вольфрама, и когда животное ест их, а затем после употребления мяса, атомы W попадают в наши тела. Большинство из них выводится с мочой и калом, и мало что известно о том, что происходит с остальными из них.

Исследования на животных показали, что при вдыхании высоких концентраций порошкообразного вольфрама у них развиваются симптомы, похожие на симптомы рака легких.

При приеме внутрь взрослому человеку потребуется выпить тысячи галлонов воды, обогащенной солями вольфрама, чтобы продемонстрировать заметное ингибирование ферментов холинэстеразы и фосфатазы.

Физический

В целом, вольфрам является малотоксичным элементом, поэтому экологические риски нанесения ущерба здоровью незначительны.

Что касается металлического вольфрама, не вдыхайте его пыль; и если образец твердый, следует иметь в виду, что он очень плотный и может вызвать физические повреждения, если его уронят или ударит по другим поверхностям.

Ссылки

1. Белл Теренс. (SF). Вольфрам (Вольфрам): свойства, производство, применение и сплавы. Баланс. Получено с: thebalance.com
2. Wikipedia. (2019). Вольфрам. Получено с: en.wikipedia.org
3. Lenntech BV (2019). Вольфрам. Получено с: lenntech.com
4. Джефф Дежарден. (1 мая 2017 г.). История вольфрама, самого прочного природного металла на Земле. Получено с: visualcapitalist.com
5. Дуг Стюарт. (2019). Факты об элементе вольфрама. Получено с: chemicool.com
6. Арт Фишер и Пэм Пауэлл. (SF). Вольфрам. Университет Невады. Получено с: unce.unr.edu
7. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (2 марта 2019 г.). Факты о вольфраме или вольфраме. Получено с: thinkco.com