Как пишется вольфрам в химии

Соединения вольфрама

Вольфрам (W) Арсенид вольфрама (WAs2) Вольфрам мышьяковистый Борид вольфрама (WB) Вольфрам бористый Борид дивольфрама (W2B) Бористый вольфрам Бромид вольфрама II (WBr2) Вольфрам бромистый Бромид вольфрама III (WBr3) Бромид вольфрама IV (WBr4) Бромистый вольфрам Бромид вольфрама 5 (WBr5) Бромид вольфрама VI (WBr6) Вольфрамит ((FeMn)WO4) Вольфрамовая кислота (H2WO4) Ортовольфрамовая кислота Гексакарбонилвольфрам (W(CO)6) Диборид вольфрама (WB2) Динитрид вольфрама (WN2) Диоксидибромид вольфрама (WO2Br2) Бромистый вольфрамил Диоксидихлорид вольфрама (WO2Cl2) Хлористый вольфрамил Дисилицид вольфрама (WSi2) Кремнистый вольфрам Дисульфид вольфрама (WS2) Сернистый вольфрам Дифосфид вольфрама (WP2) Фосфористый вольфрам Дифосфид тетравольфрама (W4P2) Йодид вольфрама II (WI2) Вольфрам йодистый Йодид вольфрама III (WI3) Йодид вольфрама IV (WI4) Йодистый вольфрам Карбид вольфрама (WC) Вольфрам углеродистый Карбид дивольфрама (W2C) Углеродистый вольфрам Нитрид дивольфрама (W2N) Вольфрам азотистый Оксид вольфрама IV (WO2) Окись вольфрама Оксид вольфрама VI (WO3) Вольфрам окись Окситетрабромид вольфрама VI (WOBr4) Бромокись вольфрама Окситетрафторид вольфрама VI (WOF4) Фторокись вольфрама Окситетрахлорид вольфрама VI (WOCl4) Хлорокись вольфрама Пентаборид дивольфрама (W2B5) Селенид вольфрама IV (WSe2) Вольфрам селенистый Селенид вольфрама VI (WSe3) Селенистый вольфрам Силицид вольфрама (W2Si3) Вольфрам кремнистый Теллурид вольфрама IV (WTe2) Вольфрам теллуристый Тринитрид дивольфрама (W2N3) Азотистый вольфрам Трисульфид вольфрама (WS3) Вольфрам сернистый Фенолят вольфрама (WC36H30O6) Фосфид вольфрама (WP) Вольфрам фосфористый Фторид вольфрама IV (WF4) Вольфрам фтористый Фторид вольфрама 5 (WF5) Фторид вольфрама VI (WF6) Фтористый вольфрам Фтороксивольфраматы Хлорид вольфрама II (WCl2) Вольфрам хлористый Хлорид вольфрама III (WCl3) Хлорид вольфрама IV (WCl4) Хлорид вольфрама 5 (WCl5) Хлорид вольфрама VI (WCl6) Хлористый вольфрам Шеелит (CaWO4)

Tungsten, ₇₄W

Tungsten
Pronunciation	​(TUNG-stən)
Alternative name	wolfram, pronounced: (WUUL-frəm)
Allotropes	α-tungsten (common), β-tungsten
Appearance	grayish white, lustrous
Standard atomic weight Ar°(W)	183.84±0.01 183.84±0.01 (abridged)[1]
Tungsten in the periodic table
Hydrogen Helium Lithium Beryllium Boron Carbon Nitrogen Oxygen Fluorine Neon Sodium Magnesium Aluminium Silicon Phosphorus Sulfur Chlorine Argon Potassium Calcium Scandium Titanium Vanadium Chromium Manganese Iron Cobalt Nickel Copper Zinc Gallium Germanium Arsenic Selenium Bromine Krypton Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdenum Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Silver Cadmium Indium Tin Antimony Tellurium Iodine Xenon Caesium Barium Lanthanum Cerium Praseodymium Neodymium Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantalum Tungsten Rhenium Osmium Iridium Platinum Gold Mercury (element) Thallium Lead Bismuth Polonium Astatine Radon Francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson Mo ↑ W ↓ Sg tantalum ← tungsten → rhenium
Atomic number (Z)	74
Group	group 6
Period	period 6
Block	d-block
Electron configuration	[Xe] 4f14 5d4 6s2[2]
Electrons per shell	2, 8, 18, 32, 12, 2
Physical properties
Phase at STP	solid
Melting point	3695 K ​(3422 °C, ​6192 °F)
Boiling point	6203 K ​(5930 °C, ​10706 °F)
Density (near r.t.)	19.25 g/cm3
when liquid (at m.p.)	17.6 g/cm3
Heat of fusion	52.31 kJ/mol[3][4]
Heat of vaporization	774 kJ/mol
Molar heat capacity	24.27 J/(mol·K)
Vapor pressure P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k at T (K) 3477 3773 4137 4579 5127 5823
Atomic properties
Oxidation states	−4, −2, −1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6 (a mildly acidic oxide)
Electronegativity	Pauling scale: 2.36
Ionization energies	1st: 770 kJ/mol 2nd: 1700 kJ/mol
Atomic radius	empirical: 139 pm
Covalent radius	162±7 pm
Spectral lines of tungsten
Other properties
Natural occurrence	primordial
Crystal structure	​body-centered cubic (bcc)
Speed of sound thin rod	4620 m/s (at r.t.) (annealed)
Thermal expansion	4.5 µm/(m⋅K) (at 25 °C)
Thermal conductivity	173 W/(m⋅K)
Electrical resistivity	52.8 nΩ⋅m (at 20 °C)
Magnetic ordering	paramagnetic[5]
Molar magnetic susceptibility	+59.0×10−6 cm3/mol (298 K)[6]
Young’s modulus	411 GPa
Shear modulus	161 GPa
Bulk modulus	310 GPa
Poisson ratio	0.28
Mohs hardness	7.5
Vickers hardness	3430–4600 MPa
Brinell hardness	2000–4000 MPa
CAS Number	7440-33-7
History
Discovery and first isolation	Juan José Elhuyar and Fausto Elhuyar[7] (1783)
Named by	Torbern Bergman (1781)
Symbol	«W»: from Wolfram, originally from Middle High German wolf-rahm ‘wolf’s foam’ describing the mineral wolframite[8]
Main isotopes of tungsten v e
Iso­tope Decay abun­dance half-life (t1/2) mode pro­duct 180W 0.12% 1.8×1018 y α 176Hf 181W syn 121.2 d ε 181Ta 182W 26.50% stable 183W 14.31% stable 184W 30.64% stable 185W syn 75.1 d β− 185Re 186W 28.43% stable
Category: Tungsten view talk edit | references

Tungsten, or wolfram,^[9][10] is a chemical element with the symbol W and atomic number 74. Tungsten is a rare metal found naturally on Earth almost exclusively as compounds with other elements. It was identified as a new element in 1781 and first isolated as a metal in 1783. Its important ores include scheelite and wolframite, the latter lending the element its alternate name.

The free element is remarkable for its robustness, especially the fact that it has the highest melting point of all known elements barring carbon (which sublimes at normal pressure), melting at 3,422 °C (6,192 °F; 3,695 K). It also has the highest boiling point, at 5,930 °C (10,706 °F; 6,203 K).^[11] Its density is 19.30 grams per cubic centimetre (0.697 lb/cu in),^[12] comparable with that of uranium and gold, and much higher (about 1.7 times) than that of lead.^[13] Polycrystalline tungsten is an intrinsically brittle^[14][15][16] and hard material (under standard conditions, when uncombined), making it difficult to work into metal. However, pure single-crystalline tungsten is more ductile and can be cut with a hard-steel hacksaw.^[17]

Tungsten occurs in many alloys, which have numerous applications, including incandescent light bulb filaments, X-ray tubes, electrodes in gas tungsten arc welding, superalloys, and radiation shielding. Tungsten’s hardness and high density make it suitable for military applications in penetrating projectiles. Tungsten compounds are often used as industrial catalysts.

Tungsten is the only metal in the third transition series that is known to occur in biomolecules, being found in a few species of bacteria and archaea. However, tungsten interferes with molybdenum and copper metabolism and is somewhat toxic to most forms of animal life.^[18][19]

Characteristics[edit]

Physical properties[edit]

In its raw form, tungsten is a hard steel-grey metal that is often brittle and hard to work. Purified, monocrystalline tungsten retains its hardness (which exceeds that of many steels), and becomes malleable enough that it can be worked easily.^[17] It is worked by forging, drawing, or extruding but it is more commonly formed by sintering.

Of all metals in pure form, tungsten has the highest melting point (3,422 °C, 6,192 °F), lowest vapor pressure (at temperatures above 1,650 °C, 3,000 °F), and the highest tensile strength.^[20] Although carbon remains solid at higher temperatures than tungsten, carbon sublimes at atmospheric pressure instead of melting, so it has no melting point. Moreover, tungsten’s most stable crystal phase does not exhibit any high-pressure-induced structural transformations for pressures up to at least 364 gigapascals.^[21] Tungsten has the lowest coefficient of thermal expansion of any pure metal. The low thermal expansion and high melting point and tensile strength of tungsten originate from strong metallic bonds formed between tungsten atoms by the 5d electrons.^[22]
Alloying small quantities of tungsten with steel greatly increases its toughness.^[13]

Tungsten exists in two major crystalline forms: α and β. The former has a body-centered cubic structure and is the more stable form. The structure of the β phase is called A15 cubic; it is metastable, but can coexist with the α phase at ambient conditions owing to non-equilibrium synthesis or stabilization by impurities. Contrary to the α phase which crystallizes in isometric grains, the β form exhibits a columnar habit. The α phase has one third of the electrical resistivity^[23] and a much lower superconducting transition temperature T_C relative to the β phase: ca. 0.015 K vs. 1–4 K; mixing the two phases allows obtaining intermediate T_C values.^[24][25] The T_C value can also be raised by alloying tungsten with another metal (e.g. 7.9 K for W-Tc).^[26] Such tungsten alloys are sometimes used in low-temperature superconducting circuits.^[27][28][29]

Isotopes[edit]

Naturally occurring tungsten consists of four stable isotopes (¹⁸²W, ¹⁸³W, ¹⁸⁴W, and ¹⁸⁶W) and one very long-lived radioisotope, ¹⁸⁰W. Theoretically, all five can decay into isotopes of element 72 (hafnium) by alpha emission, but only ¹⁸⁰W has been observed to do so, with a half-life of (1.8±0.2)×10¹⁸ years;^[30][31] on average, this yields about two alpha decays of ¹⁸⁰W per gram of natural tungsten per year.^[32] This rate is equivalent to a specific activity of roughly 63 micro-becquerel per kilogram. This rate of decay is orders of magnitude lower than that observed in carbon or potassium as found on earth, which likewise contain small amounts of long-lived radioactive isotopes. Bismuth was long thought to be non-radioactive, but ²⁰⁹
Bi (its longest lived isotope) actually decays with a half life of 2.01×10¹⁹ years or about a factor 10 slower than ¹⁸⁰
W. However, due to naturally occurring bismuth being 100% ²⁰⁹
Bi, its specific activity is actually higher than that of natural tungsten at 3 milli-becquerel per kilogram. The other naturally occurring isotopes of tungsten have not been observed to decay, constraining their half-lives to be at least 4 × 10²¹ years — if they decay at all.

Another 30 artificial radioisotopes of tungsten have been characterized, the most stable of which are ¹⁸¹W with a half-life of 121.2 days, ¹⁸⁵W with a half-life of 75.1 days, ¹⁸⁸W with a half-life of 69.4 days, ¹⁷⁸W with a half-life of 21.6 days, and ¹⁸⁷W with a half-life of 23.72 h.^[32] All of the remaining radioactive isotopes have half-lives of less than 3 hours, and most of these have half-lives below 8 minutes.^[32] Tungsten also has 11 meta states, with the most stable being ^179mW (t_1/2 6.4 minutes).

Chemical properties[edit]

Tungsten is a mostly non-reactive element: it does not react with water, is immune to attack by most acids and bases, and does not react with oxygen or air at room temperature. At elevated temperatures (i.e., when red-hot) it reacts with oxygen to form the trioxide compound tungsten(VI), WO₃. It will, however, react directly with fluorine (F₂) at room temperature to form tungsten(VI) fluoride (WF₆), a colorless gas. At around 250 °C it will react with chlorine or bromine, and under certain hot conditions will react with iodine. Finely divided tungsten is pyrophoric.^[33][34]

The most common formal oxidation state of tungsten is +6, but it exhibits all oxidation states from −2 to +6.^[34][35] Tungsten typically combines with oxygen to form the yellow tungstic oxide, WO₃, which dissolves in aqueous alkaline solutions to form tungstate ions, WO²⁻
₄.

Tungsten carbides (W₂C and WC) are produced by heating powdered tungsten with carbon. W₂C is resistant to chemical attack, although it reacts strongly with chlorine to form tungsten hexachloride (WCl₆).^[13]

In aqueous solution, tungstate gives the heteropoly acids and polyoxometalate anions under neutral and acidic conditions. As tungstate is progressively treated with acid, it first yields the soluble, metastable «paratungstate A» anion, W
₇O⁶⁻
₂₄, which over time converts to the less soluble «paratungstate B» anion, H
₂W
₁₂O¹⁰⁻
₄₂.^[36] Further acidification produces the very soluble metatungstate anion, H
₂W
₁₂O⁶⁻
₄₀, after which equilibrium is reached. The metatungstate ion exists as a symmetric cluster of twelve tungsten-oxygen octahedra known as the Keggin anion. Many other polyoxometalate anions exist as metastable species. The inclusion of a different atom such as phosphorus in place of the two central hydrogens in metatungstate produces a wide variety of heteropoly acids, such as phosphotungstic acid H₃PW₁₂O₄₀.

Tungsten trioxide can form intercalation compounds with alkali metals. These are known as bronzes; an example is sodium tungsten bronze.

In gaseous form, tungsten forms the diatomic species W₂. These molecules feature a sextuple bond between tungsten atoms — the highest known bond order among stable atoms.^[37][38]

History[edit]

In 1781, Carl Wilhelm Scheele discovered that a new acid, tungstic acid, could be made from scheelite (at the time called tungsten).^[39][40] Scheele and Torbern Bergman suggested that it might be possible to obtain a new metal by reducing this acid.^[41] In 1783, José and Fausto Elhuyar found an acid made from wolframite that was identical to tungstic acid. Later that year, at the Royal Basque Society in the town of Bergara, Spain, the brothers succeeded in isolating tungsten by reduction of this acid with charcoal, and they are credited with the discovery of the element (they called it «wolfram» or «volfram»).^{[42][43][44][45][46]}

The strategic value of tungsten came to notice in the early 20th century. British authorities acted in 1912 to free the Carrock mine from the German owned Cumbrian Mining Company and, during World War I, restrict German access elsewhere.^[47] In World War II, tungsten played a more significant role in background political dealings. Portugal, as the main European source of the element, was put under pressure from both sides, because of its deposits of wolframite ore at Panasqueira. Tungsten’s desirable properties such as resistance to high temperatures, its hardness and density, and its strengthening of alloys made it an important raw material for the arms industry,^[48][49] both as a constituent of weapons and equipment and employed in production itself, e.g., in tungsten carbide cutting tools for machining steel.
Now tungsten is used in many more applications such as aircraft & motorsport ballast weights, darts, anti-vibration tooling, and sporting equipment.

Tungsten is unique amongst the elements in that it has been the subject of patent proceedings. In 1928, a US court rejected General Electric’s attempt to patent it, overturning U.S. Patent 1,082,933 granted in 1913 to William D. Coolidge.^[50][51][52]

Etymology[edit]

The name «tungsten» (which means «heavy stone» in Swedish) is used in English, French, and many other languages as the name of the element, but not in the Nordic countries. «Tungsten» was the old Swedish name for the mineral scheelite. «Wolfram» (or «volfram») is used in most European (especially Germanic, Spanish and Slavic) languages and is derived from the mineral wolframite, which is the origin of the chemical symbol W.^[17] The name «wolframite» is derived from German «wolf rahm» («wolf soot» or «wolf cream»), the name given to tungsten by Johan Gottschalk Wallerius in 1747. This, in turn, derives from Latin «lupi spuma«, the name Georg Agricola used for the element in 1546, which translates into English as «wolf’s froth» and is a reference to the large amounts of tin consumed by the mineral during its extraction, as though the mineral devoured it like a wolf.^[8] This naming follows a tradition of colorful names miners from the Ore Mountains would give various minerals, out of a superstition that certain ones that looked as if they contained then-known valuable metals but didn’t were somehow «hexed». Cobalt (c.f. Kobold), pitchblende (c.f. German «blenden» for «to blind» or «to deceive») and nickel (c.f. «Old Nick») derive their names from the same miner’s idiom.

Occurrence[edit]

Tungsten has thus far not been found in nature in its pure form.^[53] Instead, tungsten is found mainly in the minerals wolframite and scheelite.^[53] Wolframite is iron–manganese tungstate (Fe,Mn)WO₄, a solid solution of the two minerals ferberite (FeWO₄) and hübnerite (MnWO₄), while scheelite is calcium tungstate (CaWO₄). Other tungsten minerals range in their level of abundance from moderate to very rare, and have almost no economic value.

Chemical compounds[edit]

Tungsten forms chemical compounds in oxidation states from -II to VI. Higher oxidation states, always as oxides, are relevant to its terrestrial occurrence and its biological roles, mid-level oxidation states are often associated with metal clusters, and very low oxidation states are typically associated with CO complexes. The chemistries of tungsten and molybdenum show strong similarities to each other, as well as contrasts with their lighter congener, chromium. The relative rarity of tungsten(III), for example, contrasts with the pervasiveness of the chromium(III) compounds. The highest oxidation state is seen in tungsten(VI) oxide (WO₃).^[54] Tungsten(VI) oxide is soluble in aqueous base, forming tungstate (WO₄²⁻). This oxyanion condenses at lower pH values, forming polyoxotungstates.^[55]

The broad range of oxidation states of tungsten is reflected in its various chlorides:^[54]

• Tungsten(II) chloride, which exists as the hexamer W₆Cl₁₂
• Tungsten(III) chloride, which exists as the hexamer W₆Cl₁₈
• Tungsten(IV) chloride, WCl₄, a black solid, which adopts a polymeric structure.
• Tungsten(V) chloride WCl₅, a black solid which adopts a dimeric structure.
• Tungsten(VI) chloride WCl₆, which contrasts with the instability of MoCl₆.

Organotungsten compounds are numerous and also span a range of oxidation states. Notable examples include the trigonal prismatic W(CH₃)₆ and octahedral W(CO)₆.

Production[edit]

Reserves[edit]

The world’s reserves of tungsten are 3,200,000 tonnes; they are mostly located in China (1,800,000 t), Canada (290,000 t),^[56] Russia (160,000 t), Vietnam (95,000 t) and Bolivia. As of 2017, China, Vietnam and Russia are the leading suppliers with 79,000, 7,200 and 3,100 tonnes, respectively. Canada had ceased production in late 2015 due to the closure of its sole tungsten mine. Meanwhile, Vietnam had significantly increased its output in the 2010s, owing to the major optimization of its domestic refining operations, and overtook Russia and Bolivia.^[57]

China remains the world’s leader not only in production, but also in export and consumption of tungsten products. Tungsten production is gradually increasing outside China because of the rising demand. Meanwhile, its supply by China is strictly regulated by the Chinese Government, which fights illegal mining and excessive pollution originating from mining and refining processes.^[58]

There is a large deposit of tungsten ore on the edge of Dartmoor in the United Kingdom, which was exploited during World War I and World War II as the Hemerdon Mine. Following increases in tungsten prices, this mine was reactivated in 2014,^[59] but ceased activities in 2018.^[60]

Within the EU, the Austrian Felbertal scheelite deposit is one of the few producing tungsten mines.^[61] Portugal is one of Europe’s main tungsten producers, with 121 kt of contained tungsten in mineral concentrates from 1910 to 2020, accounting for roughly 3.3% of the global production.^[62]

Tungsten is considered to be a conflict mineral due to the unethical mining practices observed in the Democratic Republic of the Congo.^[63][64]

[edit]

Tungsten is extracted from its ores in several stages. The ore is eventually converted to tungsten(VI) oxide (WO₃), which is heated with hydrogen or carbon to produce powdered tungsten.^[41] Because of tungsten’s high melting point, it is not commercially feasible to cast tungsten ingots. Instead, powdered tungsten is mixed with small amounts of powdered nickel or other metals, and sintered. During the sintering process, the nickel diffuses into the tungsten, producing an alloy.

Tungsten can also be extracted by hydrogen reduction of WF₆:

WF₆ + 3 H₂ → W + 6 HF

or pyrolytic decomposition:^[65]

WF₆ → W + 3 F₂ (ΔH_r = +)

Tungsten is not traded as a futures contract and cannot be tracked on exchanges like the London Metal Exchange. The tungsten industry often uses independent pricing references such as Argus Media or Metal Bulletin as a basis for contracts.^[66] The prices are usually quoted for tungsten concentrate or WO₃.^[57]

Applications[edit]

Approximately half of the tungsten is consumed for the production of hard materials – namely tungsten carbide – with the remaining major use being in alloys and steels. Less than 10% is used in other chemical compounds.^[67] Because of the high ductile-brittle transition temperature of tungsten, its products are conventionally manufactured through powder metallurgy, spark plasma sintering, chemical vapor deposition, hot isostatic pressing, and thermoplastic routes. A more flexible manufacturing alternative is selective laser melting, which is a form of 3D printing and allows creating complex three-dimensional shapes.^[68]

Industrial[edit]

Tungsten is mainly used in the production of hard materials based on tungsten carbide (WC), one of the hardest carbides. WC is an efficient electrical conductor, but W₂C is less so. WC is used to make wear-resistant abrasives, and «carbide» cutting tools such as knives, drills, circular saws, dies, milling and turning tools used by the metalworking, woodworking, mining, petroleum and construction industries.^[13] Carbide tooling is actually a ceramic/metal composite, where metallic cobalt acts as a binding (matrix) material to hold the WC particles in place. This type of industrial use accounts for about 60% of current tungsten consumption.^[69]

The jewelry industry makes rings of sintered tungsten carbide, tungsten carbide/metal composites, and also metallic tungsten.^[70] WC/metal composite rings use nickel as the metal matrix in place of cobalt because it takes a higher luster when polished. Sometimes manufacturers or retailers refer to tungsten carbide as a metal, but it is a ceramic.^[71] Because of tungsten carbide’s hardness, rings made of this material are extremely abrasion resistant, and will hold a burnished finish longer than rings made of metallic tungsten. Tungsten carbide rings are brittle, however, and may crack under a sharp blow.^[72]

Alloys[edit]

The hardness and heat resistance of tungsten can contribute to useful alloys. A good example is high-speed steel, which can contain as much as 18% tungsten.^[73] Tungsten’s high melting point makes tungsten a good material for applications like rocket nozzles, for example in the UGM-27 Polaris submarine-launched ballistic missile.^[74] Tungsten alloys are used in a wide range of applications, including the aerospace and automotive industries and radiation shielding.^[75] Superalloys containing tungsten, such as Hastelloy and Stellite, are used in turbine blades and wear-resistant parts and coatings.

Tungsten’s heat resistance makes it useful in arc welding applications when combined with another highly-conductive metal such as silver or copper. The silver or copper provides the necessary conductivity and the tungsten allows the welding rod to withstand the high temperatures of the arc welding environment.^[76]

Permanent magnets[edit]

Quenched (martensitic) tungsten steel (approx. 5.5% to 7.0% W with 0.5% to 0.7% C) was used for making hard permanent magnets, due to its high remanence and coercivity, as noted by John Hopkinson (1849–1898) as early as 1886. The magnetic properties of a metal or an alloy are very sensitive to microstructure. For example, while the element tungsten is not ferromagnetic (but iron is), when it is present in steel in these proportions, it stabilizes the martensite phase, which has greater ferromagnetism than the ferrite (iron) phase due to its greater resistance to magnetic domain wall motion.

Military[edit]

Tungsten, usually alloyed with nickel, iron, or cobalt to form heavy alloys, is used in kinetic energy penetrators as an alternative to depleted uranium, in applications where uranium’s radioactivity is problematic even in depleted form, or where uranium’s additional pyrophoric properties are not desired (for example, in ordinary small arms bullets designed to penetrate body armor). Similarly, tungsten alloys have also been used in shells, grenades, and missiles, to create supersonic shrapnel. Germany used tungsten during World War II to produce shells for anti-tank gun designs using the Gerlich squeeze bore principle to achieve very high muzzle velocity and enhanced armor penetration from comparatively small caliber and light weight field artillery. The weapons were highly effective but a shortage of tungsten used in the shell core, caused in part by the Wolfram Crisis, limited their use.^{[citation needed]}

Tungsten has also been used in Dense inert metal explosives, which use it as dense powder to reduce collateral damage while increasing the lethality of explosives within a small radius.^[77]

Chemical applications[edit]

Tungsten(IV) sulfide is a high temperature lubricant and is a component of catalysts for hydrodesulfurization.^[78] MoS₂ is more commonly used for such applications.^[79]

Tungsten oxides are used in ceramic glazes and calcium/magnesium tungstates are used widely in fluorescent lighting. Crystal tungstates are used as scintillation detectors in nuclear physics and nuclear medicine. Other salts that contain tungsten are used in the chemical and tanning industries.^[20]
Tungsten oxide (WO₃) is incorporated into selective catalytic reduction (SCR) catalysts found in coal-fired power plants. These catalysts convert nitrogen oxides (NO_x) to nitrogen (N₂) and water (H₂O) using ammonia (NH₃). The tungsten oxide helps with the physical strength of the catalyst and extends catalyst life.^[80] Tungsten containing catalysts are promising for epoxidation,^[81] oxidation,^[82] and hydrogenolysis reactions.^[83] Tungsten heteropoly acids are key component of multifunctional catalysts.^[84] Tungstates can be used as photocatalyst,^[85] while the tungsten sulfide as electrocatalyst.^[86]

Niche uses[edit]

Applications requiring its high density include weights, counterweights, ballast keels for yachts, tail ballast for commercial aircraft, rotor weights for civil and military helicopters, and as ballast in race cars for NASCAR and Formula One.^[87] Being slightly less than twice the density, Tungsten is seen as an alternative (albeit more expensive) to lead fishing sinkers. Depleted uranium is also used for these purposes, due to similarly high density. Seventy-five-kg blocks of tungsten were used as «cruise balance mass devices» on the entry vehicle portion of the 2012 Mars Science Laboratory spacecraft. It is an ideal material to use as a dolly for riveting, where the mass necessary for good results can be achieved in a compact bar. High-density alloys of tungsten with nickel, copper or iron are used in high-quality darts^[88] (to allow for a smaller diameter and thus tighter groupings) or for artificial flys (tungsten beads allow the fly to sink rapidly). Tungsten is also used as a heavy bolt to lower the rate of fire of the SWD M11/9 sub-machine gun from 1300 RPM to 700 RPM. Tungsten has seen use recently in nozzles for 3D printing; the high wear resistance and thermal conductivity of tungsten carbide improves the printing of abrasive filaments.^[89] Some string instrument strings are wound with tungsten.^{[90][unreliable source?]} Tungsten is used as an absorber on the electron telescope on the Cosmic Ray System of the two Voyager spacecraft.^[91]

Gold substitution[edit]

Its density, similar to that of gold, allows tungsten to be used in jewelry as an alternative to gold or platinum.^[17][92] Metallic tungsten is hypoallergenic, and is harder than gold alloys (though not as hard as tungsten carbide), making it useful for rings that will resist scratching, especially in designs with a brushed finish.

Because the density is so similar to that of gold (tungsten is only 0.36% less dense), and its price of the order of one-thousandth, tungsten can also be used in counterfeiting of gold bars, such as by plating a tungsten bar with gold,^[93][94][95] which has been observed since the 1980s,^[96] or taking an existing gold bar, drilling holes, and replacing the removed gold with tungsten rods.^[97] The densities are not exactly the same, and other properties of gold and tungsten differ, but gold-plated tungsten will pass superficial tests.^[93]

Gold-plated tungsten is available commercially from China (the main source of tungsten), both in jewelry and as bars.^[98]

Electronics[edit]

Because it retains its strength at high temperatures and has a high melting point, elemental tungsten is used in many high-temperature applications,^[99] such as incandescent light bulb, cathode-ray tube, and vacuum tube filaments, heating elements, and rocket engine nozzles.^[17] Its high melting point also makes tungsten suitable for aerospace and high-temperature uses such as electrical, heating, and welding applications, notably in the gas tungsten arc welding process (also called tungsten inert gas (TIG) welding).^[100]

Because of its conductive properties and relative chemical inertness, tungsten is also used in electrodes, and in the emitter tips in electron-beam instruments that use field emission guns, such as electron microscopes. In electronics, tungsten is used as an interconnect material in integrated circuits, between the silicon dioxide dielectric material and the transistors. It is used in metallic films, which replace the wiring used in conventional electronics with a coat of tungsten (or molybdenum) on silicon.^[65]

The electronic structure of tungsten makes it one of the main sources for X-ray targets,^[101][102] and also for shielding from high-energy radiations (such as in the radiopharmaceutical industry for shielding radioactive samples of FDG). It is also used in gamma imaging as a material from which coded apertures are made, due to its excellent shielding properties. Tungsten powder is used as a filler material in plastic composites, which are used as a nontoxic substitute for lead in bullets, shot, and radiation shields. Since this element’s thermal expansion is similar to borosilicate glass, it is used for making glass-to-metal seals.^[20] In addition to its high melting point, when tungsten is doped with potassium, it leads to an increased shape stability (compared with non-doped tungsten). This ensures that the filament does not sag, and no undesired changes occur.^[103]

Nanowires[edit]

Through top-down nanofabrication processes, tungsten nanowires have been fabricated and studied since 2002.^[104] Due to a particularly high surface to volume ratio, the formation of a surface oxide layer and the single crystal nature of such material, the mechanical properties differ fundamentally from those of bulk tungsten.^[105] Such tungsten nanowires have potential applications in nanoelectronics and importantly as pH probes and gas sensors.^[106] In similarity to silicon nanowires, tungsten nanowires are frequently produced from a bulk tungsten precursor followed by a thermal oxidation step to control morphology in terms of length and aspect ratio.^[107] Using the Deal–Grove model it is possible to predict the oxidation kinetics of nanowires fabricated through such thermal oxidation processing.^[108]

Fusion power[edit]

Due to its high melting point and good erosion resistance, tungsten is a lead candidate for the most exposed sections of the plasma-facing inner wall of nuclear fusion reactors. It will be used as the plasma-facing material of the divertor in the ITER reactor,^[109] and is currently in use in the JET test reactor.

Biological role[edit]

Tungsten, at atomic number Z = 74, is the heaviest element known to be biologically functional. It is used by some bacteria and archaea,^[110] but not in eukaryotes. For example, enzymes called oxidoreductases use tungsten similarly to molybdenum by using it in a tungsten-pterin complex with molybdopterin (molybdopterin, despite its name, does not contain molybdenum, but may complex with either molybdenum or tungsten in use by living organisms). Tungsten-using enzymes typically reduce carboxylic acids to aldehydes.^[111] The tungsten oxidoreductases may also catalyse oxidations. The first tungsten-requiring enzyme to be discovered also requires selenium, and in this case the tungsten-selenium pair may function analogously to the molybdenum-sulfur pairing of some molybdopterin-requiring enzymes.^[112] One of the enzymes in the oxidoreductase family which sometimes employ tungsten (bacterial formate dehydrogenase H) is known to use a selenium-molybdenum version of molybdopterin.^[113] Acetylene hydratase is an unusual metalloenzyme in that it catalyzes a hydration reaction. Two reaction mechanisms have been proposed, in one of which there is a direct interaction between the tungsten atom and the C≡C triple bond.^[114] Although a tungsten-containing xanthine dehydrogenase from bacteria has been found to contain tungsten-molydopterin and also non-protein bound selenium, a tungsten-selenium molybdopterin complex has not been definitively described.^[115]

In soil, tungsten metal oxidizes to the tungstate anion. It can be selectively or non-selectively imported by some prokaryotic organisms and may substitute for molybdate in certain enzymes. Its effect on the action of these enzymes is in some cases inhibitory and in others positive.^[116] The soil’s chemistry determines how the tungsten polymerizes; alkaline soils cause monomeric tungstates; acidic soils cause polymeric tungstates.^[117]

Sodium tungstate and lead have been studied for their effect on earthworms. Lead was found to be lethal at low levels and sodium tungstate was much less toxic, but the tungstate completely inhibited their reproductive ability.^[118]

Tungsten has been studied as a biological copper metabolic antagonist, in a role similar to the action of molybdenum. It has been found that tetrathiotungstate [zh] salts may be used as biological copper chelation chemicals, similar to the tetrathiomolybdates.^[119]

In archaea[edit]

Tungsten is essential for some archaea. The following tungsten-utilizing enzymes are known:

• Aldehyde ferredoxin oxidoreductase (AOR) in Thermococcus strain ES-1
• Formaldehyde ferredoxin oxidoreductase (FOR) in Thermococcus litoralis
• Glyceraldehyde-3-phosphate ferredoxin oxidoreductase (GAPOR) in Pyrococcus furiosus

A wtp system is known to selectively transport tungsten in archaea:

• WtpA is tungsten-binding protein of ABC family of transporters
• WptB is a permease
• WtpC is ATPase^[120]

Health factors[edit]

Because tungsten is a rare metal^[121] and its compounds are generally inert, the effects of tungsten on the environment are limited.^[122] The abundance of tungsten in the Earth’s crust is thought to be about 1.5 parts per million. It is one of the rarer elements.

It was at first believed to be relatively inert and an only slightly toxic metal, but beginning in the year 2000, the risk presented by tungsten alloys, its dusts and particulates to induce cancer and several other adverse effects in animals as well as humans has been highlighted from in vitro and in vivo experiments.^[123][124]
The median lethal dose LD₅₀ depends strongly on the animal and the method of administration and varies between 59 mg/kg (intravenous, rabbits)^[125][126] and 5000 mg/kg (tungsten metal powder, intraperitoneal, rats).^[127][128]

People can be exposed to tungsten in the workplace by breathing it in, swallowing it, skin contact, and eye contact. The National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) has set a recommended exposure limit (REL) of 5 mg/m³ over an 8-hour workday and a short term limit of 10 mg/m³.^[129]

See also[edit]

• Field emission gun
• Tungsten oxide
• List of chemical elements name etymologies
• List of chemical elements naming controversies

References[edit]

External links[edit]

• Properties, Photos, History, MSDS
• CDC – NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards
• Tungsten at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
• Picture in the collection from Heinrich Pniok Archived 2010-03-18 at the Wayback Machine
• Elementymology & Elements Multidict by Peter van der Krogt – Tungsten
• International Tungsten Industry Association

Tungsten, ₇₄W

Tungsten
Pronunciation	​(TUNG-stən)
Alternative name	wolfram, pronounced: (WUUL-frəm)
Allotropes	α-tungsten (common), β-tungsten
Appearance	grayish white, lustrous
Standard atomic weight Ar°(W)	183.84±0.01 183.84±0.01 (abridged)[1]
Tungsten in the periodic table
Hydrogen Helium Lithium Beryllium Boron Carbon Nitrogen Oxygen Fluorine Neon Sodium Magnesium Aluminium Silicon Phosphorus Sulfur Chlorine Argon Potassium Calcium Scandium Titanium Vanadium Chromium Manganese Iron Cobalt Nickel Copper Zinc Gallium Germanium Arsenic Selenium Bromine Krypton Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdenum Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Silver Cadmium Indium Tin Antimony Tellurium Iodine Xenon Caesium Barium Lanthanum Cerium Praseodymium Neodymium Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantalum Tungsten Rhenium Osmium Iridium Platinum Gold Mercury (element) Thallium Lead Bismuth Polonium Astatine Radon Francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson Mo ↑ W ↓ Sg tantalum ← tungsten → rhenium
Atomic number (Z)	74
Group	group 6
Period	period 6
Block	d-block
Electron configuration	[Xe] 4f14 5d4 6s2[2]
Electrons per shell	2, 8, 18, 32, 12, 2
Physical properties
Phase at STP	solid
Melting point	3695 K ​(3422 °C, ​6192 °F)
Boiling point	6203 K ​(5930 °C, ​10706 °F)
Density (near r.t.)	19.25 g/cm3
when liquid (at m.p.)	17.6 g/cm3
Heat of fusion	52.31 kJ/mol[3][4]
Heat of vaporization	774 kJ/mol
Molar heat capacity	24.27 J/(mol·K)
Vapor pressure P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k at T (K) 3477 3773 4137 4579 5127 5823
Atomic properties
Oxidation states	−4, −2, −1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6 (a mildly acidic oxide)
Electronegativity	Pauling scale: 2.36
Ionization energies	1st: 770 kJ/mol 2nd: 1700 kJ/mol
Atomic radius	empirical: 139 pm
Covalent radius	162±7 pm
Spectral lines of tungsten
Other properties
Natural occurrence	primordial
Crystal structure	​body-centered cubic (bcc)
Speed of sound thin rod	4620 m/s (at r.t.) (annealed)
Thermal expansion	4.5 µm/(m⋅K) (at 25 °C)
Thermal conductivity	173 W/(m⋅K)
Electrical resistivity	52.8 nΩ⋅m (at 20 °C)
Magnetic ordering	paramagnetic[5]
Molar magnetic susceptibility	+59.0×10−6 cm3/mol (298 K)[6]
Young’s modulus	411 GPa
Shear modulus	161 GPa
Bulk modulus	310 GPa
Poisson ratio	0.28
Mohs hardness	7.5
Vickers hardness	3430–4600 MPa
Brinell hardness	2000–4000 MPa
CAS Number	7440-33-7
History
Discovery and first isolation	Juan José Elhuyar and Fausto Elhuyar[7] (1783)
Named by	Torbern Bergman (1781)
Symbol	«W»: from Wolfram, originally from Middle High German wolf-rahm ‘wolf’s foam’ describing the mineral wolframite[8]
Main isotopes of tungsten v e
Iso­tope Decay abun­dance half-life (t1/2) mode pro­duct 180W 0.12% 1.8×1018 y α 176Hf 181W syn 121.2 d ε 181Ta 182W 26.50% stable 183W 14.31% stable 184W 30.64% stable 185W syn 75.1 d β− 185Re 186W 28.43% stable
Category: Tungsten view talk edit | references

Tungsten, or wolfram,^[9][10] is a chemical element with the symbol W and atomic number 74. Tungsten is a rare metal found naturally on Earth almost exclusively as compounds with other elements. It was identified as a new element in 1781 and first isolated as a metal in 1783. Its important ores include scheelite and wolframite, the latter lending the element its alternate name.

The free element is remarkable for its robustness, especially the fact that it has the highest melting point of all known elements barring carbon (which sublimes at normal pressure), melting at 3,422 °C (6,192 °F; 3,695 K). It also has the highest boiling point, at 5,930 °C (10,706 °F; 6,203 K).^[11] Its density is 19.30 grams per cubic centimetre (0.697 lb/cu in),^[12] comparable with that of uranium and gold, and much higher (about 1.7 times) than that of lead.^[13] Polycrystalline tungsten is an intrinsically brittle^[14][15][16] and hard material (under standard conditions, when uncombined), making it difficult to work into metal. However, pure single-crystalline tungsten is more ductile and can be cut with a hard-steel hacksaw.^[17]

Tungsten occurs in many alloys, which have numerous applications, including incandescent light bulb filaments, X-ray tubes, electrodes in gas tungsten arc welding, superalloys, and radiation shielding. Tungsten’s hardness and high density make it suitable for military applications in penetrating projectiles. Tungsten compounds are often used as industrial catalysts.

Tungsten is the only metal in the third transition series that is known to occur in biomolecules, being found in a few species of bacteria and archaea. However, tungsten interferes with molybdenum and copper metabolism and is somewhat toxic to most forms of animal life.^[18][19]

Characteristics[edit]

Physical properties[edit]

In its raw form, tungsten is a hard steel-grey metal that is often brittle and hard to work. Purified, monocrystalline tungsten retains its hardness (which exceeds that of many steels), and becomes malleable enough that it can be worked easily.^[17] It is worked by forging, drawing, or extruding but it is more commonly formed by sintering.

Of all metals in pure form, tungsten has the highest melting point (3,422 °C, 6,192 °F), lowest vapor pressure (at temperatures above 1,650 °C, 3,000 °F), and the highest tensile strength.^[20] Although carbon remains solid at higher temperatures than tungsten, carbon sublimes at atmospheric pressure instead of melting, so it has no melting point. Moreover, tungsten’s most stable crystal phase does not exhibit any high-pressure-induced structural transformations for pressures up to at least 364 gigapascals.^[21] Tungsten has the lowest coefficient of thermal expansion of any pure metal. The low thermal expansion and high melting point and tensile strength of tungsten originate from strong metallic bonds formed between tungsten atoms by the 5d electrons.^[22]
Alloying small quantities of tungsten with steel greatly increases its toughness.^[13]

Tungsten exists in two major crystalline forms: α and β. The former has a body-centered cubic structure and is the more stable form. The structure of the β phase is called A15 cubic; it is metastable, but can coexist with the α phase at ambient conditions owing to non-equilibrium synthesis or stabilization by impurities. Contrary to the α phase which crystallizes in isometric grains, the β form exhibits a columnar habit. The α phase has one third of the electrical resistivity^[23] and a much lower superconducting transition temperature T_C relative to the β phase: ca. 0.015 K vs. 1–4 K; mixing the two phases allows obtaining intermediate T_C values.^[24][25] The T_C value can also be raised by alloying tungsten with another metal (e.g. 7.9 K for W-Tc).^[26] Such tungsten alloys are sometimes used in low-temperature superconducting circuits.^[27][28][29]

Isotopes[edit]

Naturally occurring tungsten consists of four stable isotopes (¹⁸²W, ¹⁸³W, ¹⁸⁴W, and ¹⁸⁶W) and one very long-lived radioisotope, ¹⁸⁰W. Theoretically, all five can decay into isotopes of element 72 (hafnium) by alpha emission, but only ¹⁸⁰W has been observed to do so, with a half-life of (1.8±0.2)×10¹⁸ years;^[30][31] on average, this yields about two alpha decays of ¹⁸⁰W per gram of natural tungsten per year.^[32] This rate is equivalent to a specific activity of roughly 63 micro-becquerel per kilogram. This rate of decay is orders of magnitude lower than that observed in carbon or potassium as found on earth, which likewise contain small amounts of long-lived radioactive isotopes. Bismuth was long thought to be non-radioactive, but ²⁰⁹
Bi (its longest lived isotope) actually decays with a half life of 2.01×10¹⁹ years or about a factor 10 slower than ¹⁸⁰
W. However, due to naturally occurring bismuth being 100% ²⁰⁹
Bi, its specific activity is actually higher than that of natural tungsten at 3 milli-becquerel per kilogram. The other naturally occurring isotopes of tungsten have not been observed to decay, constraining their half-lives to be at least 4 × 10²¹ years — if they decay at all.

Another 30 artificial radioisotopes of tungsten have been characterized, the most stable of which are ¹⁸¹W with a half-life of 121.2 days, ¹⁸⁵W with a half-life of 75.1 days, ¹⁸⁸W with a half-life of 69.4 days, ¹⁷⁸W with a half-life of 21.6 days, and ¹⁸⁷W with a half-life of 23.72 h.^[32] All of the remaining radioactive isotopes have half-lives of less than 3 hours, and most of these have half-lives below 8 minutes.^[32] Tungsten also has 11 meta states, with the most stable being ^179mW (t_1/2 6.4 minutes).

Chemical properties[edit]

Tungsten is a mostly non-reactive element: it does not react with water, is immune to attack by most acids and bases, and does not react with oxygen or air at room temperature. At elevated temperatures (i.e., when red-hot) it reacts with oxygen to form the trioxide compound tungsten(VI), WO₃. It will, however, react directly with fluorine (F₂) at room temperature to form tungsten(VI) fluoride (WF₆), a colorless gas. At around 250 °C it will react with chlorine or bromine, and under certain hot conditions will react with iodine. Finely divided tungsten is pyrophoric.^[33][34]

The most common formal oxidation state of tungsten is +6, but it exhibits all oxidation states from −2 to +6.^[34][35] Tungsten typically combines with oxygen to form the yellow tungstic oxide, WO₃, which dissolves in aqueous alkaline solutions to form tungstate ions, WO²⁻
₄.

Tungsten carbides (W₂C and WC) are produced by heating powdered tungsten with carbon. W₂C is resistant to chemical attack, although it reacts strongly with chlorine to form tungsten hexachloride (WCl₆).^[13]

In aqueous solution, tungstate gives the heteropoly acids and polyoxometalate anions under neutral and acidic conditions. As tungstate is progressively treated with acid, it first yields the soluble, metastable «paratungstate A» anion, W
₇O⁶⁻
₂₄, which over time converts to the less soluble «paratungstate B» anion, H
₂W
₁₂O¹⁰⁻
₄₂.^[36] Further acidification produces the very soluble metatungstate anion, H
₂W
₁₂O⁶⁻
₄₀, after which equilibrium is reached. The metatungstate ion exists as a symmetric cluster of twelve tungsten-oxygen octahedra known as the Keggin anion. Many other polyoxometalate anions exist as metastable species. The inclusion of a different atom such as phosphorus in place of the two central hydrogens in metatungstate produces a wide variety of heteropoly acids, such as phosphotungstic acid H₃PW₁₂O₄₀.

Tungsten trioxide can form intercalation compounds with alkali metals. These are known as bronzes; an example is sodium tungsten bronze.

In gaseous form, tungsten forms the diatomic species W₂. These molecules feature a sextuple bond between tungsten atoms — the highest known bond order among stable atoms.^[37][38]

History[edit]

In 1781, Carl Wilhelm Scheele discovered that a new acid, tungstic acid, could be made from scheelite (at the time called tungsten).^[39][40] Scheele and Torbern Bergman suggested that it might be possible to obtain a new metal by reducing this acid.^[41] In 1783, José and Fausto Elhuyar found an acid made from wolframite that was identical to tungstic acid. Later that year, at the Royal Basque Society in the town of Bergara, Spain, the brothers succeeded in isolating tungsten by reduction of this acid with charcoal, and they are credited with the discovery of the element (they called it «wolfram» or «volfram»).^{[42][43][44][45][46]}

The strategic value of tungsten came to notice in the early 20th century. British authorities acted in 1912 to free the Carrock mine from the German owned Cumbrian Mining Company and, during World War I, restrict German access elsewhere.^[47] In World War II, tungsten played a more significant role in background political dealings. Portugal, as the main European source of the element, was put under pressure from both sides, because of its deposits of wolframite ore at Panasqueira. Tungsten’s desirable properties such as resistance to high temperatures, its hardness and density, and its strengthening of alloys made it an important raw material for the arms industry,^[48][49] both as a constituent of weapons and equipment and employed in production itself, e.g., in tungsten carbide cutting tools for machining steel.
Now tungsten is used in many more applications such as aircraft & motorsport ballast weights, darts, anti-vibration tooling, and sporting equipment.

Tungsten is unique amongst the elements in that it has been the subject of patent proceedings. In 1928, a US court rejected General Electric’s attempt to patent it, overturning U.S. Patent 1,082,933 granted in 1913 to William D. Coolidge.^[50][51][52]

Etymology[edit]

The name «tungsten» (which means «heavy stone» in Swedish) is used in English, French, and many other languages as the name of the element, but not in the Nordic countries. «Tungsten» was the old Swedish name for the mineral scheelite. «Wolfram» (or «volfram») is used in most European (especially Germanic, Spanish and Slavic) languages and is derived from the mineral wolframite, which is the origin of the chemical symbol W.^[17] The name «wolframite» is derived from German «wolf rahm» («wolf soot» or «wolf cream»), the name given to tungsten by Johan Gottschalk Wallerius in 1747. This, in turn, derives from Latin «lupi spuma«, the name Georg Agricola used for the element in 1546, which translates into English as «wolf’s froth» and is a reference to the large amounts of tin consumed by the mineral during its extraction, as though the mineral devoured it like a wolf.^[8] This naming follows a tradition of colorful names miners from the Ore Mountains would give various minerals, out of a superstition that certain ones that looked as if they contained then-known valuable metals but didn’t were somehow «hexed». Cobalt (c.f. Kobold), pitchblende (c.f. German «blenden» for «to blind» or «to deceive») and nickel (c.f. «Old Nick») derive their names from the same miner’s idiom.

Occurrence[edit]

Tungsten has thus far not been found in nature in its pure form.^[53] Instead, tungsten is found mainly in the minerals wolframite and scheelite.^[53] Wolframite is iron–manganese tungstate (Fe,Mn)WO₄, a solid solution of the two minerals ferberite (FeWO₄) and hübnerite (MnWO₄), while scheelite is calcium tungstate (CaWO₄). Other tungsten minerals range in their level of abundance from moderate to very rare, and have almost no economic value.

Chemical compounds[edit]

Tungsten forms chemical compounds in oxidation states from -II to VI. Higher oxidation states, always as oxides, are relevant to its terrestrial occurrence and its biological roles, mid-level oxidation states are often associated with metal clusters, and very low oxidation states are typically associated with CO complexes. The chemistries of tungsten and molybdenum show strong similarities to each other, as well as contrasts with their lighter congener, chromium. The relative rarity of tungsten(III), for example, contrasts with the pervasiveness of the chromium(III) compounds. The highest oxidation state is seen in tungsten(VI) oxide (WO₃).^[54] Tungsten(VI) oxide is soluble in aqueous base, forming tungstate (WO₄²⁻). This oxyanion condenses at lower pH values, forming polyoxotungstates.^[55]

The broad range of oxidation states of tungsten is reflected in its various chlorides:^[54]

• Tungsten(II) chloride, which exists as the hexamer W₆Cl₁₂
• Tungsten(III) chloride, which exists as the hexamer W₆Cl₁₈
• Tungsten(IV) chloride, WCl₄, a black solid, which adopts a polymeric structure.
• Tungsten(V) chloride WCl₅, a black solid which adopts a dimeric structure.
• Tungsten(VI) chloride WCl₆, which contrasts with the instability of MoCl₆.

Organotungsten compounds are numerous and also span a range of oxidation states. Notable examples include the trigonal prismatic W(CH₃)₆ and octahedral W(CO)₆.

Production[edit]

Reserves[edit]

The world’s reserves of tungsten are 3,200,000 tonnes; they are mostly located in China (1,800,000 t), Canada (290,000 t),^[56] Russia (160,000 t), Vietnam (95,000 t) and Bolivia. As of 2017, China, Vietnam and Russia are the leading suppliers with 79,000, 7,200 and 3,100 tonnes, respectively. Canada had ceased production in late 2015 due to the closure of its sole tungsten mine. Meanwhile, Vietnam had significantly increased its output in the 2010s, owing to the major optimization of its domestic refining operations, and overtook Russia and Bolivia.^[57]

China remains the world’s leader not only in production, but also in export and consumption of tungsten products. Tungsten production is gradually increasing outside China because of the rising demand. Meanwhile, its supply by China is strictly regulated by the Chinese Government, which fights illegal mining and excessive pollution originating from mining and refining processes.^[58]

There is a large deposit of tungsten ore on the edge of Dartmoor in the United Kingdom, which was exploited during World War I and World War II as the Hemerdon Mine. Following increases in tungsten prices, this mine was reactivated in 2014,^[59] but ceased activities in 2018.^[60]

Within the EU, the Austrian Felbertal scheelite deposit is one of the few producing tungsten mines.^[61] Portugal is one of Europe’s main tungsten producers, with 121 kt of contained tungsten in mineral concentrates from 1910 to 2020, accounting for roughly 3.3% of the global production.^[62]

Tungsten is considered to be a conflict mineral due to the unethical mining practices observed in the Democratic Republic of the Congo.^[63][64]

[edit]

Tungsten is extracted from its ores in several stages. The ore is eventually converted to tungsten(VI) oxide (WO₃), which is heated with hydrogen or carbon to produce powdered tungsten.^[41] Because of tungsten’s high melting point, it is not commercially feasible to cast tungsten ingots. Instead, powdered tungsten is mixed with small amounts of powdered nickel or other metals, and sintered. During the sintering process, the nickel diffuses into the tungsten, producing an alloy.

Tungsten can also be extracted by hydrogen reduction of WF₆:

WF₆ + 3 H₂ → W + 6 HF

or pyrolytic decomposition:^[65]

WF₆ → W + 3 F₂ (ΔH_r = +)

Tungsten is not traded as a futures contract and cannot be tracked on exchanges like the London Metal Exchange. The tungsten industry often uses independent pricing references such as Argus Media or Metal Bulletin as a basis for contracts.^[66] The prices are usually quoted for tungsten concentrate or WO₃.^[57]

Applications[edit]

Approximately half of the tungsten is consumed for the production of hard materials – namely tungsten carbide – with the remaining major use being in alloys and steels. Less than 10% is used in other chemical compounds.^[67] Because of the high ductile-brittle transition temperature of tungsten, its products are conventionally manufactured through powder metallurgy, spark plasma sintering, chemical vapor deposition, hot isostatic pressing, and thermoplastic routes. A more flexible manufacturing alternative is selective laser melting, which is a form of 3D printing and allows creating complex three-dimensional shapes.^[68]

Industrial[edit]

Tungsten is mainly used in the production of hard materials based on tungsten carbide (WC), one of the hardest carbides. WC is an efficient electrical conductor, but W₂C is less so. WC is used to make wear-resistant abrasives, and «carbide» cutting tools such as knives, drills, circular saws, dies, milling and turning tools used by the metalworking, woodworking, mining, petroleum and construction industries.^[13] Carbide tooling is actually a ceramic/metal composite, where metallic cobalt acts as a binding (matrix) material to hold the WC particles in place. This type of industrial use accounts for about 60% of current tungsten consumption.^[69]

The jewelry industry makes rings of sintered tungsten carbide, tungsten carbide/metal composites, and also metallic tungsten.^[70] WC/metal composite rings use nickel as the metal matrix in place of cobalt because it takes a higher luster when polished. Sometimes manufacturers or retailers refer to tungsten carbide as a metal, but it is a ceramic.^[71] Because of tungsten carbide’s hardness, rings made of this material are extremely abrasion resistant, and will hold a burnished finish longer than rings made of metallic tungsten. Tungsten carbide rings are brittle, however, and may crack under a sharp blow.^[72]

Alloys[edit]

The hardness and heat resistance of tungsten can contribute to useful alloys. A good example is high-speed steel, which can contain as much as 18% tungsten.^[73] Tungsten’s high melting point makes tungsten a good material for applications like rocket nozzles, for example in the UGM-27 Polaris submarine-launched ballistic missile.^[74] Tungsten alloys are used in a wide range of applications, including the aerospace and automotive industries and radiation shielding.^[75] Superalloys containing tungsten, such as Hastelloy and Stellite, are used in turbine blades and wear-resistant parts and coatings.

Tungsten’s heat resistance makes it useful in arc welding applications when combined with another highly-conductive metal such as silver or copper. The silver or copper provides the necessary conductivity and the tungsten allows the welding rod to withstand the high temperatures of the arc welding environment.^[76]

Permanent magnets[edit]

Quenched (martensitic) tungsten steel (approx. 5.5% to 7.0% W with 0.5% to 0.7% C) was used for making hard permanent magnets, due to its high remanence and coercivity, as noted by John Hopkinson (1849–1898) as early as 1886. The magnetic properties of a metal or an alloy are very sensitive to microstructure. For example, while the element tungsten is not ferromagnetic (but iron is), when it is present in steel in these proportions, it stabilizes the martensite phase, which has greater ferromagnetism than the ferrite (iron) phase due to its greater resistance to magnetic domain wall motion.

Military[edit]

Tungsten, usually alloyed with nickel, iron, or cobalt to form heavy alloys, is used in kinetic energy penetrators as an alternative to depleted uranium, in applications where uranium’s radioactivity is problematic even in depleted form, or where uranium’s additional pyrophoric properties are not desired (for example, in ordinary small arms bullets designed to penetrate body armor). Similarly, tungsten alloys have also been used in shells, grenades, and missiles, to create supersonic shrapnel. Germany used tungsten during World War II to produce shells for anti-tank gun designs using the Gerlich squeeze bore principle to achieve very high muzzle velocity and enhanced armor penetration from comparatively small caliber and light weight field artillery. The weapons were highly effective but a shortage of tungsten used in the shell core, caused in part by the Wolfram Crisis, limited their use.^{[citation needed]}

Tungsten has also been used in Dense inert metal explosives, which use it as dense powder to reduce collateral damage while increasing the lethality of explosives within a small radius.^[77]

Chemical applications[edit]

Tungsten(IV) sulfide is a high temperature lubricant and is a component of catalysts for hydrodesulfurization.^[78] MoS₂ is more commonly used for such applications.^[79]

Tungsten oxides are used in ceramic glazes and calcium/magnesium tungstates are used widely in fluorescent lighting. Crystal tungstates are used as scintillation detectors in nuclear physics and nuclear medicine. Other salts that contain tungsten are used in the chemical and tanning industries.^[20]
Tungsten oxide (WO₃) is incorporated into selective catalytic reduction (SCR) catalysts found in coal-fired power plants. These catalysts convert nitrogen oxides (NO_x) to nitrogen (N₂) and water (H₂O) using ammonia (NH₃). The tungsten oxide helps with the physical strength of the catalyst and extends catalyst life.^[80] Tungsten containing catalysts are promising for epoxidation,^[81] oxidation,^[82] and hydrogenolysis reactions.^[83] Tungsten heteropoly acids are key component of multifunctional catalysts.^[84] Tungstates can be used as photocatalyst,^[85] while the tungsten sulfide as electrocatalyst.^[86]

Niche uses[edit]

Applications requiring its high density include weights, counterweights, ballast keels for yachts, tail ballast for commercial aircraft, rotor weights for civil and military helicopters, and as ballast in race cars for NASCAR and Formula One.^[87] Being slightly less than twice the density, Tungsten is seen as an alternative (albeit more expensive) to lead fishing sinkers. Depleted uranium is also used for these purposes, due to similarly high density. Seventy-five-kg blocks of tungsten were used as «cruise balance mass devices» on the entry vehicle portion of the 2012 Mars Science Laboratory spacecraft. It is an ideal material to use as a dolly for riveting, where the mass necessary for good results can be achieved in a compact bar. High-density alloys of tungsten with nickel, copper or iron are used in high-quality darts^[88] (to allow for a smaller diameter and thus tighter groupings) or for artificial flys (tungsten beads allow the fly to sink rapidly). Tungsten is also used as a heavy bolt to lower the rate of fire of the SWD M11/9 sub-machine gun from 1300 RPM to 700 RPM. Tungsten has seen use recently in nozzles for 3D printing; the high wear resistance and thermal conductivity of tungsten carbide improves the printing of abrasive filaments.^[89] Some string instrument strings are wound with tungsten.^{[90][unreliable source?]} Tungsten is used as an absorber on the electron telescope on the Cosmic Ray System of the two Voyager spacecraft.^[91]

Gold substitution[edit]

Its density, similar to that of gold, allows tungsten to be used in jewelry as an alternative to gold or platinum.^[17][92] Metallic tungsten is hypoallergenic, and is harder than gold alloys (though not as hard as tungsten carbide), making it useful for rings that will resist scratching, especially in designs with a brushed finish.

Because the density is so similar to that of gold (tungsten is only 0.36% less dense), and its price of the order of one-thousandth, tungsten can also be used in counterfeiting of gold bars, such as by plating a tungsten bar with gold,^[93][94][95] which has been observed since the 1980s,^[96] or taking an existing gold bar, drilling holes, and replacing the removed gold with tungsten rods.^[97] The densities are not exactly the same, and other properties of gold and tungsten differ, but gold-plated tungsten will pass superficial tests.^[93]

Gold-plated tungsten is available commercially from China (the main source of tungsten), both in jewelry and as bars.^[98]

Electronics[edit]

Because it retains its strength at high temperatures and has a high melting point, elemental tungsten is used in many high-temperature applications,^[99] such as incandescent light bulb, cathode-ray tube, and vacuum tube filaments, heating elements, and rocket engine nozzles.^[17] Its high melting point also makes tungsten suitable for aerospace and high-temperature uses such as electrical, heating, and welding applications, notably in the gas tungsten arc welding process (also called tungsten inert gas (TIG) welding).^[100]

Because of its conductive properties and relative chemical inertness, tungsten is also used in electrodes, and in the emitter tips in electron-beam instruments that use field emission guns, such as electron microscopes. In electronics, tungsten is used as an interconnect material in integrated circuits, between the silicon dioxide dielectric material and the transistors. It is used in metallic films, which replace the wiring used in conventional electronics with a coat of tungsten (or molybdenum) on silicon.^[65]

The electronic structure of tungsten makes it one of the main sources for X-ray targets,^[101][102] and also for shielding from high-energy radiations (such as in the radiopharmaceutical industry for shielding radioactive samples of FDG). It is also used in gamma imaging as a material from which coded apertures are made, due to its excellent shielding properties. Tungsten powder is used as a filler material in plastic composites, which are used as a nontoxic substitute for lead in bullets, shot, and radiation shields. Since this element’s thermal expansion is similar to borosilicate glass, it is used for making glass-to-metal seals.^[20] In addition to its high melting point, when tungsten is doped with potassium, it leads to an increased shape stability (compared with non-doped tungsten). This ensures that the filament does not sag, and no undesired changes occur.^[103]

Nanowires[edit]

Through top-down nanofabrication processes, tungsten nanowires have been fabricated and studied since 2002.^[104] Due to a particularly high surface to volume ratio, the formation of a surface oxide layer and the single crystal nature of such material, the mechanical properties differ fundamentally from those of bulk tungsten.^[105] Such tungsten nanowires have potential applications in nanoelectronics and importantly as pH probes and gas sensors.^[106] In similarity to silicon nanowires, tungsten nanowires are frequently produced from a bulk tungsten precursor followed by a thermal oxidation step to control morphology in terms of length and aspect ratio.^[107] Using the Deal–Grove model it is possible to predict the oxidation kinetics of nanowires fabricated through such thermal oxidation processing.^[108]

Fusion power[edit]

Due to its high melting point and good erosion resistance, tungsten is a lead candidate for the most exposed sections of the plasma-facing inner wall of nuclear fusion reactors. It will be used as the plasma-facing material of the divertor in the ITER reactor,^[109] and is currently in use in the JET test reactor.

Biological role[edit]

Tungsten, at atomic number Z = 74, is the heaviest element known to be biologically functional. It is used by some bacteria and archaea,^[110] but not in eukaryotes. For example, enzymes called oxidoreductases use tungsten similarly to molybdenum by using it in a tungsten-pterin complex with molybdopterin (molybdopterin, despite its name, does not contain molybdenum, but may complex with either molybdenum or tungsten in use by living organisms). Tungsten-using enzymes typically reduce carboxylic acids to aldehydes.^[111] The tungsten oxidoreductases may also catalyse oxidations. The first tungsten-requiring enzyme to be discovered also requires selenium, and in this case the tungsten-selenium pair may function analogously to the molybdenum-sulfur pairing of some molybdopterin-requiring enzymes.^[112] One of the enzymes in the oxidoreductase family which sometimes employ tungsten (bacterial formate dehydrogenase H) is known to use a selenium-molybdenum version of molybdopterin.^[113] Acetylene hydratase is an unusual metalloenzyme in that it catalyzes a hydration reaction. Two reaction mechanisms have been proposed, in one of which there is a direct interaction between the tungsten atom and the C≡C triple bond.^[114] Although a tungsten-containing xanthine dehydrogenase from bacteria has been found to contain tungsten-molydopterin and also non-protein bound selenium, a tungsten-selenium molybdopterin complex has not been definitively described.^[115]

In soil, tungsten metal oxidizes to the tungstate anion. It can be selectively or non-selectively imported by some prokaryotic organisms and may substitute for molybdate in certain enzymes. Its effect on the action of these enzymes is in some cases inhibitory and in others positive.^[116] The soil’s chemistry determines how the tungsten polymerizes; alkaline soils cause monomeric tungstates; acidic soils cause polymeric tungstates.^[117]

Sodium tungstate and lead have been studied for their effect on earthworms. Lead was found to be lethal at low levels and sodium tungstate was much less toxic, but the tungstate completely inhibited their reproductive ability.^[118]

Tungsten has been studied as a biological copper metabolic antagonist, in a role similar to the action of molybdenum. It has been found that tetrathiotungstate [zh] salts may be used as biological copper chelation chemicals, similar to the tetrathiomolybdates.^[119]

In archaea[edit]

Tungsten is essential for some archaea. The following tungsten-utilizing enzymes are known:

• Aldehyde ferredoxin oxidoreductase (AOR) in Thermococcus strain ES-1
• Formaldehyde ferredoxin oxidoreductase (FOR) in Thermococcus litoralis
• Glyceraldehyde-3-phosphate ferredoxin oxidoreductase (GAPOR) in Pyrococcus furiosus

A wtp system is known to selectively transport tungsten in archaea:

• WtpA is tungsten-binding protein of ABC family of transporters
• WptB is a permease
• WtpC is ATPase^[120]

Health factors[edit]

Because tungsten is a rare metal^[121] and its compounds are generally inert, the effects of tungsten on the environment are limited.^[122] The abundance of tungsten in the Earth’s crust is thought to be about 1.5 parts per million. It is one of the rarer elements.

It was at first believed to be relatively inert and an only slightly toxic metal, but beginning in the year 2000, the risk presented by tungsten alloys, its dusts and particulates to induce cancer and several other adverse effects in animals as well as humans has been highlighted from in vitro and in vivo experiments.^[123][124]
The median lethal dose LD₅₀ depends strongly on the animal and the method of administration and varies between 59 mg/kg (intravenous, rabbits)^[125][126] and 5000 mg/kg (tungsten metal powder, intraperitoneal, rats).^[127][128]

People can be exposed to tungsten in the workplace by breathing it in, swallowing it, skin contact, and eye contact. The National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) has set a recommended exposure limit (REL) of 5 mg/m³ over an 8-hour workday and a short term limit of 10 mg/m³.^[129]

See also[edit]

• Field emission gun
• Tungsten oxide
• List of chemical elements name etymologies
• List of chemical elements naming controversies

References[edit]

External links[edit]

• Properties, Photos, History, MSDS
• CDC – NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards
• Tungsten at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
• Picture in the collection from Heinrich Pniok Archived 2010-03-18 at the Wayback Machine
• Elementymology & Elements Multidict by Peter van der Krogt – Tungsten
• International Tungsten Industry Association

74 Тантал ← Вольфрам → Рений 74W
Внешний вид простого вещества
Тугоплавкий прочный металл, стального цвета или белый
Свойства атома
Имя, символ, номер	Вольфра́м/Wolframium (W), 74
Атомная масса (молярная масса)	183,84 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Xe] 4f14 5d4 6s2
Радиус атома	141 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	170 пм
Радиус иона	(+6e) 62 (+4e) 70 пм
Электроотрицательность	2.3 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	W ← W3+ 0,11 В W ← W6+ 0,68 В
Степени окисления	6, 5, 4, 3, 2, 0
Энергия ионизации (первый электрон)	769,7 (7,98) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	19300 кг/м³ 19,3 г/см³
Температура плавления	3380  °C, 3653 K
Температура кипения	5555  °C, 5828 K
Теплота плавления	191 кДж/кг 35 кДж/моль
Теплота испарения	4482 кДж/кг 824 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	24,27[1] Дж/(K·моль)
Молярный объём	9,53 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая объёмноцентрированая
Параметры решётки	3,160 Å
Температура Дебая	310,00 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 173 Вт/(м·К)

Вольфра́м — химический элемент с атомным номером 74 в периодической системе, обозначается символом W (лат. Wolframium), твёрдый серый переходный металл.

Вольфрам — самый тугоплавкий металл (элемент) среди природных элементов. При стандартных условиях химически стоек.

История и происхождение названия

Название Wolframium перешло на элемент с минерала вольфрамит, известного ещё в XVI в. под названием «волчья пена» — «Spuma lupi» на латыни, или «Wolf Rahm» по-немецки. Название было связано с тем, что вольфрам, сопровождая оловянные руды, мешал выплавке олова, переводя его в пену шлаков («пожирает олово как волк овцу»).

В настоящее время в США, Великобритании и Франции для вольфрама используют название «tungsten» (швед. tung sten — «тяжелый камень»).

В 1781 знаменитый шведский химик Шееле , обрабатывая азотной кислотой минерал шеелит, получил жёлтый «тяжелый камень». В 1783 испанские химики братья Элюар сообщили о получении из саксонского минерала вольфрамита жёлтой окиси нового металла, растворимой в аммиаке. При этом один из братьев, Фаусто, был в Швеции в 1781 и общался с Шееле. Шееле не претендовал на открытие вольфрама, а братья Элюар не настаивали на своём приоритете.

Нахождение в природе

Кларк вольфрама земной коры составляет (по Виноградову) 1,3 г/т(0.0013 % по содержанию в земной коре). Его среднее содержание в горных породах, г/т: ультраосновных — 0,1, основных — 0,7, средних — 1,2, кислых — 1,9.

Вольфрам встречается в природе главным образом в виде окисленных сложных соединений, образованных трехокисью вольфрама WO₃ с оксидами железа и марганца или кальция, а иногда свинца, меди, тория и редкоземельных элементов. Промышленное значение имеют вольфрамит (вольфрамат железа и марганца nFeWO₄ * mMnWO₄ — соответственно, ферберит и гюбнерит) и шеелит (вольфрамат кальция CaWO₄). Вольфрамовые минералы обычно вкраплены в гранитные породы, так что средняя концентрация вольфрама составляет 1-2 %.

Месторождения

Наиболее крупными запасами обладают Казахстан, Китай, Канада и США; известны также месторождения в Боливии, Португалии, России и Южной Корее. Мировое производство вольфрама составляет 49-50 тысяч тонн в год, в том числе в Китае 41, России 3,5; Казахстане 0,7, Австрии 0,5. Основные экспортёры вольфрама: Китай, Южная Корея, Австрия. Главные импортёры: США, Япония, Германия, Великобритания.
Также есть месторождения вольфрама в Армении и других странах.

Получение

Процесс получения вольфрама проходит через подстадию выделения триоксида WO₃ из рудных концентратов и последующем восстановлении до металлического порошка водородом при температуре ок. 700 °C. Из-за высокой температуры плавления вольфрама для получения компактной формы используются методы порошковой металлургии: полученный порошок прессуют, спекают в атмосфере водорода при температуре 1200—1300 °C, затем пропускают через него электрический ток. Металл нагревается до 3000 °C, при этом происходит спекание в монолитный материал. Для последующей очистки и получения монокристаллической формы используется зонная плавка.

Физические свойства

Вольфрам — светло-серый металл, имеющий самые высокие доказанные температуры плавления и кипения (предполагается, что сиборгий ещё более тугоплавок, но пока что об этом твёрдо утверждать нельзя — время существования сиборгия очень мало).

Некоторые физические свойства приведены в таблице (см. выше). Другие физические свойства вольфрама:

• твердость по Бринеллю 488 кг/мм².
• удельное электрическое сопротивление при 20 °C 55·10⁻⁹ Ом·м, при 2700 °C — 904·10⁻⁹ Ом·м.
• скорость звука в отожжённом вольфраме 4290 м/с.
• магнитная восприимчивость 0,32·10⁻⁹ (парамагнетик).

Вольфрам является одним из наиболее тяжелых, твердых и самым тугоплавким металлом. В чистом виде представляет собой металл серебристо-белого цвета, похожий на платину, при температуре около 1600 °C хорошо поддается ковке и может быть вытянут в тонкую нить.

Химические свойства

Проявляет валентность от 2 до 6. Наиболее устойчив 6-валентный вольфрам. 3- и 2-валентные соединения вольфрама неустойчивы и практического значения не имеют.

Вольфрам имеет высокую коррозионную стойкость: при комнатной температуре не изменяется на воздухе; при температуре красного каления медленно окисляется в оксид вольфрама (VI). Вольфрам в ряду напряжений стоит сразу после водорода, и в соляной, разбавленной серной и плавиковой кислотах почти не растворим. В азотной кислоте и царской водке окисляется с поверхности.

Легко растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот^[2]:

Реагирует с расплавленными щелочами в присутствии окислителей^[3]:

Поначалу, данные реакции идут медленно, однако при достижении 400 °C (500 °C для реакции с участием кислорода) вольфрам начинает саморазогреваться и реакция протекает достаточно бурно, с образованием большого количества тепла.

В смеси азотной и плавиковой кислоты растворяется, образуя гексафторвольфрамовую кислоту H₂[WF₆]. Из соединений вольфрама наибольшее значение имеют: триоксид вольфрама или вольфрамовый ангидрид, вольфраматы, перекисные соединения с общей формулой Me₂WO_X, а также соединения с галогенами, серой и углеродом. Вольфраматы склонны к образованию полимерных анионов, в том числе гетерополисоединений с включением других переходных металлов.

Применение

Главное применение вольфрама — как основа тугоплавких материалов в металлургии.

Металлический вольфрам

• Тугоплавкость и пластичность вольфрама делают его незаменимым для нитей накаливания в осветительных приборах, а также в кинескопах и других вакуумных трубках.
• Благодаря высокой плотности вольфрам является основой тяжёлых сплавов, которые используются для противовесов, бронебойных сердечников подкалиберных и стреловидных оперенных снарядов артиллерийских орудий, сердечников бронебойных пуль и сверхскоростных роторов гироскопов для стабилизации полёта баллистических ракет (до 180 тыс. об/мин).
• Вольфрам используют в качестве электродов для аргоно-дуговой сварки.
• Сплавы вольфрама, ввиду его высокой температуры плавления, получают методом порошковой металлургии. Сплавы, содержащие вольфрам, отличаются жаропрочностью, кислотостойкостью, твердостью и устойчивостью к истиранию. Из них изготовляют хирургические инструменты (сплав «амалой»), танковую броню, оболочки торпед и снарядов, наиболее важные детали самолетов и двигателей, контейнеры для хранения радиоактивных веществ. Вольфрам — важный компонент лучших марок инструментальных сталей.
• Карбид вольфрама (зачастую наряду или вместо карбида титана) используют как наполнитель в твёрдых сплавах — керметах (победит), где матрицей служит кобальт (5-16 %).
• Вольфрам применяется в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления в качестве нагревательных элементов. Сплав вольфрама и рения применяется в таких печах в качестве термопары.

Соединения вольфрама

• Для механической обработки металлов и неметаллических конструкционных материалов в машиностроении (точение, фрезерование, строгание, долбление), бурения скважин, в горнодобывающей промышленности широко используются твёрдые сплавы и композитные материалы на основе карбида вольфрама (например, победит, состоящий из кристаллов WC в кобальтовой матрице; широко применяемые в России марки — ВК2, ВК4, ВК6, ВК8, ВК15, ВК25, Т5К10, Т15К6, Т30К4), а также смесей карбида вольфрама, карбида титана, карбида тантала (марки ТТ для особо тяжёлых условий обработки, например, долбление и строгание поковок из жаропрочных сталей и перфораторное ударно-поворотное бурение крепкого материала). Широко используется в качестве легирующего элемента (часто совместно с молибденом) в сталях и сплавах на основе железа. Высоколегированная сталь, относящаяся к классу «быстрорежущая», с маркировкой, начинающейся на букву Р, практически всегда содержит вольфрам.
• Сульфид вольфрама WS₂ применяется как высокотемпературная (до 500 °C) смазка.

• Некоторые соединения вольфрама применяются как катализаторы и пигменты.

• Монокристаллы вольфраматов (вольфраматы свинца, кадмия, кальция) используются как сцинтилляционные детекторы рентгеновского излучения и других ионизирующих излучений в ядерной физике и ядерной медицине.

• Дителлурид вольфрама WTe₂ применяется для преобразования тепловой энергии в электрическую (термо-ЭДС около 57 мкВ/К).

Другие сферы применения

Искусственный радионуклид ¹⁸⁵W используется в качестве радиоактивной метки при исследованиях вещества. Стабильный ¹⁸⁴W используется как компонент сплавов с ураном-235, применяемых в твердофазных ядерных ракетных двигателях, поскольку это единственный из распространённых изотопов вольфрама, имеющий низкое сечение захвата тепловых нейтронов (около 2 барн).

Рынок вольфрама

Цены на металлический вольфрам чистотой около 99 % на конец 2010 года составляли около 40-42 долларов США за килограмм, в мае 2011 года составляли около 53-55 долларов США за килограмм. Полуфабрикаты от 58 USD (прутки) до 168 (тонкая полоса)^[4].

Биологическая роль

Вольфрам не играет значительной биологической роли. У некоторых архебактерий и бактерий имеются ферменты, включающие вольфрам в своем активном центре. Существуют облигатно-зависимые от вольфрама формы архебактерий-гипертермофилов, обитающие вокруг глубоководных гидротермальных источников. Присутствие вольфрама в составе ферментов может рассматриваться как физиологический реликт раннего архея — существуют предположения, что вольфрам играл роль в ранних этапах возникновения жизни^[5].

Пыль вольфрама, как и большинство других видов металлической пыли, раздражает органы дыхания.

Изотопы

Природный вольфрам состоит из пяти изотопов (¹⁸⁰W, ¹⁸²W, ¹⁸³W, ¹⁸⁴W и ¹⁸⁶W). Искусственно созданы и идентифицированы ещё 30 радионуклидов. В 2003 открыта^[6] чрезвычайно слабая радиоактивность природного вольфрама (примерно два распада на грамм элемента в год), обусловленная α-активностью ¹⁸⁰W, имеющего период полураспада 1,8·10¹⁸ лет^[7].

Интересные факты

Вольфрам — самый тугоплавкий металл. Температура плавления 3380 °C, кипения 5900 °C. Примерно такую же температуру имеет фотосфера Солнца^[8].

Плотность вольфрама почти равняется плотности золота: 19,30 г/см³ против 19,32 г/см³ соответственно.

Примечания

Ссылки

	Вольфрам на Викискладе?

• Вольфрам на Webelements
• Вольфрам в Популярной библиотеке химических элементов
• Мировые цены на вольфрам (сайт на англ. языке)

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
	1	2															3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
1	H		He
2	Li	Be		B	C	N	O	F	Ne
3	Na	Mg		Al	Si	P	S	Cl	Ar
4	K	Ca		Sc	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
5	Rb	Sr		Y	Zr	Nb	Mo	Tc	Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
6	Cs	Ba	La	Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
7	Fr	Ra	Ac	Th	Pa	U	Np	Pu	Am	Cm	Bk	Cf	Es	Fm	Md	No	Lr	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn	Uut	Fl	Uup	Lv	Uus	Uuo
Щелочные металлы  Щёлочноземельные металлы  Лантаноиды Актиноиды Переходные металлы Другие металлы Металлоиды Другие неметаллы Галогены Инертные газы

Электрохимический ряд активности металлов
Eu, Sm, Li, Cs, Rb, K, Ra, Ba, Sr, Ca, Na, Ac, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Gd, Tb, Mg, Y, Dy, Am, Ho, Er, Tm, Lu, Sc, Pu, Th, Np, U, Hf, Be, Al, Ti, Zr, Yb, Mn, V, Nb, Pa, Cr, Zn, Ga, Fe, Cd, In, Tl, Co, Ni, Te, Mo, Sn, Pb, H2, W, Sb, Bi, Ge, Re, Cu, Tc, Te, Rh, Po, Hg, Ag, Pd, Os, Ir, Pt, Au Элементы расположены в порядке возрастания стандартного электродного потенциала.

Соединения вольфрама

Арсенид вольфрама (WAs2) • Борид вольфрама (WB) • Борид дивольфрама (W2B) • Бромид вольфрама(II) (WBr2) • Бромид вольфрама(IV) (WBr4) • Бромид вольфрама(V) (WBr5) • Бромид вольфрама(VI) (WBr6) • Вольфрамат бария (BaWO4) • Вольфрамат кадмия (CdWO4) • Вольфрамат кальция (CaWO4) • Вольфрамат калия (K2WO4) • Вольфрамат натрия (Na2WO4) • Вольфрамат свинца(II) (PbWO4) • Вольфрамат стронция (SrWO4) • Вольфрамат рубидия (Rb2WO4) • Вольфрамат цезия (Cs2WO4) • Вольфрамат цинка (ZnWO4) • Вольфрамовая кислота (H2WO4) • Гексакарбонил вольфрама (W(CO)6) • Диборид вольфрама (WB2) • Динитрид вольфрама (WN2) • Диоксидибромид вольфрама (WO2Br2) • Диоксидихлорид вольфрама (WO2Cl2) • Дисилицид вольфрама (WSi2) • Дифосфид вольфрама (WP2) • Дифосфид тетравольфрама (W4P2) • Иодид вольфрама(II) (WI2) • Иодид вольфрама(IV) (WI4) • Карбид вольфрама (WC) • Карбид дивольфрама (W2C) • Нитрид дивольфрама (W2N) • Оксид вольфрама(IV) (WO2) • Оксид вольфрама(VI) (WO3) • Окситетрабромид вольфрама(VI) (WOBr4) • Окситетрафторид вольфрама(VI) (WOF4) • Окситетрахлорид вольфрама(VI) (WOCl4) • Пентаборид дивольфрама (W2B5) • Селенид вольфрама(IV) (WSe2) • Селенид вольфрама(VI) (WSe3) • Силицид вольфрама (W2Si3) • Сульфид вольфрама(IV) (WS2) • Сульфид вольфрама(VI) (WS3) • Теллурид вольфрама(IV) (WTe2) • Тринитрид дивольфрама (W2N3) • Фосфид вольфрама (WP) • Фторид вольфрама(IV) (WF4) • Фторид вольфрама(VI) (WF6) • Хлорид вольфрама(II) (WCl2) • Хлорид вольфрама(IV) (WCl4) • Хлорид вольфрама(V) (WCl5) • Хлорид вольфрама(VI) (WCl6) •

Содержание статьи

• Вольфрам в природе. Типы месторождений.
• Переработка вольфрамового сырья.
• Свойства простого вещества.
• Свойства важнейших соединений вольфрама.
• Применение вольфрама.
• Технология изготовления вольфрамовых нитей и ее история.
• Биологическая роль вольфрама

ВОЛЬФРАМ – (Wolframium), W – химический элемент 6 (VIb) группы периодической системы Д.И.Менделеева, атомный номер 74, атомная масса 183,85. Известно 33 изотопа вольфрама: от ¹⁵⁸W до ¹⁹⁰W. В природе обнаружено пять изотопов, три из которых являются стабильными: ¹⁸⁰W (доля среди природных изотопов 0,120%), ¹⁸²W (26,498%), ¹⁸⁶W (28,426%), а другие два слабо радиоактивны: ¹⁸³W (14,314%, Т_½ = 1,1·10¹⁷ лет), ¹⁸⁴W (30,642%, Т_½ = 3·10¹⁷ лет). Конфигурация электронной оболочки – [Xe]4f¹⁴5d⁴6s². Наиболее характерна степень окисления +6. Известны соединения со степенями окисления вольфрама +5, +4, +3, +2 и 0.

Еще в 14–16 вв. горняки и металлурги в Рудных горах Саксонии отмечали, что некоторые руды нарушали процесс восстановления оловянного камня (минерала касситерита, SnO₂) и приводили к зашлаковыванию расплавленного металла. На профессиональном языке того времени этот процесс характеризовали так: «Эти руды вырывают олово и пожирают его, как волк пожирает овцу». Рудокопы дали этой «надоедливой» породе названия «Wolfert» и «Wolfrahm», что в переводе означает «волчья пена» или «пена в пасти у разъяренного волка». Немецкий химик и металлург Георг Агрикола в своем фундаментальном труде Двенадцать книг о металлах (1556) приводит латинское название этого минерала – Spuma Lupi, или Lupus spuma, которое по существу представляет собой кальку с народного немецкого названия.

В 1779 Питер Вульф (Peter Wulf) исследовал минерал, сейчас называемый вольфрамитом (FeWO₄·xMnWO₄), и пришел к выводу, что тот должен содержать неизвестное ранее вещество. В 1783 в Испании братья д’Эльгуйяр (Juan Jose и Fausto D’Elhuyar de Suvisa) при помощи азотной кислоты выделили из этого минерала «кислую землю» – желтый осадок оксида неизвестного металла, растворимый в аммиачной воде. В минерале также были обнаружены оксиды железа и марганца. Хуан и Фаусто прокалили «землю» с древесным углем и получили металл, который они предложили называть «вольфрамом», а сам минерал – «вольфрамитом». Таким образом, испанские химики д’Эльгуйяр первыми опубликовали сведения об обнаружении нового элемента.

Позже стало известно, что впервые оксид вольфрама был обнаружен не в «пожирателе олова» – вольфрамите, а в другом минерале.

В 1758 шведский химик и минералог Аксель Фредрик Кронштедт (Axel Fredrik Cronstedt) открыл и описал необычайно тяжелый минерал (CaWO₄, названный в последствии шеелитом), который назвал Tung Sten, что по-шведски означает «тяжелый камень». Кронштедт был убежден, что этот минерал содержит новый, еще не открытый, элемент.

В 1781 великий шведский химик Карл Шееле разложил «тяжелый камень» азотной кислотой, обнаружив при этом, помимо соли кальция, «желтую землю», не похожую на белую «молибденовую землю», впервые выделенную им же три года назад. Интересно, что один из братьев д’Эльгуйяр работал в то время в его лаборатории. Шееле назвал металл «tungsten», по названию минерала, из которого был впервые выделен желтый оксид. Так у одного и того же элемента появилось два названия.

В 1821 фон Леонард предложил называть минерал CaWO₄ шеелитом.

Название вольфрам можно найти у Ломоносова; Соловьев и Гесс (1824) называют его волчец, Двигубский (1824) – вольфрамий.

Еще в начале 20 в. во Франции, Италии и Англо-Саксонских странах элемент «вольфрам» обозначали как Tu (от tungsten). Лишь в середине прошлого столетия утвердился современный символ W.

Вольфрам в природе. Типы месторождений.

Вольфрам – довольно редкий элемент, его кларк (процентное содержание в земной коре) составляет 1,3·10^–4% (57-е место среди химических элементов).

Вольфрам встречается, главным образом, в виде вольфраматов железа и марганца или кальция, а иногда свинца, меди, тория и редкоземельных элементов.

Наиболее распространенный минерал вольфрамит представляет собой твердый раствор вольфраматов железа и марганца (Fe, Mn)WO₄. Это тяжелые твердые кристаллы цвета от коричневого до черного, в зависимости от того, какой элемент преобладает в их составе. Если больше марганца (Mn:Fe > 4:1), то кристаллы черные, если же преобладает железо (Fe:Mn > 4:1) – коричневые. Первый минерал называют гюбнеритом, второй – ферберит. Вольфрамит парамагнитен и хорошо проводит электрический ток.

Из других минералов вольфрама промышленное значение имеет шеелит – вольфрамат кальция CaWO₄. Он образует блестящие, как стекло, кристаллы светло-желтого, иногда почти белого цвета. Шеелит не магнитится, но обладает другой характерной особенностью – способностью к люминесценции. Если его осветить ультрафиолетовыми лучами, он флуоресцирует в темноте ярко-синим цветом. Примесь молибдена меняет окраску свечения шеелита: она становится бледно-синей, а иногда даже кремовой. Это свойство шеелита, используемое в геологической разведке, служит поисковым признаком, позволяющим обнаружить залежи минерала.

Как правило месторождения вольфрамовых руд связаны с областями распространения гранитов. Крупные кристаллы вольфрамита или шеелита – большая редкость. Обычно минералы лишь вкраплены в древние гранитные породы. Средняя концентрация вольфрама в них всего 1–2%, поэтому извлекать его довольно трудно. Всего известно около 15 собственных минералов вольфрама. Среди них расоит и штольцит, представляющие собой две различные кристаллические модификации вольфрамата свинца PbWO₄. Другие минералы являются продуктами разложения или вторичными формами обычных минералов – вольфрамита и шеелита, например, вольфрамовая охра и гидротунгстит, являющийся гидратированным оксидом вольфрама, образовавшимся из вольфрамита; русселит – минерал, содержащий оксиды висмута и вольфрама. Единственный неоксидный минерал вольфрама – тунгстенит WS₂, основные запасы которого сосредоточены в США. Обычно содержание вольфрама в разрабатываемых месторождениях лежит в пределах от 0,3 до 1,0% WO₃.

Все вольфрамовые месторождения имеют магматическое или гидротермальное происхождение. В процессе охлаждения магмы происходит дифференциальная кристаллизация, поэтому шеелит и вольфрамит часто обнаруживаются в виде жил, там, где магма проникала в трещины земной коры. Большая часть вольфрамовых месторождений сосредоточена в молодых горных цепях – Альпах, Гималаях и Тихоокеанском поясе. По данным Американской геологической службы за 2003 (U.S. Geological Surveys) в Китае находится порядка 62% мировых запасов вольфрама. Значительные залежи этого элемента разведаны также в США (Калифорния, Колорадо), Канаде, России, Южной Корее, Боливии, Бразилии, Австралии и Португалии.

Мировые запасы вольфрамовых руд оцениваются в 2,9·106 тонн в пересчете на металл. Наибольшими запасами обладает Китай (1,8·106 тонн), второе место делят Канада и Россия (2,6·105 и 2,5·105 тонн соответственно). На третьем месте находятся США (1,4·105 тонн), однако сейчас почти все американские месторождения законсервированы. Среди остальных стран весомыми запасами обладают Португалия (запасы 25 000 т), Северная Корея (35 000 т), Боливия (53 000 т) и Австрия (10 000 т).

Ежегодная мировая добыча вольфрамовых руд составляет 5,95·10⁴ тонн в пересчете на металл, из которых 49,5·10⁴ тонн (83%) извлекается в Китае. В России добывается 3400 тонн, в Канаде – 3000 тонн.

На Кинг-Айленде в Австралии добывается 2000–2400 тонн вольфрамовой руды в год. В Австрии шеелит добывается в Альпах (провинции Зальцбург и Штайермарк). В северо-восточной Бразилии разрабатывается совместное месторождение вольфрама, золота и висмута (шахты Канунг и месторождение Кальзас в Юконе) с предполагаемым запасом золота 1 млн. унций и 30 000 т оксида вольфрама. Мировым лидером в разработке вольфрамового сырья является Китай (месторождения Жианьши (60% китайской добычи вольфрама), Хуньань (20%), Юннань (8%), Гуаньдонь (6%), Гуаньжи и Внутренняя Монголия (2% каждое) и другие). Объемы ежегодной добычи в Португалии (месторождение Панасхира) оцениваются в 720 т вольфрама в год. В России основные месторождения вольфрамовых руд расположены в двух регионах: на Дальнем Востоке (Лермонтовское месторождение, 1700 т концентрата в год) и на Северном Кавказе (Кабардино-Балкария, Тырныауз). Завод в Нальчике перерабатывает руду в оксид вольфрама и паравольфрамат аммония.

Крупнейшим потребителем вольфрама является Западная Европа – ее доля на мировом рынке составляет 30%. По 25% от общего потребления приходится на Северную Америку и Китай, а 12–13% на долю Японии. Спрос на вольфрам в странах СНГ оценивается в 3000 тонн металла в год.

Более половины (58%) всего потребляемого металла используется в производстве карбида вольфрама, почти четверть (23%) – в виде различных сплавов и сталей. На изготовление вольфрамового «проката» (нитей для ламп накаливания, электрических контактов и т.д.) приходится 8% произведенного вольфрама, а оставшиеся 9% используются при получении пигментов и катализаторов.

Переработка вольфрамового сырья.

Первичная руда содержит около 0,5% оксида вольфрама. После флотации и отделения немагнитных компонентов остается порода, содержащая порядка 70% WO₃. Затем обогащенная руда (и окисленный лом вольфрама) выщелачивается с помощью карбоната или гидроксида натрия:

4FeWO₄ + O₂ + 4Na₂CO₃ = 4NaWO₄ + 2Fe₂O₃ + 4CO₂

6MnWO₄ + O₂ + 6Na₂CO₃ = 6Na₂WO₄ + 2Mn₃O₄ + 6CO₂

WO₃ + Na₂CO₃ = Na₂WO₄ + CO₂

WO₃ + 2NaOH = Na₂WO₄ + H₂O

Na₂WO₄ + CaCl₂ = 2NaCl + CaWO₄Ї.

Полученный раствор освобождается от механических примесей, а затем подвергается переработке. Первоначально осаждается вольфрамат кальция с последующим его разложением соляной кислотой и растворением образовавшегося WO₃ в водном аммиаке. Иногда очистку первичного вольфрамата натрия осуществляют с помощью ионообменных смол. Конечный продукт процесса – паравольфрамат аммония:

CaWO₄ + 2HCl = H₂WO₄Ї + CaCl₂

H₂WO₄ = WO₃ + H₂O

WO₃ + 2NH₃·H₂O_(конц.) = (NH₄)₂WO₄ + H₂O

12(NH₄)₂WO₄ + 14HCl_{(оч.разб.)} = (NH₄)₁₀H₂W₁₂O₄₂ + 14NH₄Cl + 6H₂O

Другим способом выделения вольфрама из обогащенной руды является обработка хлором или хлороводородом. Этот метод основан на относительно низкой температуре кипения хлоридов и оксохлоридов вольфрама (300° С). Способ применяется для получения особо чистого вольфрама.

Вольфрамитовый концентрат может быть сплавлен непосредственно с углем или коксом в камере с электрической дугой. При этом получают ферровольфрам, который используется при изготовлении сплавов в сталелитейной промышленности. Чистый концентрат шеелита также может быть добавлен в расплав стали.

Около 30% мирового потребления вольфрама обеспечивается за счет переработки вторичного сырья. Загрязненный лом карбида вольфрама, стружки, опилки и остатки порошкового вольфрама окисляются и переводятся в паравольфрамат аммония. Лом быстрорежущих сталей утилизируют в производстве этих же сталей (до 60–70% всего расплава). Лом вольфрама из ламп накаливания, электродов и химических реактивов практически не перерабатывается.

Основным промежуточным продуктом в производстве вольфрама является паравольфрамат аммония (NH₄)₁₀W₁₂O₄₁·5H₂O. Он является и основным транспортируемым соединением вольфрама. Прокаливая паравольфрамат аммония, получают оксид вольфрама(VI), который затем обрабатывают водородом при 700–1000° С и получают порошок металлического вольфрама. Спеканием его с углеродным порошком при 900–2200° С (процесс цементации) получают карбид вольфрама.

В 2002 цена паравольфрамата аммония – основного коммерческого соединения вольфрама – составляла около 9000 долл. за тонну в пересчете на металл. В последнее время появилась тенденция к снижению цен на вольфрамовую продукцию вследствие большого предложения со стороны Китая и стран бывшего СССР.

В России вольфрамовые продукты производят: Скопинский гидрометаллургический завод «Металлург» (Рязанская область, вольфрамовый концентрат и ангидрид), Владикавказский Завод «Победит» (Северная Осетия, вольфрамовый порошок и слитки), Нальчикский Гидрометаллургический завод (Кабардино-Балкария, металлический вольфрам, карбид вольфрама), Кировградский завод твердых сплавов (Свердловская область, карбид вольфрама, вольфрамовый порошок), Электросталь (Московская область, паравольфрамат аммония, карбид вольфрама), Челябинский Электрометаллургический завод (ферровольфрам).

Свойства простого вещества.

Металлический вольфрам имеет светло-серый цвет. После углерода у него самая высокая температура плавления среди всех простых веществ. Ее значение определено в пределах 3387–3422° С. У вольфрама – превосходные механические качества при высоких температурах и наименьший коэффициент расширения среди всех металлов. Температура кипения 5400–5700° С. Вольфрам – один из наиболее тяжелых металлов с плотностью 19250 кг/м³. Электропроводность вольфрама при 0° C – величина порядка 28% от электропроводности серебра, являющегося наиболее электропроводящим металлом. Чистый вольфрам довольно легко поддается обработке, однако обычно он содержит примеси углерода и кислорода, что и придает металлу известную всем твердость.

Вольфрам обладает очень высоким модулем растяжения и сжатия, очень высоким сопротивлением температурной ползучести, высокой тепло- и электропроводностью, высоким коэффициентом электронной эмиссии, который может быть еще улучшен сплавлением вольфрама с некоторыми оксидами металлов.

Вольфрам химически стоек. Соляная, серная, азотная, фтороводородная кислоты, царская водка, водный раствор гидроксида натрия, аммиак (до 700° С), ртуть и пары ртути, воздух и кислород (до 400° С), вода, водород, азот, угарный газ (до 800° С), хлороводород (до 600° С) на вольфрам не действуют. С вольфрамом реагируют аммиак в смеси с пероксидом водорода, жидкая и кипящая сера, хлор (свыше 250° С), сероводород в условиях температуры красного каления, горячая царская водка, смесь фтористоводородной и азотной кислот, расплавы нитрата, нитрита, хлората калия, диоксида свинца, нитрита натрия, горячая азотная кислота, фтор, бром, йод. Карбид вольфрама образуется при взаимодействии углерода с вольфрамом при температуре выше 1400° С, оксид – при взаимодействии с водяным паром и диоксидом серы (при температуре красного каления), углекислым газом (выше 1200° С), оксидами алюминия, магния и тория.

Свойства важнейших соединений вольфрама.

Среди важнейших соединений вольфрама – его оксид, хлорид, карбид и паравольфрамат аммония.

Оксид вольфрама(VI) WO₃ – кристаллическое вещество светло-желтого цвета, при нагревании становящееся оранжевым, температура плавления 1473° С, кипения – 1800° С. Соответствующая ему вольфрамовая кислота неустойчива, в водном растворе в осадок выпадает дигидрат, теряющий одну молекулу воду при 70–100° С, а вторую – при 180–350° С. При реакции WO₃ со щелочами образуются вольфраматы.

Анионы вольфрамовых кислот склонны к образованию полисоединений. При реакции с концентрированными кислотами образуются смешанные ангидриды:

12WO₃ + H₃PO_{4(кип., конц.)} = H₃[PW₁₂O₄₀]

При взаимодействии оксида вольфрама с металлическим натрием образуется нестехиометрический вольфрамат натрия, носящий название «вольфрамовая бронза»:

WO₃ + xNa = Na_xWO₃

При восстановлении оксида вольфрама водородом в момент выделения образуются гидратированные оксиды со смешанной степенью окисления – «вольфрамовые сини» WO_3–n(OH)_n, n = 0,5–0,1.

WO₃ + Zn + HCl ® [W₁₀O₂₅(OH) + W₃O₈(OH)] («синь»), W₂O₅(OH) (коричн.)

Оксид вольфрама(VI) полупродукт в производстве вольфрама и его соединений. Является компонентом некоторых промышленно важных катализаторов гидрирования и пигментов для керамики.

Высший хлорид вольфрама WCl₆ образуется при взаимодействии оксида вольфрама (или металлического вольфрама) с хлором (так же как и с фтором) или тетрахлоридом углерода. Он отличается от других соединений вольфрама низкой температурой кипения (347° С). По своей химической природе хлорид является хлорангидридом вольфрамовой кислоты, поэтому при взаимодействии с водой образуются неполные хлорангидриды, при взаимодействии со щелочами – соли. В результате восстановления хлорида вольфрама алюминием в присутствии монооксида углерода образуется карбонил вольфрама:

WCl₆ + 2Al + 6CO = [W(CO)₆]Ї + 2AlCl₃ (в эфире)

Карбид вольфрама WC получается при взаимодействии порошкового вольфрама с углем в восстановительной атмосфере. Твердость, сравнимая с алмазом, определяет сферу его применения.

Вольфрамат аммония (NH₄)₂WO₄ устойчив только в аммиачном растворе. В разбавленной соляной кислоте в осадок выпадает паравольфрамат аммония (NH₄)₁₀H₂W₁₂O₄₂, являющийся основным полупродуктом вольфрама на мировом рынке. Паравольфрамат аммония легко разлагается при нагревании:

(NH₄)₁₀H₂W₁₂O₄₂ = 10NH₃ + 12WO₃ + 6H₂O (400 – 500° C)

Применение вольфрама.

Применение чистого металла и вольфрамсодержащих сплавов основано, главным образом, на их тугоплавкости, твердости и химической стойкости. Чистый вольфрам используется для изготовления нитей электрических ламп накаливания и электронно-лучевых трубок, в производстве тиглей для испарения металлов, в контактах автомобильных распределителей зажигания, в мишенях рентгеновских трубок; в качестве обмоток и нагревательных элементов электрических печей и как конструкционный материал для космических и других аппаратов, эксплуатируемых при высоких температурах. Быстрорежущие стали (17,5–18,5% вольфрама), стеллит (на основе кобальта с добавлением Cr, W, С), хасталлой (нержавеющая сталь на основе Ni) и многие другие сплавы содержат вольфрам. Основой при производстве инструментальных и жаропрочных сплавов является ферровольфрам (68–86% W, до 7% Mo и железо), легко получающийся прямым восстановлением вольфрамитового или шеелитового концентратов. «Победит» – очень твердый сплав, содержащий 80–87% вольфрама, 6–15% кобальта, 5–7% углерода, незаменим в обработке металлов, в горной и нефтедобывающей промышленности.

Вольфраматы кальция и магния широко используются во флуоресцентных устройствах, другие соли вольфрама используются в химической и дубильной промышленности. Дисульфид вольфрама представляет собой сухую высокотемпературную смазку, стабильную до 500° С. Вольфрамовые бронзы и другие соединения элемента применяются в изготовлении красок. Многие соединения вольфрама являются отличными катализаторами.

Долгие годы с момента открытия вольфрам оставался лабораторной редкостью, лишь в 1847 Оксланд получил патент на производство вольфрамата натрия, вольфрамовой кислоты и вольфрама из касситерита (оловянного камня). Второй патент, полученный Оксландом в 1857, описывал производство железо-вольфрамовых сплавов, которые составляют основу современных быстрорежущих сталей.

В середине 19 в. предпринимались первые попытки использовать вольфрам в производстве стали, однако долгое время не удавалось внедрить эти разработки в промышленность из-за высокой цены на металл. Возросшая потребность в легированных и высокопрочных сталях привела к запуску производства быстрорежущих сталей на фирме «Вифлеемская Сталь» (Bethlehem Steel). Образцы этих сплавов были впервые представлены в 1900 на Всемирной выставке в Париже.

Технология изготовления вольфрамовых нитей и ее история.

Объемы производства вольфрамовой проволоки имеют небольшую долю среди всех отраслей применения вольфрама, но развитие технологии ее получения сыграло ключевую роль в развитии порошковой металлургии тугоплавких соединений.

С 1878, когда Свон продемонстрировал в Ньюкастле изобретенные им восьми- и шестнадцатисвечевые угольные лампы, шел поиск более подходящего материала для изготовления нитей накаливания. Первая угольная лампа обладала эффективностью всего 1 люмен/ватт, которая была увеличена в следующие 20 лет модификацией методов обработки угля в два с половиной раза. К 1898 светоотдача таких лампочек составляла 3 люмен/ватт. Угольные нити в те времена нагревались пропусканием электрического тока в атмосфере паров тяжелых углеводородов. При пиролизе последних образующийся углерод заполнял поры и неровности нити, придавая ей яркий металлический блеск.

В конце 19 в. фон Вельсбах впервые изготовил металлическую нить для ламп накаливания. Он сделал ее из осмия (Т_пл = 2700° С). Осмиевые нити обладали эффективностью 6 люмен/ватт, однако, осмий – редкий и чрезвычайно дорогой элемент платиновой группы, поэтому широкого применения в изготовлении бытовых устройств не нашел. Тантал с температурой плавления 2996° С широко использовался в виде вытянутой проволоки с 1903 по 1911 благодаря работам фон Болтона из фирмы Сименс и Хальске. Эффективность танталовых ламп составляла 7 люмен/ватт.

Вольфрам начал применяться в лампах накаливания в 1904 и вытеснил в этом качестве все остальные металлы к 1911. Обычная лампа накаливания с вольфрамовой нитью обладает свечением 12 люмен/ватт, а лампы, работающие под высоким напряжением – 22 люмен/ватт. Современные флуоресцентные лампы с вольфрамовым катодом имеют эффективность порядка 50 люмен/ватт.

В 1904 на фирме «Сименс-Хальске» попытались применить разработанный для тантала процесс волочения проволоки для более тугоплавких металлов, таких как вольфрам и торий. Жесткость и недостаток ковкости вольфрама не позволили гладко провести процесс. Тем не менее, позже, в 1913–1914, было показано, что расплавленный вольфрам может быть раскатан и вытянут с использованием процедуры частичного восстановления. Электрическую дугу пропускали между вольфрамовым стержнем и частично расплавленной вольфрамовой капелькой, помещенной в графитовый тигель, покрытый изнутри вольфрамовым порошком и находящийся в атмосфере водорода. Тем самым были получены небольшие капли расплавленного вольфрама, около 10 мм в диаметре и 20–30 мм в длину. Хотя и с трудом, но с ними уже можно было работать.

В те же годы Юст и Ханнаман запатентовали процесс изготовления вольфрамовых нитей. Тонкий металлический порошок смешивался с органическим связующим, полученная паста пропускалась через фильеры и нагревалась в специальной атмосфере для удаления связующего, при этом получалась тонкая нить чистого вольфрама.

В 1906–1907 был разработан хорошо известный процесс экструзии, применявшийся до начала 1910-х. Черный вольфрамовый порошок очень тонкого помола смешивался с декстрином или крахмалом до образования пластичной массы. Гидравлическим давлением эта масса продавливалась через тонкие алмазные сита. Получающаяся таким образом нить оказывалась достаточно прочной для того, чтобы быть намотанной на катушки и высушенной. Далее нити разрезались на «шпильки», которые нагревались в атмосфере инертного газа до температуры красного каления для удаления остатков влаги и легких углеводородов. Каждая «шпилька» закреплялась в зажиме и нагревалась в атмосфере водорода до яркого свечения пропусканием электрического тока. Это приводило к окончательному удалению нежелательных примесей. При высоких температурах отдельные маленькие частицы вольфрама сплавляются и образуют однородную твердую металлическую нить. Эти нити эластичны, хотя и хрупки.

В начале 20 в. Юст и Ханнаман разработали другой процесс, отличающийся своей оригинальностью. Угольная нить диаметром 0,02 мм покрывалась вольфрамом путем накаливания в атмосфере водорода и паров гексахлорида вольфрама. Покрытая таким образом нить нагревалась до яркого свечения в водороде при пониженном давлении. При этом вольфрамовая оболочка и углеродное ядро полностью сплавлялись друг с другом, образуя карбид вольфрама. Получающаяся нить имела белый цвет и была хрупкой. Далее нить нагревалась в токе водорода, который взаимодействовал с углеродом, оставляя компактную нить из чистого вольфрама. Нити обладали теми же характеристиками, что и полученные в процессе экструзии.

В 1909 американцу Кулиджу удалось получить ковкий вольфрам без применения наполнителей, а лишь с помощью разумной температурной и механической обработки. Основная проблема в получении вольфрамовой проволоки заключалась в быстром окислении вольфрама при высоких температурах и наличии зернистой структуры в получающемся вольфраме, которая приводила к его хрупкости.

Современное производство вольфрамовой проволоки является сложным и точным технологическим процессом. Исходным сырьем служит порошковый вольфрам, получаемый восстановлением паравольфрамата аммония.

Вольфрамовый порошок, применяемый для производства проволоки, должен иметь высокую чистоту. Обычно смешивают порошки вольфрама различного происхождения, чтобы усреднить качество металла. Смешиваются они в мельницах и во избежание окисления нагретого трением металла в камеру пропускают поток азота. Затем порошок прессуется в стальных пресс-формах на гидравлических или пневматических прессах (5–25 кг/мм²). В случае использования загрязненных порошков, прессовка получается хрупкой, и для устранения этого эффекта добавляется полностью окисляемое органическое связующее. На следующей стадии производится предварительное спекание штабиков. При нагревании и охлаждении прессовок в потоке водорода их механические свойства улучшаются. Прессовки еще остаются достаточно хрупкими, и их плотность составляет 60–70% от плотности вольфрама, поэтому штабики подвергают высокотемпературному спеканию. Штабик зажимается между контактами, охлаждаемыми водой, и в атмосфере сухого водорода через него пропускается ток для нагрева его почти до температуры плавления. За счет нагревания вольфрам спекается и его плотность возрастает до 85–95% от кристаллического, в то же время увеличиваются размеры зерен, растут кристаллы вольфрама. Затем следует ковка при высокой (1200–1500° С) температуре. В специальном аппарате штабики пропускаются через камеру, которая сдавливается молотом. За одно пропускание диаметр штабика уменьшается на 12%. При ковке кристаллы вольфрама удлиняются, создается фибриллярная структура. После ковки следует протяжка проволоки. Стержни смазываются и пропускаются через сита из алмаза или карбида вольфрама. Степень вытяжки зависит от назначения получаемых изделий. Диаметр получаемой проволоки составляет около 13 мкм.

Биологическая роль вольфрама

ограничена. Его сосед по группе молибден является незаменимым в ферментах, обеспечивающих связывание атмосферного азота. Ранее вольфрам использовался в биохимических исследованиях только как антагонист молибдена, т.е. замена молибдена на вольфрам в активном центре фермента приводила к его дезактивации. Ферменты, напротив, дезактивирующиеся при замене вольфрама на молибден, обнаружены в термофильных микроорганизмах. Среди них формиатдегидрогеназы, альдегид-ферредоксин-оксидоредуктазы; формальдегид-ферредо-ксин-оксидоредуктаза; ацетиленгидратаза; редуктаза карбоновой кислоты. Структуры некоторых из этих ферментов, например, альдегид-ферредоксин-оксидоредуктазы сейчас определены.

Тяжелые последствия воздействия вольфрама и его соединений на человека не выявлены. При длительном воздействии больших доз вольфрамовой пыли может возникнуть пневмокониоз, заболевание, вызываемое всеми тяжелыми порошками, попадающими в легкие. Наиболее частые симптомы этого синдрома – кашель, нарушения дыхания, атопическая астма, изменения в легких, проявление которых уменьшается после прекращения контакта с металлом.

Юрий Крутяков

Вольфра́м — химический элемент с атомным номером 74 в периодической системе, обозначается символом W (лат. Wolframium), твёрдый серый переходный металл. Главное применение — как основа тугоплавких материалов в металлургии. Крайне тугоплавок, при стандартных условиях химически стоек.

История и происхождение названия

Название Wolframium перешло на элемент с минерала вольфрамит, известного ещё в XVI в. под названием «волчья пена» — «Spuma lupi» на латыни, или «Wolf Rahm» по-немецки. Название было связано с тем, что вольфрам, сопровождая оловянные руды, мешал выплавке олова, переводя его в пену шлаков («пожирает олово как волк овцу»).

В настоящее время в США, Великобритании и Франции для вольфрама используют название «tungsten» (швед. tung sten — «тяжелый камень»).

Нахождение в природе

Кларк вольфрама земной коры составляет (по Виноградову) 0,00013 г/т. Его среднее содержание в горных породах, г/т: ультраосновных — 0,00001, основных — 0,00007, средних — 0,00012, кислых — 0,00019.

Вольфрам встречается в природе главным образом в виде окисленных сложных соединений, образованных трехокисью вольфрама WO₃ с оксидами железа и марганца или кальция, а иногда свинца, меди, тория и редкоземельных элементов. Промышленное значение имеют вольфрамит (вольфрамат железа и марганца nFeWO₄ * mMnWO₄ — соответственно, ферберит и гюбнерит) и шеелит (вольфрамат кальция CaWO₄). Вольфрамовые минералы обычно вкраплены в гранитные породы, так что средняя концентрация вольфрама составляет 1-2 %.

Общие мировые запасы вольфрама (без России) составляют около 7,5 млн тонн, подтвержденные запасы около 4 млн тонн. Наиболее крупными запасами обладают Казахстан, Китай, Канада и США; известны также месторождения в Боливии, Португалии, России и Южной Корее. Мировое производство вольфрама составляет 18-20 тысяч тонн в год, в том числе в Китае 10, России 3,5; Казахстане 0,7, Австрии 0,5. Основные экспортёры вольфрама: Китай, Южная Корея, Австрия. Главные импортёры: США, Япония, Германия, Великобритания.

Получение

Файл:TungstenMetalUSGOV.jpg

Процесс получения вольфрама проходит через стадию выделения триоксида WO₃ из рудных концентратов и последующем восстановлении до металлического порошка водородом при температуре ок. 700 °C. Из-за высокой температуры плавления вольфрама для получения компактной формы используются методы порошковой металлургии: полученный порошок прессуют, спекают в атмосфере водорода при температуре 1200—1300 °C, затем пропускают через него электрический ток. Металл нагревается до 3000 °C, при этом происходит спекание в монолитный материал. Для последующей очистки и получения монокристаллической формы используется зонная плавка.

Физические свойства

Вольфрам — светло-серый металл, имеющий самые высокие температуры плавления и кипения.

Некоторые физические свойства приведены в таблице (см. выше). Другие физические свойства вольфрама:

• твердость по Бринеллю 488 кг/мм².
• удельное электрическое сопротивление при 20 °C 55×10⁻⁹ Ом·м, при 2700 °C — 904×10⁻⁹ Ом·м.
• скорость звука в отожжённом вольфраме 4290 м/с.

Вольфрам является одним из наиболее тяжелых и самым тугоплавким металлом. В чистом виде представляет собой металл серебристо-белого цвета, похожий на платину, при температуре около 1600 °C хорошо поддается ковке и может быть вытянут в тонкую нить.

Химические свойства

Валентность от 2 до 6. Наиболее устойчив 6-валентный вольфрам. 3- и 2-валентные соединения вольфрама неустойчивы и практического значения не имеют.

Вольфрам имеет высокую коррозионную стойкость: при комнатной температуре не изменяется на воздухе; при температуре красного каления медленно окисляется в ангидрид вольфрамовой кислоты; в соляной, серной и плавиковой кислотах почти не растворим. В азотной кислоте и царской водке окисляется с поверхности. В смеси азотной и плавиковой кислоты растворяется, образуя вольфрамовую кислоту. Из соединений вольфрама наибольшее значение имеют: триоксид вольфрама или вольфрамовый ангидрид, вольфраматы, перекисные соединения с общей формулой Me₂WO_X, а также соединения с галогенами, серой и углеродом. Вольфраматы склонны к образованию полимерных анионов, в том числе гетерополисоединений с включением других переходных металлов.

Применение

Металлический вольфрам

Файл:Electric bulb filament.jpg

• Тугоплавкость и пластичность вольфрама делают его незаменимым для нитей накаливания в осветительных приборах, а также в кинескопах и других вакуумных трубках.
• Благодаря высокой плотности вольфрам используется для противовесов, бронебойных сердечников подкалиберных и стреловидных оперенных снарядов артиллерийских орудий, сердечников бронебойных пуль и сверхскоростных роторов гироскопов для стабилизации полёта баллистических ракет (до 180 тыс. об/мин).
• Вольфрам используют в качестве электродов для аргоно-дуговой сварки.
• Сплавы вольфрама, ввиду его высокой температуры плавления, получают методом порошковой металлургии. Сплавы, содержащие вольфрам, отличаются жаропрочностью, кислотостойкостью, твердостью и устойчивостью к истиранию. Из них изготовляют хирургические инструменты (сплав «амалой»), танковую броню, оболочки торпед и снарядов, наиболее важные детали самолетов и двигателей, контейнеры для хранения радиоактивных веществ. Вольфрам — важный компонент лучших марок инструментальных сталей. Сплав вольфрама с 16 % кобальта по твердости приближается к алмазу.

Соединения вольфрама

• Для механической обработки металлов и неметаллических конструкционных материалов в машиностроении (точение, фрезерование, строгание, долбление), бурения скважин, в горнодобывающей промышленности широко используются твёрдые сплавы и композитные материалы на основе карбида вольфрама (например, победит, состоящий из кристаллов WC в кобальтовой матрице; широко применяемые в России марки — ВК2, ВК4, ВК6, ВК8, ВК15, ВК25, Т5К10, Т15К6, Т30К4), а также смесей карбида вольфрама, карбида титана, карбида тантала (марки ТТ для особо тяжёлых условий обработки, например, долбление и строгание поковок из жаропрочных сталей и перфораторное ударно-поворотное бурение крепкого материала).

• Сульфид вольфрама WS₂ применяется как высокотемпературная (до 500 °C) смазка.

• Трехокись вольфрама находит применение для производства твердого электролита высокотемпературных топливных элементов.

• Некоторые соединения вольфрама применяются как катализаторы и пигменты.

• Монокристаллы вольфраматов (вольфраматы свинца, кадмия, кальция) используются как сцинтилляционные детекторы рентгеновского излучения и других ионизирующих излучений в ядерной физике и ядерной медицине.

• Дителлурид вольфрама WTe₂ применяется для преобразования тепловой энергии в электрическую (термо-ЭДС около 57 мкВ/К).

Другие сферы применения

Искусственный радионуклид ¹⁸⁵W используется в качестве радиоактивной метки при исследованиях вещества.
Стабильный ¹⁸⁴W применяется как компонент сплавов с ураном-235, применяемых в твердофазных ядерных ракетных двигателях, поскольку это единственный из распространённых изотопов вольфрама, имеющий низкое сечение захвата тепловых нейтронов (около 2 барн).

Рынок вольфрама

Цены на металлический вольфрам чистотой около 99 % в 2007 году составили в среднем 30—35 долларов США за килограмм.^[1]

Биологическая роль

Вольфрам не играет биологической роли. Пыль вольфрама, как и большинство металлической пыли, раздражает органы дыхания.

Изотопы

Природный вольфрам состоит из пяти изотопов (¹⁸⁰W, ¹⁸²W, ¹⁸³W, ¹⁸⁴W и ¹⁸⁶W). Искусственно созданы и идентифицированы ещё 27 радионуклидов. В 2003 открыта чрезвычайно слабая радиоактивность природного вольфрама (примерно два распада на грамм элемента в год), обусловленная α-активностью ¹⁸⁰W, имеющего период полураспада 1,8×10¹⁸ лет.

Примечания

Ссылки

	Вольфрам на Викискладе?

• Получение вольфрама из руды
• Вольфрам на Webelements
• Вольфрам в Популярной библиотеке химических элементов
• Мировые цены на вольфрам (сайт на англ. языке)
• Вольфрамовые электроды

---

Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Вольфрам. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .

---

Вольфрам и его характеристики

Общая характеристика вольфрама

По распространенности в земной коре [0,007% (масс.)] вольфрам уступает хрому, но превосходит молибден. Природные соединения вольфрама в большинстве случаев представляют собой вольфраматы – соли вольфрамовой кислоты H₂WO₄. Так, важнейшая вольфрамовая руда – вольфрамит – состоит из вольфраматов железа и марганца. Часто встречается также минерал шеелит CaWO₄.

Вольфрам – тяжелый белый металл (рис. 1) плотностью 19,3 г/см ³. Его температура плавления (около 3400^oС), выше, чем температура плавления всех других металлов. Вольфрам можно сваривать и вытягивать в тонкие нити.

Атомная и молекулярная масса вольфрама

Поскольку в свободном состоянии вольфрам существует в виде одноатомных молекул W, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 183,84.

Изотопы вольфрама

Известно, что в природе вольфрам может находиться в виде пяти стабильных изотопов ¹⁸⁰W, ¹⁸²W, ¹⁸³W, ¹⁸⁴W и ¹⁸⁶W.Их массовые числа равны 180, 182, 183, 184 и 186 соответственно. Ядро атома изотопа вольфрама ¹⁸⁰W содержит семьдесят четыре протона и сто шесть нейтронов, а остальные отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные нестабильные изотопы вольфрама с массовыми числами от 158-ми до 192-х, а также одиннадцать изомерных состояния ядер.

Ионы вольфрама

На внешнем энергетическом уровне атома вольфрама имеется шесть электронов, которые являются валентными:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰4f¹⁴5s²5р ⁶5d⁴6s².

В результате химического взаимодействия вольфрам отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

W^o -2e → W²⁺;

W^o -3e → W³⁺;

W^o -4e → W⁴⁺;

W^o -5e → W⁵⁺;

W^o -6e → W⁶⁺.

Молекула и атом вольфрама

В свободном состоянии вольфрам существует в виде одноатомных молекул W. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу вольфрама:

Энергия ионизации атома, эВ	7,98
Относительная электроотрицательность	2,3
Радиус атома, нм	0,141

Сплавы вольфрама

Большая часть добываемого вольфрама расходуется в металлургии для приготовления специальных сталей и сплавов. Быстрорежущая инструментальная сталь содержит до 20% вольфрама и обладает способностью самозакаливаться. Такая сталь не теряет своей твердости даже при нагревании докрасна.

Кроме быстрорежущих широко применяются другие вольфрамовые и хромовольфрамовые стали. Например, сталь, содержащая от 1 до 6% вольфрама и до 2% хрома, применяется для изготовления пил, фрез, штампов.

Как самый тугоплавкий металл вольфрам входит в состав ряда жаропрочных сплавов. В частности, его сплавы с кобальтом и хромом – стеллиты – обладают высокими твердостью, износоустойчивостью, жаростойкостью. Сплавы вольфрама с медью сочетают в себе высокие электрическую проводимость, теплопроводность и износоустойчивость. Они применяются для изготовления рабочих частей рубильников, выключателей, электродов для точечной сварки.

Примеры решения задач

Тугоплавкий металл вольфрам

Вольфрам является одним из самых тугоплавких металлов, что делает его применение незаменимым в областях, связанных с высокими температурами. На странице представлено описание данного металла: физические, химические свойства, области применения, марки, виды продукции.

Основные сведения

Вольфрам (W) (Wolframium) — химический элемент VI группы периодической системы, атомный номер 74, атомная масса 183,85. Название от немецкого Wolf волк и Rahm сливки («волчья пена»). Светло-серый металл, наиболее тугоплавкий из металлов. На воздухе при обычной температуре устойчив. Главные минералы — вольфрамит и шеелит. Вольфрам — компонент жаропрочных сверхтвердых сталей (инструментальные, быстрорежущие) и сплавов (победит, стеллит и др.); чистый W используется в электротехнике (нити ламп накаливания) и радиоэлектронике (катоды и аноды электронных приборов).

История открытия

Вольфрам был открыт знаменитым шведским химиком Карлом Шееле. Аптекарь по профессии, Шееле в своей маленькой лаборатории провел много замечательных исследований. Он открыл кислород, хлор, барий, марганец. Незадолго до смерти, в 1781 году, Шееле — к этому времени уже член Стокгольмской Академии наук — обнаружил, что минерал тунгстен (впоследствии названный шеелитом) представляет собой соль неизвестной тогда кислоты. Спустя два года испанские химики братья д’Элуяр, работавшие под руководством Шееле, сумели выделить из этого минерала новый элемент — вольфрам, которому суждено было произвести переворот в промышленности. Однако это произошло через целое столетие.

Свойства вольфрама

Марки вольфрама и сплавов

Области применения вольфрама

Продукция из вольфрама

Эта статья о химическом элементе. Для использования в других целях см. Вольфрам (значения).

Вольфрам,₇₄W

Вольфрам
Произношение	​(TUNG-stən )
альтернативное имя	вольфрам, произносится: (WUUL-frəm )
Внешность	серовато-белый, блестящий
Стандартный атомный вес Аr, std(Вт)	183.84(1)[1]
Вольфрам в периодическая таблица
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон Калий Кальций Скандий Титана Ванадий Хром Марганец Утюг Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Банка Сурьма Теллур Йод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (элемент) Таллий Свинец Висмут Полоний Астатин Радон Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклиум Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Бориум Калий Мейтнерий Дармштадтиум Рентгений Копернициум Nihonium Флеровий Московиум Ливерморий Tennessine Оганессон Пн ↑ W ↓ Sg тантал ← вольфрам → рений
Атомный номер (Z)	74
Группа	группа 6
Период	период 6
Блокировать	d-блок
Категория элемента	Переходный металл
Электронная конфигурация	[Xe ] 4f14 5d4 6 с2[2]
Электронов на оболочку	2, 8, 18, 32, 12, 2
Физические свойства
Фаза вSTP	твердый
Температура плавления	3695 K (3422 ° С, 6192 ° F)
Точка кипения	6203 К (5930 ° С, 10706 ° F)
Плотность (возлеr.t.)	19,3 г / см3
в жидком состоянии (приm.p.)	17,6 г / см3
Теплота плавления	52.31 кДж / моль[3][4]
Теплота испарения	774 кДж / моль
Молярная теплоемкость	24,27 Дж / (моль · К)
Давление газа п (Па) 1 10 100 1 к 10 тыс. 100 тыс. вТ (K) 3477 3773 4137 4579 5127 5823
Атомные свойства
Состояния окисления	−4, −2, −1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6 (мягко кислый окись)
Электроотрицательность	Шкала Полинга: 2,36
Энергии ионизации	1-я: 770 кДж / моль 2-я: 1700 кДж / моль
Радиус атома	эмпирические: 139вечера
Ковалентный радиус	162 ± 19 часов
Спектральные линии вольфрама
Другие свойства
Естественное явление	изначальный
Кристальная структура	​объемно-центрированный кубический (скрытая копия)
Скорость звука тонкий стержень	4620 м / с (приr.t.) (отожженный)
Тепловое расширение	4,5 мкм / (м · К) (при 25 ° C)
Теплопроводность	173 Вт / (м · К)
Удельное электрическое сопротивление	52,8 нОм · м (при 20 ° C)
Магнитный заказ	парамагнитный[5]
Магнитная восприимчивость	+59.0·10−6 см3/ моль (298 К)[6]
Модуль для младших	411 ГПа
Модуль сдвига	161 ГПа
Объемный модуль	310 ГПа
коэффициент Пуассона	0.28
Твердость по Моосу	7.5
Твердость по Виккерсу	3430–4600 МПа
Твердость по Бринеллю	2000–4000 МПа
Количество CAS	7440-33-7
История
Открытие и первая изоляция	Хуан Хосе Эльхуяр и Фаусто Эльхуяр[7] (1783)
Названный	Торберн Бергман (1781)
Главный изотопы вольфрама
Изотоп Изобилие Период полураспада (т1/2) Режим распада Продукт 180W 0.12% 1.8×1018 у α 176Hf 181W син 121,2 г ε 181Та 182W 26.50% стабильный 183W 14.31% стабильный 184W 30.64% стабильный 185W син 75,1 г β− 185Re 186W 28.43% стабильный
Категория: Вольфрам Посмотреть разговаривать редактировать | Рекомендации

Вольфрам, или же вольфрам,^[8][9] это химический элемент с символ W и атомный номер 74. Имя вольфрам происходит от бывшего шведского названия вольфрамат минеральная шеелит, вольфрам что означает «тяжелый камень».^[10] Вольфрам — это редкий металл естественным образом встречается на Земле почти исключительно в сочетании с другими элементами в химических соединениях, а не по отдельности. Он был идентифицирован как новый элемент в 1781 году и впервые выделен как металл в 1783 году. руды включают вольфрамит и шеелит.

В свободный элемент отличается своей надежностью, особенно тем, что он имеет высочайший температура плавления всех обнаруженных элементов, плавящихся при 3422 ° C (6192 ° F; 3695 K). Он также имеет самый высокий точка кипения, при 5930 ° C (10710 ° F, 6200 К).^[11] Его плотность в 19,30 раза больше плотности воды, что сравнимо с плотностью уран и золото, и намного выше (примерно в 1,7 раза), чем у вести.^[12] Поликристаллический вольфрам по своей природе хрупкий^[13][14] и жесткий материал (в стандартных условиях, в несмешанном состоянии), что затрудняет работай. Однако чистый монокристаллический вольфрам более пластичный и можно резать твердой сталью ножовка.^[15]

Многие сплавы вольфрама имеют множество применений, включая лампы накаливания. лампочка нити, Рентгеновские трубки (как нить накала и мишень), электроды в газовая вольфрамовая дуговая сварка, суперсплавы, и радиационная защита. Твердость вольфрама и высокая плотность дать ему военное применение в проникновении снаряды. Соединения вольфрама также часто используются в промышленных целях. катализаторы.

Вольфрам — единственный металл из третьего переход серия, которая, как известно, происходит в биомолекулы, найденный у нескольких видов бактерий и археи. Это самый тяжелый элемент, необходимый для любого живого организма.^[16] Однако вольфрам мешает молибден и медь метаболизм и несколько токсичен для более привычных форм жизни животных.^[17][18]

Характеристики

Физические свойства

В необработанном виде вольфрам представляет собой твердый стально-серый металл это часто хрупкий и трудно работай. В очень чистом виде вольфрам сохраняет свои свойства. твердость (что превосходит многие стали) и становится податливый достаточно, чтобы с ним можно было легко работать.^[15] Это работает ковка, Рисование, или же выдавливание но чаще он формируется спекание.

Из всех металлов в чистом виде вольфрам имеет самый высокий температура плавления (3422 ° C, 6192 ° F), самый низкий давление газа (при температурах выше 1650 ° C, 3000 ° F) и самой высокой предел прочности.^[19] Несмотря на то что углерод остается твердым при более высоких температурах, чем вольфрам, углерод возвышенный в атмосферное давление вместо плавления, поэтому у него нет точки плавления. Вольфрам имеет самое низкое коэффициент температурного расширения из любого чистого металла. Низкое тепловое расширение и высокая температура плавления и предел прочности вольфрама происходят из сильных металлические облигации образуется между атомами вольфрама 5d-электронами.^[20]Легирование небольшого количества вольфрама с стали значительно увеличивает стойкость.^[12]

Вольфрам существует в двух основных кристаллический формы: α и β. Первый имеет объемно-центрированный кубический структура и является более стабильной формой. Структура β-фазы называется А15 куб.; это метастабильный, но может сосуществовать с α-фазой в условиях окружающей среды из-за неравновесного синтеза или стабилизации примесями. В отличие от α-фазы, которая кристаллизуется в изометричных зернах, β-форма имеет столбчатый привычка. На α-фазу приходится треть удельное электрическое сопротивление^[21] и намного ниже температура сверхпроводящего перехода Т_C относительно фазы β: ок. 0,015 К против 1–4 К; смешивание двух фаз позволяет получить промежуточный T_C значения.^[22][23] Т_C значение также может быть увеличено легирование вольфрам с другим металлом (например, 7,9 K для W-Tc ).^[24] Такие вольфрамовые сплавы иногда используются в цепях низкотемпературных сверхпроводников.^[25][26][27]

Изотопы

Встречающийся в природе вольфрам состоит из четырех стабильных изотопы (¹⁸²W, ¹⁸³W, ¹⁸⁴W и ¹⁸⁶W) и один очень долгоживущий радиоизотоп, ¹⁸⁰W. Теоретически все пять могут распадаться на изотопы 72 элемента (гафний ) к альфа-излучение, но только ¹⁸⁰W, как было обнаружено, делает это с периодом полураспада (1.8±0.2)×10¹⁸ годы;^[28][29] в среднем это дает около двух альфа-распадов ¹⁸⁰Вт на грамм природного вольфрама в год.^[30] Распад других изотопов природного происхождения не наблюдался, поэтому их период полураспада составляет не менее 4 × 10.²¹ годы.

Еще 30 искусственных радиоизотопы вольфрама, наиболее стабильными из которых являются ¹⁸¹W с периодом полураспада 121,2 дня, ¹⁸⁵W с периодом полураспада 75,1 суток, ¹⁸⁸W с периодом полураспада 69,4 дня, ¹⁷⁸W с периодом полураспада 21,6 дня, и ¹⁸⁷W с периодом полураспада 23,72 ч.^[30] Все остальные радиоактивный изотопы имеют период полураспада менее 3 часов, а у большинства из них период полураспада менее 8 минут.^[30] Вольфрам также имеет 11мета состояния, с наиболее устойчивым существом ^{179 кв.м.}W (т_1/2 6,4 минуты).

Химические свойства

Вольфрам — это в основном неактивный элемент: он не реагирует с водой, невосприимчив к воздействию большинства кислот и оснований и не реагирует с кислородом или воздухом при комнатной температуре. При повышенных температурах (т. Е. Когда он раскален докрасна) он реагирует с кислородом с образованием триоксид соединение вольфрама (VI), WO₃. Однако он будет напрямую реагировать с фтором (F₂) при комнатной температуре с образованием фторид вольфрама (VI) (WF₆), бесцветный газ. При температуре около 250 ° C он будет реагировать с хлором или бромом, а при определенных высоких температурах — с йодом. Мелкодисперсный вольфрам пирофорный.^[31][32]

Самый распространенный формальный степень окисления вольфрама составляет +6, но он проявляет все степени окисления от -2 до +6.^[32][33] Вольфрам обычно соединяется с кислородом, образуя желтый цвет. оксид вольфрама, WO₃, который растворяется в водных щелочных растворах с образованием ионов вольфрамата, WO²⁻
₄.

Карбиды вольфрама (Вт₂C и WC) получают нагреванием порошкового вольфрама с углерод. W₂C устойчив к химическому воздействию, хотя сильно реагирует с хлор формировать гексахлорид вольфрама (WCl₆).^[12]

В водном растворе вольфрамат дает гетерополикислоты и полиоксометаллат анионы в нейтральных и кислых условиях. В качестве вольфрамат постепенно обрабатывается кислотой, сначала получается растворимый, метастабильный «паравольфрамат А» анион, W
₇О^6–
₂₄, который со временем превращается в менее растворимый анион паравольфрамата B, ЧАС
₂W
₁₂О^10–
₄₂.^[34] Дальнейшее подкисление дает очень растворимый анион метавольфрамата, ЧАС
₂W
₁₂О^6–
₄₀, после чего достигается равновесие. Ион метавольфрамата существует как симметричный кластер из двенадцати вольфрамовыхкислород октаэдры известный как Кеггин анион. Многие другие анионы полиоксометаллата существуют в виде метастабильных разновидностей. Включение другого атома, такого как фосфор вместо двух центральных водород в метавольфрамате производит широкий спектр гетерополикислот, таких как фосфорновольфрамовая кислота ЧАС₃PW₁₂О₄₀.

Триоксид вольфрама может образовывать вставка соединения со щелочными металлами. Они известны как бронзы; пример натриевая вольфрамовая бронза.

История

В 1781 г. Карл Вильгельм Шееле обнаружил, что новый кислота, вольфрамовая кислота, может быть сделан из шеелит (в то время называли вольфрамом).^[35][36] Шееле и Торберн Бергман предположил, что можно получить новый металл, восстановив эту кислоту.^[37] В 1783 г. Хосе и Фаусто Эльхуяр нашел кислоту, сделанную из вольфрамит это было идентично вольфрамовой кислоте. Позже в том же году в Королевское баскское общество в городе Бергара, Испания, братьям удалось выделить вольфрам восстановлением этой кислоты уголь, и им приписывают открытие элемента (они назвали его «вольфрам» или «вольфрам»).^{[38][39][40][41][42]}

Стратегическая ценность вольфрама стала заметна в начале 20 века. Британские власти в 1912 году предприняли действия по освобождению Каррок рудник от немецкой компании Cumbrian Mining Company, а во время Первая Мировая Война, ограничить немецкий доступ в других местах.^[43] В Вторая Мировая Война, вольфрам играл более важную роль в фоновых политических сделках. Португалия, как главный европейский источник этого элемента, была подвергать давлению с обеих сторон, из-за залежей вольфрамитовой руды на Panasqueira. Желательные свойства вольфрама, такие как устойчивость к высоким температурам, его твердость и плотность, а также упрочнение сплавов, сделали его важным сырьем для военной промышленности.^[44][45] как составная часть оружия и оборудования, так и используемые в самом производстве, например, в карбид вольфрама режущие инструменты для обработки стали. В настоящее время вольфрам используется во многих других областях, таких как балластные грузы для самолетов и автоспорта, дротики, антивибрационные инструменты и спортивное оборудование.

Этимология

Название «вольфрам» (что в переводе с английского означает «тяжелый камень»). Шведский ) используется в английском, французском и многих других языках в качестве имени элемента, но не в Скандинавские страны. «Вольфрам» — старое шведское название минерала. шеелит. «Вольфрам» (или «вольфрам») используется в большинстве европейских (особенно германских, испанских и славянских) языков и происходит от минерала вольфрамит, откуда происходит химический символ W.^[15] Название «вольфрамит» происходит от немецкого «волк баран«(» волчья сажа «или» волчий крем «), название, данное вольфраму Йохан Готтшалк Валлериус в 1747 году. Это, в свою очередь, происходит от латинский «lupi spuma«, название Георг Агрикола использованный для элемента в 1546 году, что переводится на английский как «волчья пена» и является ссылкой на большое количество банка потребляется минералом при его добыче.^[46]

Вхождение

Вольфрам содержится в основном в минералах. вольфрамит (утюг –марганец вольфрамат (Fe, Mn) WO₄, который представляет собой твердый раствор двух минералов ферберит FeWO₄, и хюбнерит MnWO₄) и шеелит (кальций вольфрамат (CaWO₄). Содержание других минералов вольфрама варьируется от умеренного до очень редкого и почти не имеет экономической ценности.

Химические соединения

Смотрите также: Категория: Соединения вольфрама.

Вольфрам образует химические соединения в степенях окисления от -II до VI. Более высокие степени окисления, всегда в виде оксидов, имеют отношение к его наземному происхождению и его биологической роли, состояния окисления среднего уровня часто связаны с металлические кластеры, и очень низкие степени окисления обычно связаны с CO комплексы. Химия вольфрама и молибден демонстрируют сильное сходство друг с другом, а также контрасты со своими более светлыми собратьями, хром. Относительная редкость вольфрама (III), например, контрастирует с распространенностью соединений хрома (III). Наивысшая степень окисления наблюдается в оксид вольфрама (VI) (WO₃).^[47] Оксид вольфрама (VI) растворим в водной основание, образуя вольфрамат (WO₄²⁻). Этот оксианион конденсируется при низком pH ценности, формирующие полиоксовольфраматы.^[48]

Широкий спектр состояния окисления вольфрама отражается в его различных хлоридах:^[47]

• Хлорид вольфрама (II), который существует как гексамер W₆Cl₁₂
• Хлорид вольфрама (III), который существует как гексамер W₆Cl₁₈
• Хлорид вольфрама (IV), WCl₄, черное твердое вещество, имеющее полимерную структуру.
• Хлорид вольфрама (V) WCl₅, черное твердое вещество с димерной структурой.
• Хлорид вольфрама (VI) WCl₆, что контрастирует с нестабильностью MoCl₆.

Вольфраморганические соединения многочисленны и также охватывают диапазон степеней окисления. Известные примеры включают тригонально-призматический W (CH₃)₆ и восьмигранный Вт (CO)₆.

Производство

Мировые запасы вольфрама составляют 3 200 000 тонн; в основном они расположены в Китае (1 800 000 т), Канаде (290 000 т),^[49] Россия (160 000 т), Вьетнам (95 000 т) и Боливия. По состоянию на 2017 год ведущими поставщиками являются Китай, Вьетнам и Россия с 79 000, 7 200 и 3100 тоннами соответственно. Канада прекратила производство в конце 2015 года из-за закрытия единственного вольфрамового рудника. Между тем, Вьетнам значительно увеличил объемы добычи в 2010-х годах благодаря серьезной оптимизации внутренних операций по переработке нефти и обогнал Россию и Боливию.^[50]

Китай остается мировым лидером не только по производству, но и по экспорту и потреблению вольфрамовой продукции. Производство вольфрама за пределами Китая постепенно увеличивается из-за растущего спроса. Между тем его поставки из Китая строго регулируются правительством Китая, которое борется с незаконной добычей полезных ископаемых и чрезмерным загрязнением, возникающим в результате процессов добычи и переработки.^[51]

Вольфрам считается конфликтный минерал из-за неэтичных методов добычи, наблюдаемых в Демократическая Республика Конго.^[52][53]

На краю р-на находится крупное месторождение вольфрамовой руды. Дартмур в объединенное Королевство, который эксплуатировался во время Первая Мировая Война и Вторая Мировая Война как Рудник Хемердон. После повышения цен на вольфрам этот рудник был возобновлен в 2014 г.^[54] но прекратил деятельность в 2018 году.^[55]

Вольфрам извлекается из руд в несколько этапов. В конечном итоге руда превращается в оксид вольфрама (VI) (WO₃), который нагревается водород или же углерод для производства порошкового вольфрама.^[37] Из-за высокой температуры плавления вольфрама коммерчески нецелесообразно лить вольфрам. слитки. Вместо этого порошковый вольфрам смешивают с небольшими количествами порошкового никеля или других металлов, и спеченный. В процессе спекания никель диффундирует в вольфрам, образуя сплав.

Вольфрам также можно извлечь восстановлением водородом WF₆:

WF₆ + 3 часа₂ → Вт + 6 ВЧ

или же пиролитическое разложение:^[56]

WF₆ → W + 3 F₂ (ΔЧАС_р = +)

Вольфрам не торгуется как фьючерсный контракт, и его нельзя отслеживать на таких биржах, как Лондонская биржа металлов. В вольфрамовой промышленности часто используются независимые справочные сведения о ценах, такие как Argus Media или же Металлический бюллетень как основа для заключения договоров.^[57] Цены обычно указаны за вольфрамовый концентрат или WO.₃.^[50]

Приложения

Примерно половина вольфрама расходуется на производство твердых материалов, а именно карбид вольфрама — остальное основное применение — сплавы и стали. Менее 10% используется в других химические соединения.^[58] Из-за высокой температуры вязко-хрупкого перехода вольфрама его продукты обычно производятся через порошковая металлургия, искровое плазменное спекание, химическое осаждение из паровой фазы, горячее изостатическое прессование, и термопласт маршруты. Более гибкая производственная альтернатива — селективное лазерное плавление, который является формой 3D печать и позволяет создавать сложные трехмерные формы.^[59]

Твердые материалы

Вольфрам в основном используется в производстве твердых материалов на основе карбида вольфрама, одного из самых твердых. карбиды, с температурой плавления 2770 ° C. WC — эффективный электрический проводник, но W₂C меньше. Унитаз используется для изготовления износостойких абразивы, и «твердосплавные» режущие инструменты, такие как ножи, сверла, дисковые пилы, перезагрузка боеприпасы умирает, фрезерование и превращение инструменты, используемые в металлообработке, деревообработке, добыча полезных ископаемых, нефть и строительная промышленность.^[12] Карбидная оснастка на самом деле представляет собой композит керамика / металл, в котором металлический кобальт действует как связующее. (матричный) материал чтобы удерживать частицы WC на ​​месте. На этот вид промышленного использования приходится около 60% текущего потребления вольфрама.^[60]

В ювелирные украшения промышленность производит кольца из спеченного карбида вольфрама, композитов карбид вольфрама и металла, а также металлического вольфрама.^[61] В композитных кольцах WC / металл в качестве металлической матрицы используется никель вместо кобальта, поскольку он приобретает более высокий блеск при полировке. Иногда производители или продавцы называют карбид вольфрама металлом, но это керамика.^[62] Из-за твердости карбида вольфрама кольца из этого материала чрезвычайно устойчивы к истиранию и сохраняют полированную поверхность дольше, чем кольца из металлического вольфрама. Однако кольца из карбида вольфрама хрупкие и могут треснуть при резком ударе.^[63]

Сплавы

Твердость и термостойкость вольфрама могут способствовать полезному сплавы. Хороший пример — быстрорежущей стали, который может содержать до 18% вольфрама.^[64] Высокая температура плавления вольфрама делает вольфрам хорошим материалом для таких применений, как сопла ракет, например в UGM-27 Polaris баллистическая ракета подводного базирования.^[65] Вольфрамовые сплавы используются в широком спектре применений, включая аэрокосмическую и автомобильную промышленность и защиту от радиации.^[66] Суперсплавы содержащие вольфрам, такие как Хастеллой и Стеллит, используются в турбина лезвия и износостойкие детали и покрытия.

Термостойкость вольфрама делает его полезным в дуговая сварка применения в сочетании с другим металлом с высокой проводимостью, таким как серебро или медь. Серебро или медь обеспечивают необходимую проводимость, а вольфрам позволяет сварочному стержню выдерживать высокие температуры среды дуговой сварки.^{[нужна цитата ]}

Постоянные магниты

Закаленная (мартенситная) вольфрамовая сталь (приблизительно от 5,5% до 7,0% W с 0,5% до 0,7% C) использовалась для изготовления твердых постоянных магнитов из-за ее высокой остроту и принуждение, как отмечает Джон Хопкинсон (1849–1898) еще в 1886 году. Магнитные свойства металла или сплава очень чувствительны к микроструктуре. Например, хотя элемент вольфрам не является ферромагнитным (а утюг есть), когда он присутствует в стали в этих пропорциях, он стабилизирует мартенсит фаза, которая имеет больший ферромагнетизм, чем феррит (железо) фазы из-за его большей устойчивости к движение магнитной доменной стенки.

Вооружение

Вольфрам, обычно легированный никель и утюг или же кобальт для образования тяжелых сплавов, применяется в пенетраторы кинетической энергии как альтернатива обедненный уран, в приложениях, где уран радиоактивность проблематично даже в обедненной форме, или там, где дополнительный уран пирофорный свойства нежелательны (например, в обычном стрелковом оружии пули предназначены для пробивания бронежилетов). Точно так же вольфрамовые сплавы также использовались в снарядах пушек, гранаты и ракеты, чтобы создать сверхзвуковую шрапнель. Германия использовала вольфрам во время Второй мировой войны для производства снарядов для противотанковых орудий с использованием Герлиха. сжатое отверстие принцип достижения очень высокой начальной скорости и улучшенного бронепробиваемости от сравнительно небольшого калибра и легкой полевой артиллерии. Оружие было очень эффективным, но нехватка вольфрама, используемого в сердечнике снаряда, ограничивала его эффективность.

Вольфрам также использовался в Плотные инертные металлические взрывчатые вещества, которые используют его в виде плотного порошка, чтобы уменьшить сопутствующий ущерб, увеличивая при этом летальность взрывчатых веществ в небольшом радиусе.^[67]

Химические приложения

Сульфид вольфрама (IV) это высокая температура смазка и является компонентом катализаторов для гидрообессеривание.^[68] MoS₂ чаще всего используется для таких приложений.^[69]

Вольфрам оксиды используются в керамика глазури и кальций /магний вольфраматы широко используются в флуоресцентное освещение. Кристалл вольфраматы используются как сцинтилляционные детекторы в ядерная физика и ядерная медицина. Другие соли, содержащие вольфрам, используются в химической и химической промышленности. дубление отрасли.^[19]Оксид вольфрама (WO₃) включен в селективное каталитическое восстановление (SCR) катализаторы, используемые на угольных электростанциях. Эти катализаторы превращают оксиды азота (НЕТ_Икс ) до азота (N₂) и вода (H₂O) с использованием аммиака (NH₃). Оксид вольфрама способствует повышению физической прочности катализатора и продлевает срок его службы.^[70]

Ниша использует

Приложения, требующие высокой плотности, включают веса, противовесы, балластные кили для яхт, хвостовой балласт для коммерческих самолетов, грузы несущих винтов для гражданских и военных вертолетов, а также в качестве балласта в гоночных автомобилях для НАСКАР и Формула один.^[71] Обедненный уран также используется для этих целей из-за столь же высокой плотности. Семьдесят пять килограммовых блоков вольфрама использовались в качестве «крейсерских уравновешивающих масс» на входной части 2012 года. Марсианская научная лаборатория космический корабль. Это идеальный материал для использования в качестве Долли за захватывающий, где масса, необходимая для хороших результатов, может быть достигнута в компактном баре. Высокоплотные сплавы вольфрама с никелем, медью или железом используются в высококачественных дартс^[72] (чтобы учесть меньший диаметр и, следовательно, более плотную группировку) или для рыболовные приманки (вольфрамовые шарики позволяют мухе быстро тонуть). Вольфрам также используется как тяжелый болт для снижения скорострельности SWD M11 / 9 пистолета-пулемета изменена с 1300 до 700 об / мин. Вольфрам недавно нашел применение в соплах для 3D печать; высокая износостойкость и теплопроводность карбида вольфрама улучшает печать абразивных нитей.^[73] Немного виолончель Струны C намотаны вольфрамом. Дополнительная плотность придает этой струне большую проекцию, и часто виолончелисты покупают именно эту струну и используют ее с тремя струнами из другого набора.^{[74][ненадежный источник? ]} Вольфрам используется в качестве поглотителя на электронном телескопе на Система космических лучей из двух Космический корабль «Вояджер».^[75]

Замена золота

Его плотность, аналогичная плотности золота, позволяет использовать вольфрам в ювелирных изделиях в качестве альтернативы золото или же платина.^[15][76] Металлический вольфрам — это гипоаллергенный, и он тверже золотых сплавов (хотя и не так тверд, как карбид вольфрама), что делает его полезным для кольца которые будут противостоять царапинам, особенно в дизайне с матовая отделка.

Поскольку плотность настолько близка к плотности золота (вольфрам всего на 0,36% меньше), а его цена порядка одной тысячной, вольфрам также можно использовать в подделка из золотые слитки например, покрывая вольфрамовый стержень золотом,^[77][78][79] что наблюдается с 1980-х гг.,^[80] или взятие существующего золотого слитка, сверление отверстий и замена удаленного золота вольфрамовыми стержнями.^[81] Плотность не совсем одинакова, а другие свойства золота и вольфрама различаются, но позолоченный вольфрам пройдет поверхностные испытания.^[77]

Позолоченный вольфрам коммерчески доступен из Китая (основной источник вольфрама) как в ювелирных изделиях, так и в виде слитков.^[82]

Электроника

Потому что он сохраняет свою прочность при высоких температурах и имеет высокую температура плавления, элементарный вольфрам используется во многих высокотемпературных приложениях,^[83] Такие как Лампа накаливания, электронно-лучевая трубка, и вакуумная труба нити, нагревательные элементы, и ракетный двигатель насадки.^[15] Его высокая температура плавления также делает вольфрам подходящим для использования в аэрокосмической и высокотемпературной области, например, в электротехнике, нагревании и сварке, особенно в газовая вольфрамовая дуговая сварка процесс (также называемый сваркой вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG)).

Благодаря своим проводящим свойствам и относительной химической инертности вольфрам также используется в электроды, а также в наконечниках эмиттеров электронно-лучевых приборов, использующих автоэмиссионные пушки, Такие как электронные микроскопы. В электронике вольфрам используется в качестве соединительного материала в интегральные схемы, между диоксид кремния диэлектрик материал и транзисторы. Он используется в металлических пленках, которые заменяют проводку, используемую в обычной электронике, с покрытием из вольфрама (или молибден ) на кремний.^[56]

Электронная структура вольфрама делает его одним из основных источников рентгеновский снимок цели,^[84][85] а также для защиты от излучения высокой энергии (например, в радиофармпрепарат промышленность по защите радиоактивных образцов ФДГ ). Он также используется в гамма-изображении в качестве материала, из которого сделаны кодированные апертуры из-за его превосходных экранирующих свойств. Порошок вольфрама используется в качестве наполнителя в пластик композиты, которые используются как нетоксичный заменитель вести в пули, выстрелил, и радиационные экраны. Поскольку тепловое расширение этого элемента похоже на боросиликатное стекло, используется для изготовления уплотнений стекло-металл.^[19] В дополнение к его высокой температуре плавления, когда вольфрам легирован калием, это приводит к повышенной стабильности формы (по сравнению с нелегированным вольфрамом). Это гарантирует, что нить не провиснет и не произойдет нежелательных изменений.^[86]

Нанопровода

Сверху вниз нанопроизводство процессы, вольфрам нанопровода изготавливаются и исследуются с 2002 года.^[87] Из-за особенно высокого отношения поверхности к объему, образования поверхностного оксидного слоя и монокристаллической природы такого материала механические свойства фундаментально отличаются от свойств объемного вольфрама.^[88] Такие вольфрамовые нанопроволоки имеют потенциальное применение в наноэлектроника и, что немаловажно, как датчики pH и датчики газа.^[89] По аналогии с кремниевые нанопроволоки, вольфрамовые нанопроволоки часто получают из объемного прекурсора вольфрама, за которым следует термическое окисление шаг для управления морфологией с точки зрения длины и соотношения сторон.^[90] С использованием Модель Дил-Гроув можно предсказать кинетику окисления нанопроволок, полученных с помощью такой термической обработки окислением.^[91]

Сила термоядерного синтеза

Благодаря высокой температуре плавления и хорошей стойкости к эрозии вольфрам является основным кандидатом для наиболее открытых участков внутренней стенки, обращенной к плазме. термоядерная реакция реакторы. Он будет использоваться как плазменный материал из дивертор в ИТЭР реактор,^[92] и в настоящее время используется в JET испытательный реактор.

Биологическая роль

Вольфрам, атомный номер Z = 74, является самым тяжелым элементом, который, как известно, является биологически функциональным. Он используется некоторыми бактериями и археи,^[93] но не в эукариоты. Например, ферменты называется оксидоредуктазы использовать вольфрам аналогично молибден используя его в вольфрамовомптерин комплекс с молибдоптерин (молибдоптерин, несмотря на свое название, не содержит молибдена, но может образовывать комплекс либо с молибденом, либо с вольфрамом, используемым живыми организмами). Ферменты, использующие вольфрам, обычно восстанавливают карбоновые кислоты до альдегидов.^[94] Оксидоредуктазы вольфрама также могут катализировать окисление. Первый обнаруженный фермент, требующий вольфрама, также требует селен, и в этом случае пара вольфрам-селен может функционировать аналогично паре молибден-сера некоторых ферментов, требующих молибдоптерина.^[95] Один из ферментов семейства оксидоредуктаз, в котором иногда используется вольфрам (бактериальный формиатдегидрогеназа H), как известно, использует селен-молибденовый вариант молибдоптерина.^[96] Ацетиленгидратаза необычный металлофермент в том, что он катализирует реакцию гидратации. Было предложено два механизма реакции, в одном из которых существует прямое взаимодействие между атомом вольфрама и тройной связью C≡C.^[97] Хотя вольфрамсодержащий ксантиндегидрогеназа от бактерий было обнаружено, что они содержат вольфрам-молидоптерин, а также селен, не связанный с белками, комплекс вольфрам-селен-молибдоптерин окончательно не описан.^[98]

В почве металлический вольфрам окисляется до вольфрамат анион. Он может быть выборочно или неизбирательно импортирован некоторыми прокариотические организмы и может заменить молибдат в определенных ферменты. Его влияние на действие этих ферментов в одних случаях тормозящее, а в других — положительное.^[99] Химический состав почвы определяет способ полимеризации вольфрама; щелочной почвы вызывают мономерные вольфраматы; кислый почвы вызывают полимерные вольфраматы.^[100]

Вольфрамат натрия и вести были изучены их влияние на дождевые черви. Было обнаружено, что свинец является смертельным при низких уровнях, а вольфрамат натрия гораздо менее токсичен, но вольфрамат полностью подавляет их репродуктивная способность.^[101]

Вольфрам был изучен как биологический метаболизм меди. антагонист, в роли, аналогичной действию молибдена. Было обнаружено, что тетратиовольфрамат [ж ] соли могут использоваться как биологическая медь хелатирование химикаты, аналогичные тетратиомолибдаты.^[102]

В архее

Вольфрам необходим для некоторых архей. Известны следующие ферменты, использующие вольфрам:

• Альдегид ферредоксин оксидоредуктаза (AOR) в Термококк штамм ES-1
• Формальдегид ферредоксин оксидоредуктаза (FOR) в Термококк литоралис
• Глицеральдегид-3-фосфатферредоксин оксидоредуктаза (ГАПОР) в Pyrococcus furiosus

А wtp Известно, что система избирательно переносит вольфрам в архее:

• WtpA — вольфрам-связывающий белок Семейство транспортеров ABC
• WptB — это пермеаза
• WtpC — это АТФаза^[103]

Факторы здоровья

Потому что вольфрам — редкий металл^[104] и его соединения обычно инертны, влияние вольфрама на окружающую среду ограничено.^[105] Считается, что содержание вольфрама в земной коре составляет около 1,5 частей на миллион. Это один из самых редких элементов.

Поначалу считалось, что это относительно инертный и лишь слегка токсичный металл, но начиная с 2000 года вольфрамовые сплавы, его пыль и частицы могут вызвать рак и некоторые другие неблагоприятные эффекты как у животных, так и у людей. выделено из экспериментов in vitro и in vivo.^[106][107]В средняя летальная доза LD₅₀ сильно зависит от животного и способа введения и колеблется от 59 мг / кг (внутривенно, кролики)^[108][109] и 5000 мг / кг (порошок металлического вольфрама, внутрибрюшинный, крысы).^[110][111]

Люди могут подвергаться воздействию вольфрама на рабочем месте, вдыхая его, проглатывая, контактируя с кожей и глазами. В Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH) установил рекомендуемый предел воздействия (REL) 5 мг / м³ более 8-часовой рабочий день и краткосрочный предел 10 мг / м3³.^[112]

Патентная заявка

Среди элементов вольфрам уникален тем, что он был предметом патентных разбирательств. В 1928 году суд США отклонил General Electric попытка запатентовать это, опрокидывая Патент США 1,082,933 предоставлен в 1913 г. Уильям Д. Кулидж.^{[113][114][115]}

Смотрите также

• Автоэмиссионная пушка
• Оксид вольфрама
• Список этимологий названий химических элементов
• Список химических элементов, называющих споры

Рекомендации

внешняя ссылка

• Свойства, фотографии, история, паспорт безопасности
• CDC — Карманный справочник NIOSH по химической опасности
• Вольфрам в Периодическая таблица видео (Ноттингемский университет)
• Картина в коллекции от Генриха Пниока
• Elementymology & Elements Multidict Питера ван дер Крогта — Вольфрам
• Международная ассоциация вольфрамовой промышленности