TUNGSTEN: HISTÓRIA, VLASTNOSTI, ŠTRUKTÚRA, POUŽITIE - CHÉMIA - 2026

Volfrámu , volfrám alebo volfrám ťažký kov je prechodný, ktorého chemická značka je W. Nachádza sa v období 6 skupina 6 periodickej tabuľky, a atómové číslo 74. Jeho názov má dva etymologické významy: pevný kameň a vlková pena; Druhým dôvodom je skutočnosť, že tento kov je známy aj ako volfrám.

Je to strieborno-šedý kov a hoci je krehký, má veľkú tvrdosť, hustotu a vysoké teploty topenia a varu. Preto sa používa vo všetkých aplikáciách, ktoré zahŕňajú vysoké teploty, tlaky alebo mechanické sily, ako sú vŕtačky, projektily alebo vlákna vyžarujúce žiarenie.

Volfrámová tyčinka s čiastočne oxidovaným povrchom. Zdroj: Hi-Res obrázky chemických prvkov

Najznámejšie použitie tohto kovu na kultúrnej a populárnej úrovni je vo vláknach z elektrických žiaroviek. Každý, kto s nimi zaobchádzal, si uvedomí, aký krehký je; nie sú však vyrobené z čistého volfrámu, ktorý je poddajný a ťažný. Okrem toho v kovových matriciach, ako sú zliatiny, poskytuje vynikajúcu odolnosť a tvrdosť.

Vyznačuje sa a vyznačuje sa tým, že je kovom s najvyššou teplotou topenia a je hustejší ako samotný olovo, predčí ho iba iné kovy, ako je osmium a irídium. Podobne je to najťažší kov, o ktorom je známe, že v tele plní určitú biologickú úlohu.

Wolframan anión, WO ₄ ^2- , zúčastňuje väčšina jeho iónových zlúčenín , ktoré môžu polymerizujú do formy klastrov v kyslom prostredí. Na druhej strane môže volfrám vytvárať intermetalické zlúčeniny alebo môže byť spekaný kovmi alebo anorganickými soľami, takže jeho tuhé látky získajú rôzne tvary alebo konzistencie.

Nie je príliš hojný v zemskej kôre, iba 1,5 g tohto kovu na tonu. Okrem toho, keďže ide o ťažký prvok, jeho pôvod je intergalaktický; konkrétne z výbuchov supernovy, ktoré museli počas svojho formovania vrhnúť „prúdy“ volfrámových atómov na našu planétu.

histórie

etymológia

História volfrámu alebo wolfrámu má dve tváre, rovnako ako ich mená: jedna Švajčiarka a druhá nemčina. V 1600-tych rokoch v oblastiach, ktoré v súčasnosti okupuje Nemecko a Rakúsko, sa baníci usilovali ťažiť meď a cín a vyrábať bronzy.

V tom čase sa baníci ocitli v tŕni: v tavenine sa vyskytoval mimoriadne ťažký minerál; minerál pozostávajúci z wolframitu, (Fe, Mn, Mg) WO ₄ , ktorý zadržal alebo „pohltil“ cín, akoby to bol vlk.

Preto je etymológia tohto prvku „vlkom“ pre vlka v španielčine, vlka, ktorý jedol cín; a „baran“ z peny alebo krému, ktorých kryštály pripomínali dlhé čierne kožušiny. Na základe týchto prvých pripomienok teda vzniklo meno „wolfram“ alebo „wolfram“.

V roku 1758 bol na švajčiarskej strane podobný minerál scheelit CaWO ₄ pomenovaný „wolfrám“, čo znamená „tvrdý kameň“.

Obidva názvy, wolfrám a volfrám, sa široko používajú zameniteľne, záleží iba na kultúre. Napríklad v Španielsku a v západnej Európe je tento kov známy ako volfrám; zatiaľ čo na americkom kontinente prevažuje volfrám.

Uznávanie a objavovanie

Potom sa vedelo, že medzi 17. a 18. storočím existovali dva minerály: wolframit a scheelit. Ale kto videl, že v nich je kov odlišný od ostatných? Možno ich charakterizovať iba ako minerály, a to bolo v roku 1779, keď írsky chemik Peter Woulfe starostlivo analyzoval volfrám a odvodil existenciu volfrámu.

Na švajčiarskej strane bol Carl Wilhelm Scheele v roku 1781 schopný izolovať volfrám ako WO ₃ ; a ešte viac, získal wolframová (alebo volfrámové) kyselina, H _2, WO ₄ a ďalšie zlúčeniny.

To však nestačilo na to, aby sme sa dostali k čistému kovu, pretože bolo potrebné túto kyselinu redukovať; to znamená, že sa podrobí procesu, pri ktorom sa oddelí od kyslíka a kryštalizuje ako kov. Carl Wilhelm Scheele nemal vhodné pece ani metodiku pre túto chemickú redukčnú reakciu.

Práve tu začali pôsobiť španielski bratia d'Elhuyar, Fausto a Juan José, ktorí v meste Bergara zredukovali uhlie oba minerály (wolframit a scheelite) uhlím. Obaja sú ocenení za zásluhy a česť za to, že boli objaviteľmi kovového volfrámu (W).

Ocele a žiarovky

Akákoľvek žiarovka s volfrámovým vláknom. Zdroj: Pxhere.

Rovnako ako iné kovy, aj jeho použitie definuje jeho históriu. Na konci 19. storočia boli najvýznamnejšie oceľové volfrámové zliatiny a volfrámové vlákna, ktoré nahradili uhlíkové vlákna vo vnútri elektrických žiaroviek. Dá sa povedať, že prvé žiarovky, ako ich poznáme, boli uvedené na trh v rokoch 1903-1904.

vlastnosti

Fyzický vzhľad

Je to lesklý strieborno-šedý kov. Krehký, ale veľmi tvrdý (nesmie sa zamieňať s tvrdosťou). Ak má kus vysokú čistotu, stáva sa tvárnou a tvrdou, rovnako alebo viac ako niekoľko ocelí.

Atómové číslo

74.

Molárna hmota

183,85 g / mol.

Bod topenia

3422 ° C

Bod varu

5930 ° C

Hustota

19,3 g / ml.

Teplo fúzie

52,31 kJ / mol.

Odparovacie teplo

774 kJ / mol.

Molárna tepelná kapacita

24,27 kJ / mol.

Mohova tvrdosť

7.5.

electronegativity

2,36 v Paulingovej stupnici.

Atómové rádio

139 pm

Elektrický odpor

52,8 nΩ · m pri 20 ° C

izotopy

Vyskytuje sa prevažne v prírode ako päť izotopov: ¹⁸² W, ¹⁸³ W, ¹⁸⁴ W, ¹⁸⁶ W a ¹⁸⁰ W. Podľa molárnej hmotnosti 183 g / mol, ktorá priemeruje atómovú hmotnosť týchto izotopov (a ostatných tridsať rádioizotopov), každý atóm volfrámu alebo wolfrámu má asi sto desať neutrónov (74 + 110 = 184).

chémia

Je to kov vysoko odolný voči korózii, pretože jeho tenká vrstva z WO ₃ ho chráni pred napadnutím kyslíkom, kyselinami a zásadami. Po rozpustení a vyzrážaní inými činidlami sa získajú jeho soli, ktoré sa nazývajú wolfrámy alebo wolfrámy; v nich má volfrám obvykle oxidačný stav +6 (za predpokladu, že existujú katióny W ⁶⁺ ).

Kyslé zhlukovanie

Decatungstate, príklad polyoxometalátov volfrámu. Zdroj: Scifanz

Chemicky volfrám je celkom jedinečný, pretože jeho ióny majú tendenciu sa zhlukovať a vytvárať heteropolykyseliny alebo polyoxometaláty. Čo sú zač? Sú to skupiny alebo zhluky atómov, ktoré sa spájajú a vytvárajú trojrozmerné telo; Hlavne jedna s guľovou klietkou podobnou štruktúrou, v ktorej „obklopujú“ ďalší atóm.

Všetko začína od wolframanu aniónu, WO ₄ ^2- , ktorý rýchlo protónom v kyslom prostredí (hwo ₄ ^- ) a viaže sa susedným aniónom, za vzniku ^2- ; a to sa potom spojí s ďalším ^2- a vznikne ^4- . Takže, kým nebude vyriešených niekoľko politungstatov.

Paratungstates A a B, ⁶ a H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ^10- , v danom poradí, sú jedným z najvýznamnejších týchto polyanionty.

Môže byť náročné prísť s Lewisovým náčrtom a štruktúrami; ale v zásade ich stačí vizualizovať ako súpravy WO ₆ octahedra (horný obrázok).

Všimnite si, že tieto šedivé oktaedry nakoniec určujú dekatungstát, politungstat; Ak v ňom obsiahnutý heteroatóm (napríklad fosfor), potom by to bol polyoxometalát.

Štruktúra a elektronická konfigurácia

Kryštalické fázy

Atómy volfrámu definujú kryštál s kubickou (bcc) štruktúrou zameranou na telo. Táto kryštalická forma je známa ako a-fáza; zatiaľ čo fáza p je tiež kubická, ale trochu hustejšia. Obidve fázy alebo kryštalické formy, a a p, môžu za normálnych podmienok koexistovať v rovnováhe.

Kryštalické zrná a fázy sú izometrické, zatiaľ čo zrná p fázy sa podobajú stĺpcom. Bez ohľadu na kryštál sa riadi kovovými väzbami, ktoré pevne držia atómy W. Inak by nebolo možné vysvetliť vysoké teploty topenia a teploty varu alebo vysokú tvrdosť a hustotu volfrámu.

Kovová väzba

Atómy volfrámu musia byť nejako pevne viazané. Aby bolo možné urobiť dohady, musí sa najskôr pozorovať elektrónová konfigurácia tohto kovu:

4f ¹⁴ 5d ⁴ 6s ²

Piate orbity sú veľmi veľké a nejasné, čo by znamenalo, že medzi dvoma atómami blízkeho W sú účinné obehové dráhy. K výsledným pásmom tiež prispievajú 6-orbitálne dráhy, ale v menšej miere. Zatiaľ čo 4f obežníky sú „hlboko v pozadí“, a preto je ich podiel na kovovej väzbe menší.

To je veľkosť atómov a kryštalických zŕn, to sú premenné, ktoré určujú tvrdosť volfrámu a jeho hustotu.

Oxidačné stavy

V kovového volfrámu alebo volfrámu, že W atómy majú nulovú oxidačného stavu (W ⁰ ). Pri návrate do elektronickej konfigurácie môžu byť 5d a 6s orbitaly „vyprázdnené“ elektrónov v závislosti od toho, či je W v spoločnosti vysoko elektronegatívnych atómov, ako je kyslík alebo fluór.

Ak dôjde k strate dvoch elektrónov 6s, volfrám má oxidačný stav +2 (W2 ⁺ ), ktorý spôsobuje jeho atóm.

Ak tiež stratí všetky elektróny na svojich 5d obežných dráhach, jeho oxidačný stav sa zmení na +6 (W ⁶⁺ ); Od tejto chvíle už nemôže byť pozitívnejší (teoreticky), pretože 4f obežníky, ak sú vnútorné, by vyžadovali veľké energie, aby odstránili svoje elektróny. Inými slovami, najpriaznivejším oxidačným stavom je +6, kde volfrám je ešte menší.

Tento volfrám (VI) je veľmi stabilný v kyslých podmienkach alebo v mnohých okysličených alebo halogenovaných zlúčeninách. Ďalšie možné a pozitívne oxidačné stavy sú: +1, +2, +3, +4, +5 a +6.

Volfrám môže tiež získať elektróny, ak sa kombinuje s atómami menej elektronegatívnymi ako sám. V tomto prípade sa jeho atómy zväčšia. Môže získať maximálne štyri elektróny; to znamená, mať oxidačné stav -4 (W ^4- ).

získanie

Už bolo spomenuté, že volfrám sa nachádza v mineráloch wolframitu a scheelitu. V závislosti na procese, dve zlúčeniny sa získajú z nich: oxid volfrámu, WO ₃ , alebo parawolframan amónny, (NH ₄ ) ₁₀ (H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ) · 4H ₂ O (alebo ATP). Každá z nich môže byť redukovaná na kovový W uhlíkom nad 1050 ° C.

Nie je ekonomicky výhodné vyrábať volfrámové ingoty, pretože na ich roztavenie by potrebovali veľa tepla (a peniaze). Preto je výhodné vyrábať ho v práškovej forme, aby sa súčasne s inými kovmi spracovali na zliatiny.

Za zmienku stojí, že Čína je krajinou s najväčšou produkciou volfrámu na svete. A na americkom kontinente zaujíma Kanada, Bolívia a Brazília zoznam najväčších výrobcov tohto kovu.

aplikácia

Prsteň z karbidu volfrámu - príklad toho, ako môže byť tvrdosť tohto kovu použitá na zvečnenie a stvrdnutie materiálov. Zdroj: SolitaryAngel (SolitaryAngel)

Tu je niekoľko známych použití tohto kovu:

- Jeho soli sa používali na farbenie bavlny zo starých divadelných odevov.

-Kombinovaná s oceľou ju ešte viac vytvrdzuje, je schopná odolávať mechanickým rezom pri vysokých rýchlostiach.

- Spekané volfrámové vlákna sa už viac ako sto rokov používajú v elektrických žiarovkách a halogénových žiarovkách. Tiež vďaka svojmu vysokému bodu topenia slúžil ako materiál pre katódové trubice a pre dýzy raketových motorov.

-Obsahuje olovo pri výrobe projektilov a rádioaktívnych štítov.

-Volfrámové nanovlákna sa môžu používať v nanozariadeniach citlivých na pH a plyn.

- Volfrámové katalyzátory sa použili na riešenie výroby síry v ropnom priemysle.

- Karbid volfrámu je najrozšírenejším zo všetkých jeho zlúčenín. Od spevnenia rezacích a vŕtacích nástrojov alebo výroby kusov vojenských zbraní až po obrábanie dreva, plastov a keramiky.

Riziká a bezpečnostné opatrenia

biologický

Keďže je v zemskej kôre relatívne vzácny kov, jej negatívne účinky sú zriedkavé. V kyslých pôdach polyungstáty nemusia ovplyvňovať enzýmy, ktoré používajú molybdénanové anióny; ale v zásadité pôdy, WO ₄ ² intervenuje (pozitívne alebo negatívne) v metabolických procesoch MoO ₄ ^2- a medi.

Napríklad rastliny môžu absorbovať rozpustné zlúčeniny volfrámu a keď ich zviera zje a potom po konzumácii mäsa, atómy W vstupujú do nášho tela. Väčšina z nich je vylúčená močom a stolicou a málo je známe, čo sa stane s ostatnými.

Štúdie na zvieratách ukázali, že keď vdychujú vysoké koncentrácie práškového volfrámu, objavia sa príznaky podobné tým, ktoré sa vyskytujú pri rakovine pľúc.

Pri požití by dospelý človek musel vypiť tisíce galónov vody obohatenej volfrámovými soľami, aby preukázal značnú inhibíciu enzýmov cholinesterázy a fosfatázy.

fyzický

Vo všeobecnosti je volfrám málo toxický prvok, a preto existuje len malé riziko poškodenia životného prostredia.

Pokiaľ ide o kovový volfrám, zabráňte vdychovaniu jeho prachu; a ak je vzorka pevná, musí sa pamätať na to, že je veľmi hustá a že môže spadnúť alebo ak dopadne na iné povrchy, môže spôsobiť fyzické poškodenie.

Referencie

1. Bell Terence. (SF). Tungsten (Wolfram): Vlastnosti, výroba, aplikácie a zliatiny. Rovnováha. Obnovené z: thebalance.com
2. Wikipedia. (2019). Wolfram. Obnovené z: en.wikipedia.org
3. Lenntech BV (2019). Wolfram. Obnovené z: lenntech.com
4. Jeff Desjardins. (1. mája 2017). História volfrámu, najsilnejšieho prírodného kovu na Zemi. Obnovené z: visualcapitalist.com
5. Doug Stewart. (2019). Fakty o volfrámovom prvku. Získané z: chemicool.com
6. Art Fisher a Pam Powell. (SF). Wolfram. University of Nevada. Získané z: unce.unr.edu
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2. marca 2019). Fakty o volfráme alebo Wolframe. Získané z: thinkco.com