Wolfram to pierwiastek chemiczny, którego liczba atomowa wynosi 74. Ten metal ciężki, od stalowoszarego do białego, jest bardzo wytrzymały, co czyni go po prostu niezastąpionym w wielu przypadkach. Jego temperatura topnienia jest wyższa niż jakiegokolwiek innego metalu, dlatego jest używany jako włókna w żarówkach i elementy grzejne w piecach elektrycznych (na przykład stop cyrkonowo-wolframowy). Chemia pierwiastka pozwala na wykorzystanie go jako katalizatora. Jego wyjątkowa twardość sprawia, że nadaje się do stosowania w „stali szybkotnących”, które umożliwiają cięcie materiałów z większą prędkością niż stale węglowe oraz w stopach wysokotemperaturowych. Węglik wolframu, związek pierwiastka z węglem, jest jedną z najtwardszych znanych substancji i jest używany do produkcji narzędzi frezarskich i tokarskich. Wolframiany wapnia i magnezu są szeroko stosowane w lampach fluorescencyjnych, a tlenki wolframu są szeroko stosowane w farbach i szkliwach ceramicznych.
Historia odkryć
Istnienie tego pierwiastka chemicznego zostało po raz pierwszy zasugerowane w 1779 roku przez Petera Woolfa, kiedy zbadał mineralny wolframit i doszedł downiosek, że musi zawierać nową substancję. W 1781 Carl Wilhelm Scheele ustalił, że z wolframu można otrzymać nowy kwas. Scheele i Thorburn Bergman zaproponowali rozważenie możliwości uzyskania nowego metalu poprzez redukcję tego kwasu, zwanego kwasem wolframowym. W 1783 roku dwaj bracia, José i Fausto Elguiar, znaleźli w wolframicie kwas identyczny z kwasem wolframowym. W tym samym roku braciom udało się wyizolować z niego wolfram za pomocą węgla drzewnego.
Podczas II wojny światowej ten pierwiastek chemiczny odegrał ogromną rolę. Odporność metalu na wysokie temperatury, a także ekstremalna wytrzymałość jego stopów sprawiły, że wolfram stał się najważniejszym surowcem dla przemysłu wojskowego. Strony wojujące wywierają presję na Portugalię jako główne źródło wolframitu w Europie.
Przebywanie na łonie natury
W naturze pierwiastek występuje w wolframicie (FeWO4/MnWO4), scheelicie (CaWO4), ferberyt i hübneryt. Ważne złoża tych minerałów znajdują się w USA w Kalifornii i Kolorado, w Boliwii, Chinach, Korei Południowej, Rosji i Portugalii. Około 75% światowej produkcji wolframu koncentruje się w Chinach. Metal otrzymuje się poprzez redukcję jego tlenku wodorem lub węglem.
Zasoby światowe szacowane są na 7 mln t. Przyjmuje się, że 30% z nich to złoża wolframitu, a 70% szeelitu. Obecnie ich rozwój nie jest ekonomicznie opłacalny. Przy obecnym poziomie zużycia zapasy te wystarczą tylko na 140 lat. Kolejne cenne źródłowolfram to recykling złomu.
Kluczowe funkcje
Wolfram to pierwiastek chemiczny, który jest klasyfikowany jako metal przejściowy. Jego symbol W pochodzi od łacińskiego słowa wolframium. W układzie okresowym znajduje się w grupie VI między tantalem a renem.
W swojej najczystszej postaci wolfram jest twardym materiałem o kolorze od stalowoszarego do cynowego białego. W przypadku zanieczyszczeń metal staje się kruchy i trudny w obróbce, ale jeśli ich nie ma, można go przeciąć piłą do metalu. Ponadto może być kuty, walcowany i ciągniony.
Wolfram to pierwiastek chemiczny, którego temperatura topnienia jest najwyższa spośród wszystkich metali (3422°C). Ma również najniższą prężność pary. Posiada również najwyższą wytrzymałość na rozciąganie w T> 1650 °C. Element jest wyjątkowo odporny na korozję i tylko w niewielkim stopniu atakowany przez kwasy mineralne. W kontakcie z powietrzem na powierzchni metalu tworzy się ochronna warstwa tlenku, ale wolfram ulega całkowitemu utlenieniu w wysokich temperaturach. Gdy jest dodawany w niewielkich ilościach do stali, jego twardość dramatycznie wzrasta.
Izotopy
W naturze wolfram składa się z pięciu radioaktywnych izotopów, ale mają one tak długi okres półtrwania, że można je uznać za stabilne. Wszystkie z nich rozpadają się na hafn-72 z emisją cząstek alfa (odpowiadających jąderkom helu-4). Rozpad alfa obserwuje się tylko w 180W, najlżejszym i najrzadszym z nichizotopy. Średnio dwa rozpady alfa występują w 1 g naturalnego wolframu rocznie 180W.
Ponadto opisano 27 sztucznych radioaktywnych izotopów wolframu. Najbardziej stabilnym z nich jest 181W z okresem półtrwania 121,2 dni, 185W (75,1 dni), 188 W (69, 4 dni) i 178W (21, 6 dni). Wszystkie inne sztuczne izotopy mają okres półtrwania krótszy niż jeden dzień, a większość z nich ma mniej niż 8 minut. Wolfram ma również cztery stany „metastabilne”, z których najbardziej stabilny to 179mW (6,4 min).
Połączenia
W związkach chemicznych stopień utlenienia wolframu zmienia się od +2 do +6, z czego +6 jest najbardziej powszechne. Pierwiastek zazwyczaj wiąże się z tlenem, tworząc żółty trójtlenek (WO3), który rozpuszcza się w wodnych roztworach alkalicznych jako jony wolframianu (WO42−).
Aplikacja
Ponieważ wolfram ma bardzo wysoką temperaturę topnienia i jest ciągliwy (można go wciągnąć w drut), jest szeroko stosowany jako żarnik żarówek i lamp próżniowych, a także w elementach grzewczych pieców elektrycznych. Ponadto materiał wytrzymuje ekstremalne warunki. Jednym z jego znanych zastosowań jest spawanie łukiem wolframowym w osłonie gazu.
Wyjątkowo twardy wolfram jest idealnym składnikiem do ciężkich stopów broni. Wysoka gęstość jest stosowana w kettlebells,przeciwwagi i balastowe kile do jachtów, a także w rzutki (80-97%). Stal szybkotnąca, która może ciąć materiał z większą prędkością niż stal węglowa, zawiera do 18% tej substancji. Łopatki turbin, części zużywające się i powłoki wykorzystują „nadstopy” zawierające wolfram. Są to żaroodporne, bardzo odporne stopy, które działają w podwyższonych temperaturach.
Rozszerzalność cieplna pierwiastka chemicznego jest podobna do szkła borokrzemianowego, dlatego jest używane do wykonywania uszczelnień szkło-metal. Kompozyty zawierające wolfram są doskonałym substytutem ołowiu w kulach i śrutach. W stopach z niklem, żelazem lub kob altem wykonuje się z niego pociski uderzeniowe. Podobnie jak pocisk, jego energia kinetyczna jest wykorzystywana do trafienia w cel. W układach scalonych wolfram służy do wykonywania połączeń z tranzystorami. Niektóre rodzaje strun do instrumentów muzycznych są wykonane z drutu wolframowego.
Korzystanie z połączeń
Wyjątkowa twardość węglika wolframu (W2C, WC) sprawia, że jest to najpopularniejszy materiał do narzędzi frezarskich i tokarskich. Znajduje zastosowanie w przemyśle metalurgicznym, wydobywczym, naftowym i budowlanym. Węglik wolframu jest również używany w produkcji biżuterii, ponieważ jest hipoalergiczny i nie traci połysku.
Szkliwo składa się z jego tlenków. W farbach stosuje się „brąz” wolframowy (tzw. ze względu na kolor tlenków). Wolframiany magnezu i wapnia są stosowane w fluorescencyjnychLampy. Krystaliczny wolframian służy jako detektor scyntylacyjny w medycynie nuklearnej i fizyce. Sole są wykorzystywane w przemyśle chemicznym i skórzanym. Dwusiarczek wolframu to smar wysokotemperaturowy, który może wytrzymać 500°C. Niektóre związki zawierające wolfram są używane w chemii jako katalizatory.
Właściwości
Główne właściwości fizyczne W są następujące:
- Numer atomowy: 74.
- Masa atomowa: 183, 85.
- Temperatura topnienia: 3410 °C.
- Temperatura wrzenia: 5660 °C.
- Gęstość: 19,3 g/cm3 w 20°C.
- Stany utleniania: +2, +3, +4, +5, +6.
- Konfiguracja elektroniczna: [Xe]4 f 145 d 46 s 2.
