WOLFRAM: HISTORIA, WŁAŚCIWOŚCI, STRUKTURA, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Wolframu , wolfram i wolfram metal ciężki stanowi przejście których symbol chemiczny W. znajduje się w okresie 6 grupie 6 układu okresowego pierwiastków, i liczbę atomową 74. Jego nazwa dwa etymologiczne znaczenia hard kamienia i wilcza pianka; Po drugie, ten metal jest również znany jako wolfram.

Jest to srebrnoszary metal i chociaż jest kruchy, ma dużą twardość, gęstość oraz wysoką temperaturę topnienia i wrzenia. Dlatego był używany we wszystkich zastosowaniach, w których występują wysokie temperatury, ciśnienia lub siły mechaniczne, takie jak wiertła, pociski lub włókna emitujące promieniowanie.

Pręt wolframowy o częściowo utlenionej powierzchni. Źródło: obrazy o wysokiej rozdzielczości pierwiastków chemicznych

Najbardziej znanym zastosowaniem tego metalu, na poziomie kulturowym i popularnym, są włókna żarówek elektrycznych. Kto się nimi zajmował, zda sobie sprawę, jakie są kruche; jednakże nie są one wykonane z czystego wolframu, który jest kowalny i ciągliwy. Ponadto w osnowie metalicznej, takiej jak stopy, zapewnia doskonałą wytrzymałość i twardość.

Charakteryzuje się i wyróżnia tym, że jest metalem o najwyższej temperaturze topnienia, a także jest gęstszy niż sam ołów, przewyższany jedynie innymi metalami, takimi jak osm i iryd. Podobnie jest to najcięższy metal, o którym wiadomo, że spełnia jakąś biologiczną rolę w organizmie.

Anion wolframianu, WO ₄ ^2- , uczestniczy w większości jego związków jonowych , które mogą polimeryzować, tworząc klastry w środowisku kwaśnym. Z drugiej strony wolfram może tworzyć związki międzymetaliczne lub być spiekany z metalami lub solami nieorganicznymi, dzięki czemu jego ciała stałe nabierają różnych kształtów lub konsystencji.

Nie występuje zbyt obficie w skorupie ziemskiej, ponieważ zawiera tylko 1,5 grama tego metalu na tonę. Ponadto, ponieważ jest to pierwiastek ciężki, jego pochodzenie jest międzygalaktyczne; szczególnie z eksplozji supernowych, które musiały wyrzucać „dżety” atomów wolframu w kierunku naszej planety podczas jej powstawania.

Historia

Etymologia

Historia wolframu lub wolframu ma dwa oblicza, podobnie jak ich nazwy: jedna szwajcarska, a druga niemiecka. W XVII wieku w regionach okupowanych obecnie przez Niemcy i Austrię górnicy pracowali przy wydobywaniu miedzi i cyny w celu produkcji brązów.

W tym czasie górnicy znaleźli cierń w tym procesie: był tam niezwykle trudny do stopienia minerał; minerał składający się z wolframitu (Fe, Mn, Mg) WO ₄ , który zatrzymywał lub „pożerał” puszkę tak, jakby był wilkiem.

Stąd etymologia tego pierwiastka, „wilk” dla wilka po hiszpańsku, wilk, który zjadał cynę; oraz „baran” z pianki lub kremu, którego kryształy przypominały długie czarne futro. Dlatego nazwa „wolfram” lub „wolfram” powstała na cześć tych pierwszych obserwacji.

W 1758 r. Po stronie szwajcarskiej podobny minerał, scheelite, CaWO ₄ , został nazwany „tung sten”, co oznacza „twardy kamień”.

Obie nazwy, wolfram i wolfram, są szeroko stosowane zamiennie, w zależności wyłącznie od kultury. Na przykład w Hiszpanii iw zachodniej Europie ten metal jest najbardziej znany jako wolfram; podczas gdy na kontynencie amerykańskim dominuje nazwa wolfram.

Rozpoznawanie i odkrywanie

Wiadomo było wtedy, że między XVII a XVIII wiekiem istniały dwa minerały: wolframit i scheelit. Ale kto widział, że był w nich metal inny niż pozostałe? Można je było scharakteryzować tylko jako minerały i dopiero w 1779 roku irlandzki chemik Peter Woulfe dokładnie przeanalizował wolfram i wydedukował istnienie wolframu.

Po stronie szwajcarskiej ponownie Carl Wilhelm Scheele w 1781 roku był w stanie wyodrębnić wolfram jako WO ₃ ; a nawet więcej, uzyskał kwas wolframowy (lub wolframowy), H ₂ WO ₄ i inne związki.

Jednak to nie wystarczyło, aby dostać się do czystego metalu, ponieważ konieczne było zredukowanie tego kwasu; to znaczy poddanie go procesowi, który oddziela się od tlenu i krystalizuje jako metal. Carl Wilhelm Scheele nie miał odpowiednich pieców ani metodologii tej reakcji redukcji chemicznej.

To tutaj w mieście Bergara do akcji wkroczyli hiszpańscy bracia d'Elhuyar, Fausto i Juan José, redukując oba minerały (wolframit i scheelit) za pomocą węgla. Obaj otrzymują zasługi i zaszczyt bycia odkrywcami metalicznego wolframu (W).

Stal i żarówki

Dowolna żarówka z żarnikiem wolframowym. Źródło: Pxhere.

Podobnie jak inne metale, jego zastosowania określają jego historię. Do najbardziej znanych pod koniec XIX wieku należały stopy stali i wolframu oraz włókna wolframowe, które zastąpiły włókna węglowe wewnątrz żarówek elektrycznych. Można powiedzieć, że pierwsze żarówki, jakie znamy, były sprzedawane w latach 1903-1904.

Nieruchomości

Wygląd fizyczny

Jest to błyszczący srebrnoszary metal. Kruchy, ale bardzo twardy (nie mylić z wytrzymałością). Jeśli kawałek ma wysoką czystość, staje się plastyczny i twardy, tak samo lub więcej jak kilka stali.

Liczba atomowa

74.

Masa cząsteczkowa

183,85 g / mol.

Temperatura topnienia

3422 ° C

Temperatura wrzenia

5930 ° C

Gęstość

19,3 g / ml.

Ciepło topnienia

52,31 kJ / mol.

Ciepło parowania

774 kJ / mol.

Molowa pojemność cieplna

24,27 kJ / mol.

Twardość Moha

7.5.

Elektroujemność

2,36 w skali Paulinga.

Radio atomowe

139 pm

Rezystancja

52,8 nΩ · m przy 20 ° C.

Izotopy

Występuje głównie w przyrodzie jako pięć izotopów: ¹⁸² W, ¹⁸³ W, ¹⁸⁴ W, ¹⁸⁶ W i ¹⁸⁰ W. Zgodnie z masą molową 183 g / mol, która jest średnią mas atomowych tych izotopów (i innych trzydzieści radioizotopów), każdy atom wolframu lub wolframu ma około stu dziesięciu neutronów (74 + 110 = 184).

Chemia

Jest to metal bardzo odporny na korozję, gdyż cienka warstwa WO ₃ zabezpiecza go przed działaniem tlenu, kwasów i zasad. Po rozpuszczeniu i wytrąceniu innymi odczynnikami otrzymuje się jego sole, zwane wolframianami lub wolframiniami; w nich wolfram ma zwykle stopień utlenienia +6 (zakładając, że są kationy W ⁶⁺ ).

Klastry kwasów

Decatungstate, przykład polioksometalanów wolframu. Źródło: Scifanz

Pod względem chemicznym wolfram jest dość wyjątkowy, ponieważ jego jony mają tendencję do gromadzenia się razem, tworząc heteropolikwasy lub polioksometalany. Czym oni są? Są to grupy lub skupiska atomów, które łączą się, tworząc trójwymiarowe ciało; Głównie taką o kulistej strukturze przypominającej klatkę, w której „zamykają” inny atom.

Wszystko zaczyna się od anionu wolframiowego, WO ₄ ^2- , który szybko protonuje w środowisku kwaśnym (HWO ₄ ^- ) i wiąże się z sąsiednim anionem, tworząc ^2- ; a to z kolei łączy się z innym ^2-, aby zapoczątkować ^4- . Tak dalej, dopóki nie znajdzie się kilka polityk.

Paratungstates A i B, ^6- i H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ^10- , odpowiednio, są jednymi z najbardziej znanych z tych polianionów.

Wymyślenie szkicu i struktur Lewisa może być trudne; ale w zasadzie wystarczy je wizualizować jako zestawy ośmiościanów WO ₆ (górne zdjęcie).

Zauważ, że te szarawe oktaedry ostatecznie definiują dziesięciostan, politungstat; Gdyby zawierał w sobie heteroatom (na przykład fosfor), byłby to polioksometalan.

Struktura i konfiguracja elektroniczna

Fazy ​​krystaliczne

Atomy wolframu definiują kryształ o strukturze sześciennej centrowanej na ciele (BCC). Ta postać krystaliczna jest znana jako faza α; podczas gdy faza β jest również sześcienna, ale trochę bardziej gęsta. Obie fazy lub formy krystaliczne, α i β, mogą współistnieć w równowadze w normalnych warunkach.

Ziarna krystaliczne fazy α są izometryczne, podczas gdy ziarna fazy β przypominają kolumny. Niezależnie od kryształu rządzą nim wiązania metaliczne, które ściśle łączą atomy W. W przeciwnym razie nie można wytłumaczyć wysokiej temperatury topnienia i wrzenia lub dużej twardości i gęstości wolframu.

Wiązanie metaliczne

Atomy wolframu muszą być jakoś mocno związane. Aby wysnuć przypuszczenie, najpierw należy obserwować konfigurację elektronową tego metalu:

4f ¹⁴ 5d ⁴ 6s ²

Orbitale 5d są bardzo duże i rozmyte, co sugerowałoby, że pomiędzy dwoma pobliskimi atomami W występują efektywne zachodzenia orbitali. Również orbitale 6s przyczyniają się do powstających pasm, ale w mniejszym stopniu. Podczas gdy orbitale 4f znajdują się „głęboko w tle”, a zatem ich udział w wiązaniu metalicznym jest mniejszy.

To, rozmiar atomów i ziaren krystalicznych, są zmiennymi, które określają twardość wolframu i jego gęstość.

Stany utleniania

W metalicznym wolframie lub wolframie atomy W mają zerowy stopień utlenienia (W ⁰ ). Wracając do konfiguracji elektronicznej, orbitale 5d i 6s mogą zostać „opróżnione” z elektronów w zależności od tego, czy W występuje w towarzystwie atomów silnie elektroujemnych, takich jak tlen czy fluor.

Kiedy dwa elektrony 6s zostaną utracone, wolfram ma stopień utlenienia +2 (W ²⁺ ), co powoduje skurcz atomu.

Jeśli straci również wszystkie elektrony na swoich orbitaliach 5d, jego stopień utlenienia wyniesie +6 (W ⁶⁺ ); Stąd nie może stać się bardziej dodatni (w teorii), ponieważ orbitale 4f, będąc wewnętrznymi, wymagałyby wielkich energii, aby usunąć ich elektrony. Innymi słowy, najbardziej dodatni stopień utlenienia to +6, gdzie wolfram jest jeszcze mniejszy.

Ten wolfram (VI) jest bardzo stabilny w środowisku kwaśnym lub w wielu związkach utlenionych lub chlorowcowanych. Inne możliwe i dodatnie stany utlenienia to: +1, +2, +3, +4, +5 i +6.

Wolfram może również pozyskiwać elektrony, jeśli łączy się z atomami mniej elektroujemnymi niż on sam. W tym przypadku jego atomy stają się większe. Może uzyskać maksymalnie cztery elektrony; to znaczy mają stopień utlenienia -4 (W ^4- ).

Otrzymywanie

Wspomniano wcześniej, że wolfram znajduje się w minerałach wolframicie i scheelicie. W zależności od procesu uzyskuje się z nich dwa związki: tlenek wolframu WO ₃ lub parawolframian amonu, (NH ₄ ) ₁₀ (H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ) · 4H ₂ O (lub ATP). Każdy z nich można zredukować do metalicznego W z węglem powyżej 1050 ° C.

Produkcja wlewków wolframu nie jest ekonomicznie opłacalna, ponieważ do ich stopienia potrzebowałyby dużo ciepła (i pieniędzy). Dlatego zaleca się wytwarzanie go w postaci proszku, aby obrobić go od razu innymi metalami w celu uzyskania stopów.

Warto wspomnieć, że Chiny są krajem o największej produkcji wolframu na świecie. A na kontynencie amerykańskim, Kanada, Boliwia i Brazylia również zajmują listę największych producentów tego metalu.

Aplikacje

Pierścionek z węglika wolframu - przykład tego, jak twardość tego metalu można wykorzystać do unieśmiertelniania i utwardzania materiałów. Źródło: SolitaryAngel (SolitaryAngel)

Oto kilka znanych zastosowań tego metalu:

-Jego soli używano do barwienia bawełny ze starych strojów teatralnych.

-W połączeniu ze stalą utwardza ​​ją jeszcze bardziej, będąc w stanie wytrzymać nawet mechaniczne cięcia przy dużych prędkościach.

-Spiekane włókna wolframowe są używane od ponad stu lat w żarówkach elektrycznych i lampach halogenowych. Ponadto, ze względu na wysoką temperaturę topnienia, służył jako materiał do produkcji lamp katodowych i dysz silników rakietowych.

-Zastępuje ołów w produkcji pocisków i osłon radioaktywnych.

- Nanodrutów wolframowych można używać w nanourządzeniach wrażliwych na pH i gaz.

-Katalizatory wolframowe były stosowane przy produkcji siarki w przemyśle naftowym.

-Węglik wolframu jest najpowszechniej stosowanym spośród wszystkich jego związków. Od wzmacniania narzędzi skrawających i wiertniczych, czy produkcji elementów uzbrojenia wojskowego, po obróbkę drewna, tworzyw sztucznych i ceramiki.

Ryzyko i środki ostrożności

Biologiczny

Ponieważ jest to stosunkowo rzadki metal w skorupie ziemskiej, jego negatywne skutki są rzadkie. W glebach kwaśnych poliwolframiany mogą nie wpływać na enzymy wykorzystujące aniony molibdenianowe; ale w glebach zasadowych WO ₄ ^2- ingeruje (pozytywnie lub negatywnie) w procesy metaboliczne MoO ₄ ^2- i miedzi.

Na przykład rośliny mogą wchłaniać rozpuszczalne związki wolframu, a gdy je zjada zwierzę, a następnie po spożyciu mięsa, atomy W dostają się do naszego organizmu. Większość jest wydalana z moczem i kałem, a niewiele wiadomo, co dzieje się z pozostałymi.

Badania na zwierzętach wykazały, że kiedy wdychają duże stężenia sproszkowanego wolframu, wywołują objawy podobne do objawów raka płuc.

Po spożyciu dorosły człowiek musiałby wypić tysiące galonów wody wzbogaconej solami wolframu, aby wykazać znaczące hamowanie enzymów cholinoesterazy i fosfatazy.

Fizyczny

Ogólnie rzecz biorąc, wolfram jest pierwiastkiem nisko toksycznym, dlatego też istnieje niewielkie zagrożenie dla zdrowia w środowisku.

Jeśli chodzi o metaliczny wolfram, unikaj wdychania jego pyłu; a jeśli próbka jest stała, należy pamiętać, że jest bardzo gęsta i może spowodować fizyczne uszkodzenia, jeśli spadnie lub uderzy w inne powierzchnie.

Bibliografia

1. Bell Terence. (sf). Wolfram (Wolfram): właściwości, produkcja, zastosowania i stopy. Saldo. Odzyskane z: thebalance.com
2. Wikipedia. (2019). Wolfram. Odzyskane z: en.wikipedia.org
3. Lenntech BV (2019). Wolfram. Odzyskany z: lenntech.com
4. Jeff Desjardins. (1 maja 2017). Historia wolframu, najsilniejszego naturalnego metalu na Ziemi. Odzyskany z: visualcapitalist.com
5. Doug Stewart. (2019). Fakty dotyczące pierwiastka wolframu. Źródło: chemicool.com
6. Art Fisher i Pam Powell. (sf). Wolfram. University of Nevada. Odzyskany z: unce.unr.edu
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (02 marca 2019). Tungsten lub Wolfram Facts. Odzyskany z: thinkco.com