ВОЛФРАМ: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПРИЛОЖЕНИЯ - ХИМИЯ - 2025

Тежкият метал от волфрам, волфрам или волфрам е преход, чийто химичен символ е W. Разположен в периода 6 група 6 на периодичната таблица и атомен номер 74. Името му има две етимологични значения: твърд камък и вълна пяна; Второто е, защото този метал е известен още като волфрам.

Това е сребристо-сив метал и макар да е крехък, той има голяма твърдост, плътност и високи температури на топене и кипене. Следователно, той се използва във всички онези приложения, които включват високи температури, налягане или механични сили, като тренировки, снаряди или нишки, излъчващи лъчение.

Волфрамова пръчка с нейната частично окислена повърхност. Източник: Hi-Res изображения на химически елементи

Най-известната употреба на този метал на културно и популярно ниво е в нишките на електрическите крушки. Който се е справил с тях, ще осъзнае колко крехки са; те обаче не са изработени от чист волфрам, който е ковък и пластичен. В допълнение, в метални матрици като сплави, той осигурява отлична устойчивост и твърдост.

Характеризира се и се отличава с това, че металът е с най-висока точка на топене, а също така е по-плътен от самото олово, надминат само от други метали като осмий и иридий. По същия начин това е най-тежкият метал, който знае, че изпълнява някаква биологична роля в организма.

Анионът на волфрама WO ₄ ^2- участва в повечето от своите йонни съединения, които могат да се полимеризират, образувайки струпвания в кисела среда. От друга страна, волфрамът може да образува интерметални съединения или да бъде спечен с метали или неорганични соли, така че неговите твърди частици да придобият различни форми или консистенции.

Не е много обилна в земната кора, като само 1,5 грама от този метал на тон. Освен това, тъй като е тежък елемент, неговият произход е междугалактически; по-специално от експлозии на свръхнови, които трябва да са хвърлили „струи” от волфрамови атоми към нашата планета по време на нейното формиране.

история

етимология

Историята на волфрам или волфрам има две лица точно като имената им: едното швейцарско, а другото немско. През 1600-те години в региони, заети понастоящем от Германия и Австрия, миньорите са работили за добиване на мед и калай за получаване на бронзи.

Дотогава миньорите се озоваха с трън в процеса: имаше изключително труден минерал за топене; минерал, състоящ се от волфрамит, (Fe, Mn, Mg) WO ₄, който задържа или "изяжда" калай, сякаш е вълк.

Оттук и етимологията на този елемент, „вълк“ за вълк на испански, вълк, който яде калай; и „овен“ от пяна или сметана, чиито кристали наподобяват дълга черна козина. По този начин името "wolfram" или "wolfram" възникна в чест на тези първи наблюдения.

През 1758 г. от швейцарска страна подобен минерал, шеелит, CaWO ₄, е наречен „tung sten“, което означава „твърд камък“.

И двете имена, волфрам и волфрам, се използват широко взаимозаменяемо, в зависимост единствено от културата. В Испания например и в Западна Европа този метал е най-известен като волфрам; докато на американския континент името волфрам преобладава.

Разпознаване и откриване

Тогава се знаеше, че между XVII и XVIII век има два минерала: волфрамит и шеелит. Но, кой видя, че в тях има метал, различен от останалите? Те можеха да се характеризират само като минерали и именно през 1779 г. ирландският химик Питър Вулф внимателно анализира волфрама и извежда съществуването на волфрам.

От страна на Швейцария отново Карл Вилхелм Шеле през 1781 г. е в състояние да изолира волфрам като WO ₃; и дори повече, той е получил волфрамова (или волфрамова) киселина, H ₂ WO ₄ и други съединения.

Това обаче не беше достатъчно, за да стигнем до чистия метал, тъй като беше необходимо да се намали тази киселина; тоест, подлагайки го на такъв процес, че той се отделя от кислорода и кристализира като метал. Карл Вилхелм Шеле нямаше подходящи пещи или методология за тази химическа редукционна реакция.

Именно тук влизат в действие испанските братя д'Елхуяр, Фаусто и Хуан Хосе, които намаляват и минералите (волфрамит и шеелит) с въглища, в град Бергара. Двамата получават заслугата и честта да бъдат откриватели на метален волфрам (W).

Стомани и крушки

Всяка крушка с волфрамова нишка. Източник: Pxhere.

Подобно на други метали, неговите употреби определят неговата история. Сред най-известните в края на 19 век са стомано-волфрамовите сплави и волфрамовите нишки, които да заменят въглеродните в електрическите крушки. Може да се каже, че първите крушки, както ги познаваме, са пуснати на пазара през 1903-1904 г.

Имоти

Външен вид

Това е лъскав сребристо-сив метал. Крехка, но много твърда (да не се бърка с здравината). Ако парчето е с висока чистота, то става ковко и твърдо, колкото повече, така и повече от няколко стомани.

Атомно число

74.

Моларна маса

183,85 g / mol.

Точка на топене

3422 ° С.

Точка на кипене

5930 ° С.

плътност

19.3 g / mL.

Топлина от синтез

52,31 kJ / mol.

Топлина от изпаряване

774 kJ / mol.

Моларен топлинен капацитет

24,27 kJ / mol.

Твърдостта на Мох

7.5.

Електроотрицателност

2,36 по скалата на Полинг.

Атомно радио

139 вечерта

Електрическо съпротивление

52,8 nΩ · m при 20 ° C.

Изотопи

Той се среща предимно в природата като пет изотопа: ¹⁸² W, ¹⁸³ W, ¹⁸⁴ W, ¹⁸⁶ W и ¹⁸⁰ W. Според моларната маса от 183 g / mol, която усреднява атомните маси на тези изотопи (и другите тридесет радиоизотопа), всеки волфрамов или волфрамов атом има около сто и десет неутрона (74 + 110 = 184).

Химия

Това е метал с висока устойчивост на корозия, тъй като тънкият му слой от WO ₃ го предпазва от атака на кислород, киселина и основи. След разтваряне и утаяване с други реагенти се получават солите му, които се наричат ​​волфрамати или волфрамати; в тях волфрамът обикновено има окислително състояние +6 (при условие, че има W ⁶⁺ катиони).

Киселинни групи

Декатунгстат, пример за волфрамови полиоксаметалати. Източник: Scifanz

Химически волфрамът е доста уникален, тъй като неговите йони са склонни да се групират, образувайки хетерополиациди или полиоксометалати. Какво са те? Те са групи или групи от атоми, които се събират, за да определят триизмерно тяло; Най-вече една със сферична структура, наподобяваща клетка, в която „заграждат“ друг атом.

Всичко започва от волфрамен анион, WO ₄ ^2-, който в кисела среда бързо протонира (HWO ₄ ^-) и се свързва със съседния анион, за да образува ^2-; и това от своя страна се свързва с друго ^{2-, за} да произведе ^4-. И така, докато има няколко политунстата в разтвор.

Паратунстатите A и B, ^6- и H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ^10-, съответно, са едни от най-известните от тези полианиони.

Може да се окаже предизвикателство да представите вашата скица и структури на Люис; но по принцип е достатъчно да ги визуализираме като набори от WO ₆ октаедра (горно изображение).

Обърнете внимание, че тези сивкави октаедри в крайна сметка определят декатунгстата, политунгстат; Ако хетероатом (например фосфор), съдържащ се в него, той би бил полиоксометалат.

Структура и електронна конфигурация

Кристални фази

Волфрамовите атоми определят кристал с кубична (bcc) структура, центрирана към тялото. Тази кристална форма е известна като α фаза; докато β фазата също е кубична, но малко по-плътна. И двете фази или кристални форми, α и β, могат да съществуват в равновесие при нормални условия.

Кристалните зърна на α фазата са изометрични, докато тези от β фаза приличат на колони. Независимо от кристала, той се управлява от металните връзки, които държат плътно заедно атомите W. В противен случай високите точки на топене и кипене или високата твърдост и плътност на волфрам не биха могли да бъдат обяснени.

Метална връзка

Волфрамовите атоми трябва да бъдат плътно свързани. За да се предположи, първо трябва да се спазва електронната конфигурация на този метал:

4f ¹⁴ 5d ⁴ 6s ²

5d орбиталите са много големи и размити, което би означавало, че между два близки W атома има ефективни орбитални припокривания. Също така, орбиталите на 6s допринасят за получените ленти, но в по-малка степен. Докато орбиталите 4f са "дълбоко на заден план" и следователно техният принос към металната връзка е по-малък.

Това, размерът на атомите и кристалните зърна, са променливите, които определят твърдостта на волфрама и неговата плътност.

Окислителни състояния

В металния волфрам или волфрам W атомите имат нулево окислително състояние (W ⁰). Връщайки се към електронната конфигурация, орбиталите 5d и 6s могат да бъдат "изпразнени" от електрони в зависимост от това дали W е в компанията на силно електроотрицателни атоми, като кислород или флуор.

Когато двата електрона на 6s се загубят, волфрамът има състояние на окисляване +2 (W ²⁺), което причинява свиването на атома му.

Ако също загуби всички електрони в своите 5d орбитали, окислителното му състояние ще стане +6 (W ⁶⁺); Оттук не може да стане по-положително (на теория), тъй като орбиталите 4f, бидейки вътрешни, ще изискват големи енергии, за да отстранят електроните си. С други думи, най-положителното окислително състояние е +6, където волфрамът е още по-малък.

Този волфрам (VI) е много стабилен при киселинни условия или в много кислородни или халогенирани съединения. Други възможни и положителни окислителни състояния са: +1, +2, +3, +4, +5 и +6.

Волфрамът също може да спечели електрони, ако се комбинира с атоми, по-малко електроотрицателни от себе си. В този случай неговите атоми стават по-големи. Той може да спечели максимум четири електрона; тоест, има окислително състояние от -4 (W ^4-).

Получаване

По-рано беше споменато, че волфрамът се намира в минералите волфрамит и шеелит. В зависимост от процеса, от тях се получават две съединения: волфрамов оксид, WO ₃ или амониев паратунгстат, (NH ₄) ₁₀ (H ₂ W ₁₂ O ₄₂) · 4H ₂ O (или АТФ). Всеки от тях може да бъде намален до метален W с въглерод над 1050 ° C.

Не е икономически изгодно да се произвеждат волфрамови слитъци, тъй като те ще се нуждаят от много топлина (и пари), за да ги стопят. Ето защо е за предпочитане да се произвежда в прахообразна форма, за да се обработва наведнъж с други метали, за да се получат сплави.

Заслужава да се спомене, че Китай е страната с най-голямо производство на волфрам в световен мащаб. А в американския континент, Канада, Боливия и Бразилия също заемат списъка с най-големите производители на този метал.

Приложения

Пръстен, изработен от волфрамов карбид - пример за това как твърдостта на този метал може да се използва за обезсмъртяване и втвърдяване на материали. Източник: SolitaryAngel (SolitaryAngel)

Ето някои от известните приложения за този метал:

- Солите му са използвани за оцветяване на памучни дрехи от стари дрехи на театрите.

-Съчетан със стомана, той го втвърдява още повече, като е в състояние дори да устои на механични порязвания при високи скорости.

-Синтерираните волфрамови нишки се използват повече от сто години в електрически крушки и халогенни лампи. Освен това, поради високата си точка на топене, той служи като материал за катодни тръби и за дюзите на ракетните двигатели.

-Замества олово при производството на снаряди и радиоактивни екрани.

-Нагъвачите на волфрама могат да се използват в pH и газочувствителни наноустройства.

-Тунфратовите катализатори се използват за справяне с производството на сяра в нефтената промишленост.

-Тунстен карбидът е най-широко използваният от всичките му съединения. От укрепването на инструментите за рязане и пробиване или производството на парчета военно въоръжение, до обработката на дърво, пластмаса и керамика.

Рискове и предпазни мерки

биологичен

Като сравнително рядък метал в земната кора, отрицателните му ефекти са оскъдни. В кисели почви полиунгстатите може да не повлияят на ензимите, които използват молибдатни аниони; но в основни почви WO ₄ ^2- се намесва (положително или отрицателно) в метаболитните процеси на MoO ₄ ^2- и мед.

Растенията, например, могат да абсорбират разтворими волфрамови съединения и когато животно ги изяде и след като консумира месото си, W атоми навлизат в телата ни. Повечето се изгонват с урината и изпражненията и малко се знае какво се случва с останалите.

Проучванията върху животни показват, че когато вдишват високи концентрации на прах от волфрам, те развиват симптоми, подобни на тези на рак на белия дроб.

При поглъщане възрастният човек трябва да изпие хиляди галони вода, обогатена с волфрамова соли, за да покаже значително инхибиране на ензимите холинестераза и фосфатаза.

физически

Най-общо, волфрамът е ниско токсичен елемент и следователно има малко рискове за околната среда от увреждане на здравето.

Относно металния волфрам, избягвайте да дишате праха му; и ако пробата е твърда, трябва да се има предвид, че тя е много гъста и че може да причини физически щети, ако бъде изпусната или удари други повърхности.

Препратки

1. Бел Теренс. (SF). Волфрам (Wolfram): Свойства, производство, приложения и сплави. Балансът. Възстановени от: thebalance.com
2. Wikipedia. (2019). Волфрам. Възстановено от: en.wikipedia.org
3. Lenntech BV (2019). Волфрам. Възстановена от: lenntech.com
4. Джеф Дешардинс. (1 май 2017 г.). Историята на волфрама, най-силният естествен метал на Земята. Възстановена от: visualcapitalist.com
5. Дъг Стюарт. (2019). Факти на волфрамовия елемент. Възстановено от: chemicool.com
6. Арт Фишър и Пам Пауъл. (SF). Волфрам. Университет на Невада. Възстановено от: unce.unr.edu
7. Хелменстин, д-р Ан Мари. (02 март 2019 г.). Факти с волфрам или Волфрам. Възстановено от: thinkco.com