VOLFRAM: ELŐZMÉNYEK, TULAJDONSÁGOK, SZERKEZET, FELHASZNÁLÁSOK - KÉMIA - 2026

A volfrám, a volfrám vagy a volfrám nehézfémek olyan átmenetek, amelyek kémiai szimbóluma W. A periódusos rendszer 6. csoportjában található és a 74 atomszámmal rendelkezik. A névnek két etimológiai jelentése van: kemény kő és farkas hab; A második azért van, mert ezt a fémet volfrámnak is nevezik.

Ezüstszürke fém, és bár törékeny, nagy keménységű, sűrűségű, magas olvadáspontú és forrásponttal rendelkezik. Ezért azt alkalmazták minden olyan alkalmazásban, amely magas hőmérsékletet, nyomást vagy mechanikai erőket érint, például fúrók, lövedékek vagy sugárzást kibocsátó szálak.

Volfrám rudazat részlegesen oxidált felületével. Forrás: Kémiai elemek nagy felbontású képei

Ennek a fémnek a legismertebb felhasználása kulturális és népszerû szinten az elektromos izzók izzólámpái. Aki kezelte őket, rájön, mennyire törékenyek; ezek azonban nem tiszta volfrámból készülnek, amely temperönthető és elasztikus. Ezenkívül a fémes mátrixokban, például az ötvözetekben, kiváló ellenállást és keménységet biztosít.

Jellemzője és megkülönböztetése, hogy a legmagasabb olvadáspontú fém, és sűrűbb is, mint maga az ólom, amelyet csak más fémek, például az ozmium és az iridium felülmúlnak. Hasonlóképpen, ez a legnehezebb fém, amelyről ismert, hogy valamilyen biológiai szerepet tölt be a testben.

A WO ₄ ² -volframion-anion részt vesz legtöbb ionos vegyületében, amelyek polimerizálódhatnak, és savas közegben klasztereket képeznek. Másrészről a volfrám intermetall vegyületeket képezhet, vagy fémekkel vagy szervetlen sókkal szintereitve lehet, így szilárd anyagok eltérő alakúak vagy következetesek.

A földkéregben nem nagyon bőséges, tonnánként csak 1,5 gramm ilyen fémet tartalmaz. Továbbá, mivel nehéz elem, eredete galaktikus; kifejezetten a szupernóva robbanásokból, amelyeknek a volfrám atomok „fúvókáit” el kellett bocsátani bolygónk felé a kialakulásuk során.

Történelem

Etimológia

A volfrám vagy a wolfram története két arccal rendelkezik, csakúgy, mint a neve: az egyik svájci, a másik a német. Az 1600-as években a jelenleg Németország és Ausztria által elfoglalt régiókban a bányászok réz és ón kinyerésével dolgoztak bronz előállítására.

Addigra a bányászok tüskésnek találták magukat: rendkívül nehéz ásványi anyag olvadt; ásványi anyag, amely wolframitból ((Fe, Mn, Mg) WO _{4) áll}, amely visszatartotta vagy „lefogyasztotta” az ónot, mint egy farkas.

Ezért ennek az elemnek a etimológiája, a „farkas” a spanyol spanyol farkas számára, az a farkas, amely ónból evett; és hab vagy krém „kosa”, amelynek kristályai hosszú fekete szőrre hasonlítottak. Ennélfogva a „wolfram” vagy a „wolfram” név jelent meg az első észrevételek tiszteletére.

1758-ban a svájci oldalon egy hasonló ásvány, a scheelit, a CaWO ₄ elnevezése „tung sten” volt, ami „kemény kő”.

Mindkét nevet, a wolframot és a volfrámot széles körben használják felcserélhetően, kizárólag a kultúrától függően. Például Spanyolországban és Nyugat-Európában ez a fém leginkább volfrám néven ismert; míg az amerikai kontinensen a volfrám név dominál.

Elismerés és felfedezés

Akkor volt ismert, hogy a tizenhetedik és a tizennyolcadik század között két ásvány van: wolframite és scheelite. De ki látta, hogy fém van benne, mint a többi? Csak ásványi anyagként jellemezhetők, és 1779-ben Peter Woulfe ír kémikus gondosan elemezte a volfrámot és következtette a volfrám létezésére.

A svájci oldalon, ismét, Carl Wilhelm Scheele 1781-ben képes volt izolálni volfrám mint WO ₃; és még több, szerzett volfrámsav (vagy a volfrám) sav, H ₂ WO ₄ és más vegyületek.

Ez azonban nem volt elegendő a tiszta fémhez jutáshoz, mivel ezt a savot redukálni kell; vagyis olyan eljárásnak vetik alá, hogy leváljon az oxigéntől és fémként kristályosodjon. Carl Wilhelm Scheele nem rendelkezik a megfelelő kemencékkel vagy módszerekkel erre a kémiai redukciós reakcióra.

Itt indultak el a spanyol d'Elhuyar testvérek, Fausto és Juan José, mindkét ásványi anyagot (wolframite és scheelite) redukálva szénvel, Bergara városában. Közülük ketten megkapják az érdemét és megtiszteltetését, hogy a fém volfrám felfedezői (W).

Acélok és izzók

Bármely izzólámpa izzólámpával. Forrás: Pxhere.

Más fémekhez hasonlóan a felhasználása meghatározza a múltját. A 19. század végén a legszembetűnőbbek voltak az acél-volfrámötvözetek és az elektromos izzókban lévő szénatomot helyettesítő volfrámszálak. Elmondható, hogy az első izzók, amint tudjuk őket, 1903-1904-ben kerültek forgalomba.

Tulajdonságok

Fizikai megjelenés

Csillogó ezüstszürke fém. Törékeny, de nagyon kemény (nem szabad összetéveszteni a keménységgel). Ha a darab nagy tisztaságú, temperönthetõvé és keményé válik, akár több acélból is.

Atomszám

74.

Moláris tömeg

183,85 g / mol.

Olvadáspont

3422 ° C.

Forráspont

5930 ° C

Sűrűség

19,3 g / ml.

A fúziós hő

52,31 kJ / mol.

A párolgás hője

774 kJ / mol.

Moláris hőkapacitás

24,27 kJ / mol.

Moh keménysége

7.5.

elektronegativitás

2.36 a Pauling skálán.

Atomic radio

139 órakor

Elektromos ellenállás

52,8 nΩ · m 20 ° C-on.

Izotóp

A természetben elsősorban öt izotópként fordul elő: ¹⁸² W, ¹⁸³ W, ¹⁸⁴ W, ¹⁸⁶ W és ¹⁸⁰ W. A 183 g / mol móltömeg szerint, amely ezen izotópok (és a többi harminc radioizotóp), mindegyik volfrám vagy volfrám atom körülbelül száz tíz neutront tartalmaz (74 + 110 = 184).

Kémia

Ez egy nagyon korrózióálló fém, mivel vékony WO ₃ rétege védi az oxigén, sav és lúg támadásaitól. Miután feloldottuk és más reagensekkel kicsaptuk, sóikat kapjuk, amelyeket volframátoknak vagy farkasmamatoknak nevezünk; ezekben a volfrám oxidációs állapota általában +6 (feltételezve, hogy W ⁶⁺ kationok vannak).

Savak csoportosulása

Decatungstate, a volfrám-polioximetalátok példája. Forrás: Scifanz

A kémiailag volfrám meglehetősen egyedi, mivel az ionjai hajlamosak összeilleszkedni, hogy heteropolisavak vagy polioxometalátok képződjenek. Kik ők? Ezek atomcsoportok vagy klaszterek, amelyek összekapcsolódnak egy háromdimenziós test meghatározására; Főként egy gömb alakú ketrechez hasonló szerkezetű, amelyben egy másik atomot “körülzárnak”.

Az egész a WO ₄ ^2- volframianiontól kezdődik, amely savas közegben gyorsan protonál (HWO ₄ ^-), és egy szomszédos anionnal kötődik ^2- képződéshez; és ez viszont összekapcsol egy másik ^2--vel, hogy a ^4- származik. Tehát addig, amíg több politikai állomás nincs megoldásban.

Paratungstates A és B, ^6- és H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ^10-, illetve, az egyik legjelentősebb ezek polianionok.

Kihívás lehet a Lewis vázlatának és struktúráinak kidolgozása; de elvileg elegendő, ha a WO ₆ oktaéder készleteként jelenítjük meg őket (felső kép).

Ne feledje, hogy ezek a szürkés oktaéderek végül a decatungstate-t, egy politungstat-ot definiálják; Ha egy heteroatom (például foszfor) benne van, akkor ez polioximetalát lehet.

Felépítés és elektronikus konfiguráció

Kristályos fázisok

A volfrámatomok a testközpontú köbös (bcc) szerkezetű kristályokat határozzák meg. Ezt a kristályos formát az a-fázisnak nevezzük; míg a β fázis szintén köbös, de kissé sűrűbb. Mindkét fázis, vagy a kristályos forma, az α és β, normál körülmények között egyensúlyban létezhet.

Az α fázis kristályos szemcséi izometrikusak, míg a β fázis szemcsék hasonlóak az oszlopokhoz. A kristálytól függetlenül azt a fémkötések szabályozzák, amelyek szorosan összetartják a W-atomokat, egyébként a magas olvadási és forráspont, illetve a volfrám nagy keménysége és sűrűsége nem magyarázható.

Fémes kötés

A volfrám atomokat valahogy szorosan össze kell kötni. A sejtés készítéséhez először meg kell vizsgálni a fém elektronkonfigurációját:

4f ¹⁴ 5d ⁴ 6s ²

Az 5d körüli pályák nagyon nagyok és homályosak, ami azt sugallja, hogy két közeli W atom között hatékony orbitális átfedések vannak. Továbbá, a 6s-os keringővezetékek hozzájárulnak a kapott sávokhoz, de kevésbé. Míg a 4f körüli pályák "mélyen a háttérben" vannak, és ezért a fémkötéshez való hozzájárulásuk kevesebb.

Ez az atomok mérete és a kristályos szemcsék változók, amelyek meghatározzák a volfrám keménységét és sűrűségét.

Oxidációs állapotok

A fém volfrámban vagy a wolframban a W-atomok nulla oxidációs állapotú (W ⁰). Visszatérve az elektronikus konfigurációhoz, az 5d és a 6s körüli orbitálok "kiüríthetők" az elektronoktól függően, hogy a W erősen elektronegatív atomok, például oxigén vagy fluor társaságában van-e.

Amikor a két 6s elektron elveszik, a volfrám +2 oxidációs állapotú (W ²⁺), ami atomjának összehúzódásához vezet.

Ha az összes elektronot elveszíti 5d-es pályáin, akkor az oxidációs állapota +6 (W ⁶⁺) lesz; Innentől nem válhat pozitívabbá (elméletben), mivel a belső 4f-es pályák nagy energiákat igényelnek elektronjaik eltávolításához. Más szavakkal, a legpozitívabb oxidációs állapot +6, ahol a volfrám még kisebb.

Ez a (VI) volfram nagyon stabil savas körülmények között vagy sok oxigénezett vagy halogénezett vegyületben. Egyéb lehetséges és pozitív oxidációs állapotok: +1, +2, +3, +4, +5 és +6.

A volfrám akkor is elektronokat szerezhet, ha kevesebb elektronegatív atomokkal kombinálódik, mint maga. Ebben az esetben atomjai megnőnek. Legfeljebb négy elektronot nyerhet; azaz oxidációs állapota -4 (W ^4-).

beszerzése

Korábban már említettük, hogy a volfrám megtalálható a wolframite és a scheelite ásványokban. Attól függően, hogy a folyamat, két vegyületet a belőlük nyert: volfrám-oxid, WO ₃, vagy ammónium-paravolframát, (NH ₄) ₁₀ (H ₂ W ₁₂ O ₄₂) · 4H ₂ O (vagy ATP). Ezek közül bármelyik redukálható fém W-ként 1050 ° C feletti széntartalommal.

A wolfram rúd előállítása gazdasági szempontból nem jövedelmező, mivel sok hőre (és pénzre) lenne szükségük az olvadáshoz. Ezért előnyös por alakban előállítani, hogy más fémekkel egyszerre kezeljék ötvözetek előállítása céljából.

Érdemes megemlíteni, hogy Kína az az ország, ahol világszerte a legnagyobb volfrámtermelés történik. És az amerikai kontinensen Kanada, Bolívia és Brazília szintén elfoglalja a fém legnagyobb gyártóinak listáját.

Alkalmazások

Volframkarbidból készült gyűrű - példa arra, hogy ennek a fémnek a keménysége hogyan használható az anyagok halhatatlanná tételére és edzésére. Forrás: SolitaryAngel (SolitaryAngel)

Íme néhány a fém ismert felhasználásáról:

- A sókat használták a régi színházi ruhák pamutjainak színezésére.

- Acéllel kombinálva még keményíti, még nagy sebességgel is képes ellenállni a mechanikus vágásoknak.

- A szintereit volfrámszálakat több mint száz éve használják elektromos izzókban és halogénlámpákban. Továbbá, magas olvadáspontja miatt, anyagként szolgált katódsugárcsövekhez és a rakétamotorok fúvókáihoz.

-A pótlások vezetnek a lövedékek és radioaktív pajzsok gyártásához.

-A volfrám-nanocsövek felhasználhatók a pH- és gázérzékeny nanocsövekben.

-A volfrámkatalizátorokat alkalmazták a kéntermeléshez az olajiparban.

-Volfram-karbid a vegyületek közül a legszélesebb körben alkalmazott. A vágó- és fúrószerszámok megerősítésétől vagy a katonai fegyverek darabjainak előállításától kezdve a fa, műanyag és kerámia megmunkálásáig.

Kockázatok és óvintézkedések

Biológiai

Mivel a földkéregben egy viszonylag ritka fém, negatív hatásai ritkák. Savas talajban a poliungstatumok nem befolyásolhatják az enzimeket, amelyek molibdát anionokat használnak; de az alaptalajokban a WO ₄ ² (pozitívan vagy negatívan) beavatkozik a MoO ₄ ^2- és a réz anyagcseréjébe.

Például a növények felszívhatják az oldható volfrámvegyületeket, és amikor egy állat megeszi azokat, majd a hús elfogyasztása után, a W-atomok belépnek a testünkbe. Legtöbbjük kiürül a vizeletbe és a székletbe, és keveset tudunk arról, hogy mi történik a többivel.

Állatkísérletek kimutatták, hogy ha nagy koncentrációban inhalálják a poros volfrámot, a tüdőrákhoz hasonló tünetek alakulnak ki.

Lenyelés révén egy felnőtt embernek több ezer gallonnyi vizet kell inni volfrám-sókkal dúsítva, hogy a kolinészteráz és a foszfatáz enzimek észszerűen gátolhatók legyenek.

Fizikai

Általánosságban elmondható, hogy a volfrám kevésbé mérgező elem, ezért kevés környezeti kockázatot jelent az egészségkárosodás.

A fém volfrám esetében kerülje a por belélegzését; és ha a minta szilárd, akkor szem előtt kell tartani, hogy nagyon sűrű és fizikai károkat okozhat, ha leesik, vagy más felületre sújtja.

Irodalom

1. Bell Terence. (Sf). Volfram (Wolfram): Tulajdonságok, gyártás, alkalmazások és ötvözetek. A mérleg. Helyreállítva: thebalance.com
2. Wikipedia. (2019). Volfrám. Helyreállítva: en.wikipedia.org
3. Lenntech BV (2019). Volfrám. Helyreállítva: lenntech.com
4. Jeff Desjardins. (2017. május 1.) A volfrám, a Föld legerősebb természetes fémének története. Helyreállítva: visualcapitalist.com
5. Doug Stewart. (2019). Tungsten elem tények. Helyreállítva: chemicool.com
6. Art Fisher és Pam Powell. (Sf). Volfrám. Nevada Egyetem. Helyreállítva: nežin.unr.edu
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2019. március 2.). Tungsten vagy Wolfram tények. Helyreállítva: gondolat.com