Лучшие вопросы
Таймлайн
Чат
Перспективы

Вольфрам

химический элемент с порядковым номером 74 Из Википедии, свободной энциклопедии

Вольфрам
Remove ads

Вольфра́м (химический символ — W, от лат. Wolframium) — химический элемент 6-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы шестой группы, VIB) шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 74.

Краткие факты Вольфрам, Внешний вид простого вещества ...
74
Вольфрам
183,84
4f145d46s2

При нормальных условиях вольфрам — твёрдый, тяжёлый блестящий металл[1][6] серебристо-серого цвета. Обладает немного более высокой плотностью, чем металлический уран.

Вольфрам — самый тугоплавкий из металлов. Относится к переходным металлам.

Remove ads

История и происхождение названия

Суммиров вкратце
Перспектива

Название Wolframium перешло на элемент с минерала вольфрамит, известного ещё в XVI в. под названием «волчья пена» — лат. spuma lupi или нем. Wolf Rahm[6][8]. Название было связано с тем, что вольфрам, сопровождая оловянные руды, мешал выплавке олова, переводя его в пену шлаков («пожирал олово, как волк овцу»).

В 1546 году Георгий Агрикола издал работу под названием «De Natura Fossilium», в которой он назвал вольфрамом вещество, которое получил при попытке выплавить олово из оловянной руды.[9]

В английском и французском языках вольфрам называется tungsten (от швед. tung sten — «тяжёлый камень»). В 1781 году знаменитый шведский химик Карл Шееле, обрабатывая азотной кислотой минерал, позднее названный его именем — шеелит, получил жёлтый «тяжёлый камень» (триоксид вольфрама WO3)[10]. Примерно тогда же испанские химики братья Фаусто и Хуан Хосе Элюар сообщили о получении из образца привезённого из Саксонии минерала вольфрамита как растворимой в аммиаке жёлтой окиси нового металла, так и самого металла[11]. При этом один из братьев, Фаусто, бывал в Швеции и общался там с Шееле.

По этой причине, для определения приоритета в получении вольфрама, важную роль играет хронология. Согласно версии, распространённой в частности, в России, Шееле объявил о своём открытии в 1781 году, а братья Элюар — только в 1783, после возвращения Фаусто из Швеции. Согласно же испанской версии, эксперименты братьев Элюар были проведены в 1781 году, в один год с экспериментами Шееле, тогда как личная встреча Карла Шееле и Фаусто де Элюара в шведской Уппсале состоялась двумя годами позже — в 1783 году, и касалась обсуждения уже завершённых исследований обоих, состоявшихся двумя годами ранее. Шееле не оспаривал приоритет братьев по той причине, что им удалось первыми получить непосредственно сам вольфрам. В любом случае, необходимо иметь в виду, что научная переписка между учёными велась задолго до их личной встречи.

Remove ads

Нахождение в природе

Суммиров вкратце
Перспектива

Кларк вольфрама земной коры составляет (по Виноградову) 1,3 г/т (0,00013 % по содержанию в земной коре). Его среднее содержание в горных породах, г/т: ультраосновных — 0,1, основных — 0,7, средних — 1,2, кислых — 1,9.

Вольфрам встречается в природе главным образом в виде окисленных сложных соединений, образованных трёхокисью вольфрама WO3 с оксидами железа и марганца или кальция, а иногда свинца, меди, тория и редкоземельных элементов. Промышленное значение имеют вольфрамит (вольфрамат железа и марганца nFeWO4 · mMnWO4 — соответственно, ферберит и гюбнерит) и шеелит (вольфрамат кальция CaWO4). Вольфрамовые минералы обычно вкраплены в гранитные породы, так что средняя концентрация вольфрама составляет 1—2 %.

Месторождения

Наиболее крупными запасами обладают Казахстан, Китай, Канада и США; известны также месторождения в Боливии, Португалии (копи Борральи[порт.] на севере страны, рудники Панашкейры[порт.] в центре), Галисии (Испания) — Санта-Комба[12], России, Узбекистане и Южной Корее. Мировое производство вольфрама составляет 49—50 тысяч тонн в год, в том числе в Китае 41, России 3,5; Казахстане 0,7, Австрии 0,5. Основные экспортёры вольфрама: Китай, Южная Корея, Австрия. Главные импортёры: США, Япония, Германия, Великобритания.

Remove ads

Физические свойства

Суммиров вкратце
Перспектива

Полная электронная конфигурация атома вольфрама: 1s2 2s22p6 3s23p6 4s23d104p6 5s24d105p64f145d4 6s2.

Вольфрам — блестящий светло-серый металл, имеющий самые высокие доказанные температуры плавления и кипения. Температура плавления — 3695 K (3422 °C), кипит при 5828 K (5555 °C)[3]. Плотность чистого вольфрама при нормальных условиях составляет 19,25 г/см³[3], жидкого вольфрама при температуре плавления — 16,65 г/см³[6]. Обладает парамагнитными свойствами (магнитная восприимчивость 0,32⋅10−9). Удельное электрическое сопротивление при 25 °C — 55⋅10−9 Ом·м, при 2700 °C — 904⋅10−9 Ом·м; температурный коэффициент сопротивления 5,0·10−3 К−1 (0—200 °C)[6]. Скорость звука в отожжённом вольфраме 4290 м/с. Имеет сравнительно небольшой для металлов температурный коэффициент линейного расширения 4,1·10−6 К−1 (298 К), 6,5·10−6 К−1 (2273 К), 7,1·10−6 К−1 (2673 К)[6]. Теплопроводность 153 Вт/(м·К) при 298 К, 105 Вт/(м·К) при 1873 К[6]. Температуропроводность 3,17·103 м2/с при 1873 К, 2,3·103 м2/с при 2873 К[6]. Ценное свойство вольфрама - высокая величина термоэлектронной эмиссии, равная 1,5·10-10 мА/см2 при 830 °C, 2,3·10-1 при 1630 °C, 1,0 при 1730 °C, и 298 при 2230 °C[13]. Характеризуется низкой упругостью пара при высоких температурах: 1,93·10-15 мм.рт.ст. при 1530 °C, 6,55·10-5 при 2730 °C, 0,76 при 3940 °C, 380 при 5650 °C [13].

Вольфрам является одним из наиболее тяжёлых, твёрдых и самых тугоплавких металлов[6]. В чистом виде представляет собой металл серебристо-белого цвета, похожий на платину, при температуре около 1600 °C хорошо поддаётся ковке и может быть вытянут в тонкую нить. Механические свойства зависят от способа предшествующей обработки: твёрдость по Бринеллю для спечённого образца составляет 200—250 кг/мм², после ковки — 350—400 кг/мм²[13], может доходить до 488 кг/мм². Твёрдость по Моосу составляет 7,5 и является вторым после хрома (твёрдость по Моосу 8,5) по твёрдости среди чистых металлов.

Коэффициент сжимаемости наименьший среди всех металлов (соответственно, объёмный модуль упругости наибольший среди металлов)[6]. Модуль упругости проволоки 35000—38000 кг/мм2, однокристалльной нити — 39000—41000 кг/мм2 [13]. Предел текучести для отожжёной проволоки диаметром 0,1—0,5 мм составляет 71,4-82,6 кг/мм2, для аналогичной неотожжёной — 149,1 кг/мм2 [13].

Вольфрам при нормальных условиях существует в двух кристаллических модификациях. Устойчивая модификация (α-вольфрам) образует кристаллы кубической сингонии (объёмно-центрированная решётка), пространственная группа Im3m, параметры ячейки a = 0,31589 нм, Z = 2[6]. Метастабильная модификация (β-вольфрам) — кристаллы кубической сингонии, пространственная группа Pm3n, параметры ячейки a = 0,5036 нм, Z = 8, d = 19,0 г/см3 (структура типа силицида трихрома Cr3Si, известная также как фаза A15[англ.]). Метастабильная модификация образуется при восстановлении триоксида вольфрама водородом при температурах от 440 до 520 °C[14], а также при электролизе расплава вольфраматов[15], преобразуется в альфа-W при нагреве выше 520 °C[14][6]. Хотя впервые β-фаза вольфрама получена ещё в 1931 году, многие авторы считали, что в действительности это субоксид вольфрама с формулой W14…20O или фаза, стабилизированная примесью кислорода; встречается также предположение, что эта фаза может быть описана как ионное соединение W3W, «вольфрамид вольфрама», с атомами вольфрама в разных степенях окисления. Лишь в 1998 году было показано, что β-вольфрам существует и при отсутствии примеси кислорода[15].

Некоторые физические характеристики α-вольфрама и β-вольфрама существенно отличаются. Температура перехода в сверхпроводящее состояние α-вольфрама равна 0,0160 К[6], у бета-фазы эта температура составляет от 1 до 4 К; смесь фаз может становиться сверхпроводящей при промежуточных температурах, в зависимости от относительного содержания фаз[16]. Удельное сопротивление β-вольфрама втрое выше, чем α-вольфрама[17]

Remove ads

Химические свойства

Суммиров вкратце
Перспектива

Проявляет валентность от 2 до 6. Наиболее устойчив 6-валентный вольфрам. 3- и 2-валентные соединения вольфрама неустойчивы и практического значения не имеют.

Вольфрам имеет высокую коррозионную стойкость: при комнатной температуре не изменяется на воздухе; при температуре красного каления медленно окисляется в оксид вольфрама(VI); при повышенной температуре реагирует с углеродом и другими элементами. Со фтором взаимодействует при комнатной температуре, с другими галогенами - при нагревании[13].

Восстановленный тонкодисперсный порошок вольфрама пирофорен[14]. Вольфрам в ряду напряжений стоит сразу после водорода, и в соляной, разбавленной серной и плавиковой кислотах почти нерастворим. В азотной кислоте и царской водке окисляется с поверхности. Растворяется в перекиси водорода.

Легко растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот[18]:

Реагирует с расплавленными щелочами в присутствии окислителей[18]:

Поначалу данные реакции идут медленно, однако при достижении 400 °C (500 °C для реакции с участием кислорода) вольфрам начинает саморазогреваться, и реакция протекает достаточно бурно, с образованием большого количества тепла.

Другие кислоты и растворы щелочей на холоду в отсутствие окислителей на вольфрам практически не действуют[13].

Растворяется в смеси азотной и плавиковой кислоты, образуя гексафторвольфрамовую кислоту H2[WF6]. Из соединений вольфрама наибольшее значение имеют: триоксид вольфрама WO3 или вольфрамовый ангидрид, вольфрамовая кислота H2WO4, её соли — вольфраматы, перекисные соединения с общей формулой Me2WOX, а также соединения с галогенами, серой и углеродом. Вольфраматы склонны к образованию полимерных анионов (поливольфраматов) по аналогии с полимолибдатами, полиоксотехнетатами и полиоксоренатами, а также гетерополисоединений с включением других переходных металлов и неметаллических элементов (фосфор и др.).

Remove ads

Получение

Thumb
Вольфрамовый порошок

Процесс получения вольфрама проходит через подстадию выделения триоксида WO3 из рудных концентратов и последующем восстановлении до металлического порошка водородом при температуре ок. 700 °C. Из-за высокой температуры плавления вольфрама для получения компактной формы используются методы порошковой металлургии: полученный порошок прессуют, спекают в атмосфере водорода при температуре 1200—1300 °C, затем пропускают через него электрический ток. Металл нагревается до 3000 °C, при этом происходит спекание в монолитный материал. Для последующей очистки и получения монокристаллической формы используется зонная плавка[19].

Remove ads

Применение

Суммиров вкратце
Перспектива

Главное применение вольфрама — компонент качественных сталей, тугоплавких и твердых сплавов[20], на эти цели в 1960 году использовалось до 95% добываемого вольфрама[13].

История

До середины XIX века вольфрам применялся только в виде соединений, например в качестве красителей[20]. В металлическом состоянии вольфрам был впервые получен братьями Элюар в Испании в 1783 году[21].

В 1857 году английский инженер Оксленд получает патент на метод получения железо-вольфрамовых сплавов добавлением металлического вольфрама в расплав чугуна[21]. В 1860 году нагревом чугуна с вольфрамовой кислотой был получен сплав железа с вольфрамом[22]. В 1868 году Роберт Мюшет[англ.] предлагает применять вольфрамовую сталь для изготовления металлорежущего инструмента (т. н. самокал Мюшета[англ.]). Во второй половине XIX века вольфрам начинают добавлять в сталь для увеличения износостойкости.

В 1890-х годах мировая добыча вольфрамовой руды составляла 200—300 тонн, в 1910 году 8 тысяч тонн, в 1918 году 35 тысяч тонн[22].

Металлический вольфрам

Thumb
Нить накаливания
  • Тугоплавкость вольфрама делает его незаменимым для нитей накаливания и катодов в осветительных приборах, а также в кинескопах и других электровакуумных приборах; в них же используется как вводной проводник благодаря близости коэффициента теплового расширения к таковому у некоторых сортов стекла.
  • Благодаря высокой плотности вольфрам является основой тяжёлых сплавов, которые используются для противовесов, бронебойных сердечников подкалиберных и стреловидных оперённых снарядов артиллерийских орудий, сердечников бронебойных пуль и сверхскоростных роторов гироскопов для стабилизации полёта баллистических ракет (до 180 тыс. об/мин).
  • Вольфрам используют в качестве электродов для многих видов сварки, например аргонно-дуговой и водородной сварки.
  • Сплавы вольфрама, ввиду его высокой температуры плавления, получают методом порошковой металлургии. Сплавы, содержащие вольфрам, отличаются жаропрочностью, кислотостойкостью, твёрдостью и устойчивостью к истиранию. Из них изготовляют хирургические инструменты (сплав «амалой»), танковую броню, оболочки торпед и снарядов, наиболее важные детали самолётов и двигателей, контейнеры для хранения радиоактивных веществ. Вольфрам — важный компонент лучших марок инструментальных сталей.
  • Вольфрам применяется в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления в качестве нагревательных элементов. Сплав вольфрама и рения применяется в таких печах в качестве термопары.
  • Высокая плотность вольфрама делает его удобным для защиты от ионизирующего излучения. Несмотря на бо́льшую плотность по сравнению с традиционным и более дешёвым свинцом, защита из вольфрама оказывается менее тяжёлой при равных защитных свойствах[23] или более эффективной при равном весе[24]. Из-за тугоплавкости и твёрдости вольфрама, затрудняющих его обработку, в таких случаях используются более пластичные сплавы вольфрама с добавлением никеля, железа, меди и др.[25] либо взвесь порошкообразного вольфрама (или его соединений) в полимерной основе[26].

Соединения вольфрама

Другие сферы применения

Искусственный радионуклид 185W используется в качестве радиоактивной метки при исследованиях вещества. Стабильный 184W используется как компонент сплавов с ураном-235, применяемых в твердофазных ядерных ракетных двигателях, поскольку это единственный из распространённых изотопов вольфрама, имеющий низкое сечение захвата тепловых нейтронов (около 2 барн).

Рынок вольфрама

Цены на металлический вольфрам (содержание элемента порядка 99 %) на конец 2010 года составляли около 40—42 долларов США за килограмм, в мае 2011 года составляли около 53—55 долларов США за килограмм. Полуфабрикаты от 58 USD (прутки) до 168 (тонкая полоса). В 2014 году цены на вольфрам колебались в диапазоне от 55 до 57 USD[28].

Remove ads

Биологическая роль

Вольфрам не играет значительной биологической роли. У некоторых архебактерий и бактерий имеются ферменты, включающие вольфрам в своём активном центре. Существуют облигатно-зависимые от вольфрама формы архебактерий-гипертермофилов, обитающие вокруг глубоководных гидротермальных источников. Присутствие вольфрама в составе ферментов может рассматриваться как физиологический реликт раннего архея — существуют предположения, что вольфрам играл роль в ранних этапах возникновения жизни[29].

Пыль вольфрама, как и большинство других видов металлической пыли, раздражает органы дыхания.

Remove ads

Изотопы

Известны изотопы вольфрама с массовыми числами от 158 до 192 (количество протонов 74, нейтронов от 84 до 118), и более 10 ядерных изомеров[30].

Природный вольфрам состоит из смеси пяти изотопов (180W — 0,12(1)%, 182W — 26,50(16) %, 183W — 14,31(4) %, 184W — 30,64(2) % и 186W — 28,43(19) %)[30]. В 2003 открыта[31] чрезвычайно слабая радиоактивность природного вольфрама (примерно два распада на грамм элемента в год), обусловленная α-активностью 180W, имеющего период полураспада 1,8⋅1018 лет[32].

Remove ads

Примечания

Литература

Ссылки

Loading related searches...

Wikiwand - on

Seamless Wikipedia browsing. On steroids.

Remove ads