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鎢   74W
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氦(惰性氣體)
鋰(鹼金屬)
鈹(鹼土金屬)
硼(類金屬)
碳(非金屬)
氮(非金屬)
氧(非金屬)
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鐽(預測為過渡金屬)
錀(預測為過渡金屬)
鎶(過渡金屬)
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鈇(貧金屬)
鏌(預測為貧金屬)
鉝(預測為貧金屬)
鿬(預測為鹵素)
鿫(預測為惰性氣體)




𨭎
外觀
灰白色,有光澤
概況
名稱·符號·序數 鎢(Tungsten)·W·74
元素類別 過渡金屬
·週期· 6 ·6·d
標準原子質量 183.84
電子排布

[Xe] 4f14 5d4 6s2[1]
2, 8, 18, 32, 12, 2

歷史
發現 托爾貝恩·伯格曼(1781年)
分離 Juan José Elhuyar和Fausto Elhuyar(1783年)
物理性質
物態 固體
密度 (接近室溫
19.25 g·cm−3
熔點時液體密度 17.6 g·cm−3
熔點 3695 K,3415 °C,6192 °F
沸點 5933 K,5660 °C,10220 °F
熔化熱 35.3 kJ·mol−1
汽化熱 806.7 kJ·mol−1
比熱容 24.27 J·mol−1·K−1

蒸氣壓

壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 3477 3773 4137 4579 5127 5823
原子性質
氧化態 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0, −1, −2
(微酸性氧化物)
電負性 2.36(鮑林標度)
電離能

第一:770 kJ·mol−1

第二:1700 kJ·mol−1
原子半徑 139 pm
共價半徑 162±7 pm
雜項
晶體結構 體心立方
磁序 順磁性[2]
電阻率 (20 °C)52.8 n Ω·m
熱導率 173 W·m−1·K−1
膨脹系數 (25 °C)4.5 µm·m−1·K−1
楊氏模量 411 GPa
剪切模量 161 GPa
體積模量 310 GPa
泊松比 0.28
莫氏硬度 7.5
維氏硬度 3430 MPa
布氏硬度 2570 MPa
CAS號7440-33-7
最穩定同位素

主條目:鎢的同位素

同位素 豐度 半衰期 (t1/2) 衰變
方式 能量MeV 產物
180W 0.12% 1.8×1018 α 2.516 176Hf
181W 人造 121.2天 ε 0.188 181Ta
182W 26.50% >1.7×1020 α 1.772 178Hf
183W 14.31% >8×1019 α 1.680 179Hf
184W 30.64% >1.8×1020 α 1.123 180Hf
185W 人造 75.1天 β 0.433 185Re
186W 28.43% >4.1×1018 α 1.656 182Hf
ββ - 186Os

(IUPAC名:tungsten[3] ),化學符號:W(德語:Wolfram [4][5]),是化學元素原子序數是74,是非常硬、鋼灰色至白色的過渡金屬。元素名字Tungsten是來自瑞典古文的白鎢礦,tung sten,意旨重石[6]。鎢是卑金屬,在自然界大多與其他元素化合物的形態存在,而不是單獨存在。鎢在西元1781年被發現且命名,在1783年第一次成功分離出鎢。黑鎢礦以及白鎢礦是鎢的重要礦石。 鎢元素的穩定性是非常出色的,在所有元素中擁有最高的熔點3422 °C(6192 °F, 3695 K)以及最高的沸點5930 °C (10706 °F, 6203 K)[7]密度為19.25 g·cm−3,與密度相當,比密度還高1.7倍[8]。多晶鎢本身堅硬易脆[9][10](在標準條件下,未與其他物質結合時),難以進行加工使用。然而,若是純單晶鎢,則具有延展性,可使用鋼鋸切割[11]

鎢合金有許多的應用,包含燈泡燈絲X射線管鎢極氣體保護電弧焊超合金和輻射防護屏蔽。鎢的高硬度和高密度的特性,可用於軍事用途上,如穿甲彈。鎢化合物也經常在工業上作為催化劑使用。 鎢是第三過渡族中唯一一個其存在於一些少數細菌與古細菌中的金屬。是任何生物體內不可或缺元素中最重的一個元素[12]。然而,鎢會干擾代謝[13][14],對於一般常看到的生物體是具有一些毒性的。

字源

瑞典化學家最早由白鎢礦中分離出鎢酸,因此根據白鎢礦這種礦石的瑞典古名,將這種元素以瑞典語tungsten(這個字可被分解為tung sten,字面意義為重石)命名。在英文法文等語言中,都使用這個名稱(除了北歐五國)。但因為tungsten在瑞典文中也是白鎢礦的名稱,為了避免混淆,瑞典採用volfram作為元素的名稱。

在歐洲其他國家,主要以德文及各斯拉夫語為代表,則使用德語:wolframvolfram,在北歐五國也使用這個名稱。這個名稱來自黑鎢礦(Wolframite)這個礦石的名字[15]。符號「W」及中文「鎢」的來源都來自德文Wolfram

黑鎢礦(Wolframite)的名字來自德文 "wolf rahm" ("wolf soot"狼煤煙 或 "wolf cream"狼奶油),於1747年由約翰‧嘎爾修特‧瓦萊裏烏斯英語Johan Gottschalk Wallerius給定。這來自於拉丁文 "lupi spuma",為格奧爾格·阿格里科拉在1546年對這個元素的稱呼,英文翻譯為「狼的白沫」,指的是這個礦物在萃取的過程消耗大量的

主要特徵

物理性質

純鎢是鋼灰色至錫白色的堅硬金屬,通常很而不易金屬加工,非常純的鎢可以維持它的硬度(高於許多其他金屬),且具有延展性,易於加工。鎢的加工方法有鍛造、拉伸和衝擊。鎢常常以燒結的方法製成。

在所有純金屬中,鎢的熔點最高(3415℃,6192 °F)蒸汽壓最低,(溫度1650℃,3000 °F以上),強度最高[16]。雖然碳相較於鎢能在較高的溫度下維持固態,但是碳在氣壓下容易昇華而非熔化,因此,它不具有熔點。鎢擁有最低的熱膨脹系數。它的低熱膨脹系數、高熔點,以及高抗張強度,都源自於鎢原子間的強共價鍵。少量的鎢與鋼合金,能夠大大提升它的硬度

鎢以兩種晶體慣態結構存在:α和β。前者以立方體心堆積,是較穩定的組成。後者則是亞穩定英語metastability的A15 立方體堆積,但因為非平衡合成或雜質造成的穩定性,可以與周圍條件下的α相共存。相較於α相擁有等長的晶粒,β相展現圓柱狀的晶性。α相的電阻率只有β相的三分之一,且具有遠低於β相的超導轉移溫度(臨界點TC):ca. 0.015 K vs. 1–4 K;混合兩者可以得到中間值得臨界溫度TC。以其他金屬與鎢合金也可以提高它的臨界溫度TC,此類鎢合金可以用於低溫超導電路。

同位素

天然鎢由四種穩定同位素182W、183W、184W 以及 186W)以及一種長壽命的放射性同位素180W)組成 [180W的半衰期非常長,可以看作是穩定同位素]。理論上,這五種同位素都能夠藉由α衰變成元素72(鉿),但只有180W觀測到此種現象(半衰期:(1.8±0.2)×1018年)。平均來說,每年每克的180W進行兩次α衰變[17],其他同位素尚未被觀察到天然衰變,因此它們的半衰期至少4 × 1021年。

目前有另外30種鎢的人造放射性同位素被確立,其中最穩定是半衰期121.2天的181W、75.1天的185W、69.4天的188W、21.6天的178W以及23.72小時的187W[17]。剩下所有的放射性同位素,半衰期都不超過三小時,其中大部份的更少於八分鐘[17]。鎢也有11種變異,最穩定的是179mW(t1/2 6.4 分鐘)。

化學性質

鎢元素可以阻隔鹼金屬的腐蝕。

鎢最常見的氧化態是+6價,但它也有-2至+6之間的氧化狀態。最常見的氧化物是黃色的三氧化鎢, WO3,它可以在鹼性的水中溶化形成WO2−
4
與粉狀鎢加熱可以製成鎢的碳化物(W2C 和 WC),W2C通常不易發生化學反應,但容易和氯產生六氯化鎢(WCl6)。

在中性或酸性水溶液中,鎢可以形成異性聚合酸以及多原子離子酸,隨着鎢酸鹽與酸作用,先形成可溶的亞穩定」仲鎢酸A」陰離子W
7
O6–
24
,接着轉變成溶解度較低的」仲鎢酸B「陰離子 H
2
W
12
O10–
42
[18],最後穩定態達成,更酸化成易溶的的偏鎢酸根陰離子H
2
W
12
O6–
40
。偏鎢酸根離子以對稱的十二鎢酸八面體存在(Keggin structure英語Keggin structure)。許多其他的多原子離子酸以亞穩定種類存在,包括以取代偏鎢酸根中心的兩個氫原子,製成多變的異性聚合酸,例如磷鎢酸。

三氧化鎢可以與鹼金屬形成嵌入intercalation英語嵌入化合物,被稱作青銅,例如鈉鎢青銅英語Sodium tungsten bronze

應用

鎢的應用非常廣泛,最常見的是碳化鎢(WC)硬質合金。這樣的硬質合金用在金屬加工、採礦、採油和建築工業中作為耐用金屬。此外在電燈泡和真空管中鎢絲的應用也很廣。鎢還常用作電極。鎢可以拉成很細的絲,而且熔點非常高。它的其它應用包括:

  • 由於鎢的熔點非常高,所以常用於航空和高溫環境,例如電子、加熱和焊接(E.G. 鎢極氣體保護電弧焊)。
  • 鎢非常堅硬,非常緊密,因此製作重金屬合金非常理想,這樣的合金用在裝甲、散熱片和高密度的應用上例如壓重物、平衡重物、船和飛機的壓重物等。
  • 由於鎢非常緊密,飛鏢往往含80%至97%的鎢。
  • 高速鋼含鎢,有時含18%的鎢。
  • 製造渦輪機片、耐用部分和保護層的高溫合金含鎢(哈氏合金、鎢鉻鈷合金等)。
  • 子彈中使用鎢來取代
  • 鎢的化合物被用作催化劑、無機顏色。二硫化鎢是高溫潤滑劑,它在500 °C依然穩定。
  • 由於鎢的漲性和矽酸硼玻璃類似,所以人們用它進行玻璃/金屬密封
  • 鎢與的合金被用來製作重合金,這樣的重合金用在動能彈中取代貧鈾
  • 集成電路中鎢是前路之間的連接物。在二氧化矽絕緣體中侵蝕接觸孔,注入鎢,磨平來連接三極管。典型的接觸孔可以小到65納米。
  • 碳化鎢是最硬的物質之一,被用在機器工具和磨料中。碳化鎢是磨具和轉具中最常見的材料,往往也是最好的材料。
  • 在放射醫學中鎢是屏蔽物質。運輸氟去氧葡萄糖一般用鎢容器,因為氟去氧葡萄糖中的高能量氟-18令鉛容器無法使用。

其它:氧化鎢被用在陶瓷釉中,鎢常用在熒光粉中。在核物理核醫學中鎢晶體被用作閃爍探測器。鎢被用作X射線目標和在電子爐中作為加熱器。含鎢的鹽被用在化學和皮革工業中。青銅色的氧化鎢被用在繪畫中。由於它的低敏感性碳化鎢被用作首飾,此外由於它非常硬它不會像其它擦光的金屬被劃痕。有些樂器的鉉使用鎢絲。

歷史

1781年,瑞典化學家卡爾·威廉·舍勒發現,使用白鎢礦,可以製作出一種新的,即鎢酸。當時卡爾·威廉·舍勒與其友人托爾貝恩·貝里曼皆相信在鎢酸中一定可以進一步分解出一種新的化學元素。1783年胡塞·德盧亞爾英語Juan José Elhuyar浮士圖·德盧亞爾英語Fausto de Elhuyar兄弟發現從黑鎢礦可以獲得同樣的酸。同年他們使用木炭還原鎢酸獲得了鎢,因此他們被公認為鎢的發現者[他們稱之為"wolfram" 或 "volfram"][19][20]

鎢的戰略價值在二十世紀早期受到注意。英國當局在1912年把卡羅克礦坑英語Carrock mine(Carrock mine)從德國擁有的坎布里亞礦業公司解放出來,還有在一次世界大戰期間限制德國其他的取得來源。在二次世界大戰,鎢在政治交涉上扮演更加重要的角色。鎢在歐洲的主要來源是葡萄牙,當時受到雙方的壓力英語Portugal during World War II,因為在帕納什凱拉英語Panasqueira沉積的鎢礦。鎢抗高溫的特性,其硬度和密度,以及強化合金的功效讓它成為軍工業的重要材料,用作武器和設備的成分與製作過程(例如碳化鎢切割工具用於機械加工鋼鐵)。

生理作用

還原酶使用鎢蝶呤

雖然有人懷疑鎢會導致白血病,但是至今為止缺乏有說服力的證明。

來源

黑鎢礦白鎢礦、鎢鐵礦等礦物含鎢。重要的鎢礦位於玻利維亞美國加利福尼亞州科羅拉多州加拿大中國越南葡萄牙俄羅斯以及韓國。中國出產全世界鎢的75%。通過使用碳還原鎢的氧化物獲得純的金屬。

全世界鎢的貯藏總量估計為700萬噸,其中約30%是黑鎢礦,70%是白鎢礦。但是目前大多數這些礦藏無法經濟性地開採。按照目前的消耗量這些礦藏只夠使用約140年。另一個獲得鎢的方法是回收。回收的鎢比鎢礦含量高,事實上利潤很高。

2017年中國、越南與俄羅斯分別供應了79,000、7,200、3,100頓。加拿大在2015年底停止生產因為其唯一的鎢礦礦坑關閉。越南在2010年左右因為其精煉工程的重大優化,大幅增加其產出,產量超過俄羅斯和玻利維亞。

中國仍然不只是全世界鎢製品最大的製造者,也是最大的出口和消費者。鎢的製造在中國外因需求上升而逐漸增加。同時中國的供給受到中國政府的嚴格管制,來對抗非法採礦和過多來自採礦與精煉過程的污染。

鎢被認為是衝突礦石,因為在剛果共和國的不道德採礦行為。

在英國達特穆爾的邊緣有大量的鎢礦沉積,在一次和二次世界大戰期間有利用。隨着鎢的價格上升,這個礦坑在2014年重新開張,但在2018年關閉。

化合物

鎢最常見的氧化態是+6價,但它也有-1至+6之間的氧化狀態[21]。最常見的氧化物是黃色的三氧化鎢,WO3,它可以在鹼性的水中溶化形成WO42−

同位素

自然界裏出現的有五種鎢的同位素,其中182W、183W、184W、186W是穩定同位素180W的半衰期非常長,可以被看作是穩定同位素。所有這些同位素理論上均可以通過α衰變蛻化為,但是至今為止只有180W能夠被觀測到自然衰變,其半衰期為1.8×1018年,其它同位素沒有被觀測到自然衰變,估計的半衰期下界:182W, T1/2 > 1.7×1020 年,183W, T1/2 > 8×1019 年, 184W, T1/2 > 1.8×1020 年, 186W, T1/2 > 4.1×1018[22]。平均每年在一克180W中發生兩次α衰變。

鎢目前有27種人造放射性同位素,其中最穩定的是181W,其半衰期為121.2天,185W的半衰期為75.1天,188W的半衰期為69.4天,178W的半衰期為21.6天。其它放射性同位素的半衰期均在24小時以下,其中大多數少於8分鐘。

參考文獻

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  2. ^ Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds 互聯網檔案館存檔,存檔日期2011-03-03., in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
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  20. ^ 存檔副本 (PDF). [2008-01-27]. (原始內容 (PDF)存檔於2008-03-07). 
  21. ^ Emsley, John. The Elements 3rd edition. 2000. 
  22. ^ National Nuclear Data Center table of nuclides, http://www.nndc.bnl.gov/chart/

外部連結

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