VOLFRAM: POVIJEST, SVOJSTVA, STRUKTURA, UPORABE - KEMIJA - 2026

Teški metal iz volframa, volframa ili volframa tranzicija je čiji je kemijski simbol W. Smješten je u 6. grupi grupe 6 periodičke tablice, a atomski broj 74. Ime mu ima dva etimološka značenja: tvrdi kamen i vuna pjena; Drugi je zbog toga što je ovaj metal poznat i pod nazivom volfram.

To je srebrno-sivi metal i, iako je krhak, ima veliku tvrdoću, gustoću i visoke točke taljenja i vrenja. Stoga se koristi u svim onim primjenama koje uključuju visoke temperature, pritiske ili mehaničke sile, kao što su bušilice, projektili ili zračenja sa zračenjem.

Volfram šipka s djelomično oksidiranom površinom. Izvor: Hi-Res slike kemijskih elemenata

Najpoznatija upotreba ovog metala, na kulturnoj i popularnoj razini, je u žaruljama električnih žarulja. Tko ih je podnio, shvatit će koliko su krhki; međutim, nisu izrađeni od čistog volframa, koji je koban i duktil. Osim toga, u metalnim matricama kao što su legure pruža izvrsnu otpornost i tvrdoću.

Karakterizira ga i razlikuje po tome što je metal s najvišom talištem, a također i gušći od samog olova, nadmašen samo drugim metalima poput osmija i iridija. Isto tako, najteži je metal za koji se zna da ispunjava neku biološku ulogu u tijelu.

Anion volfstata, WO ₄ ^2-, sudjeluje u većini svojih ionskih spojeva koji mogu polimerizirati u tvorbu klastera u kiselom mediju. S druge strane, volfram može tvoriti intermetalne spojeve ili se sinterirati s metalima ili anorganskim solima tako da njegove čvrste tvari dobivaju različite oblike ili konzistencije.

U zemljinoj kori nije baš obilna, samo 1,5 grama ovog metala po toni. Nadalje, budući da je težak element, njegovo je podrijetlo intergalaktičko; posebno od eksplozija supernove, koje su morale baciti "mlaznice" atoma volframa prema našem planetu tijekom njegovog formiranja.

Povijest

Etimologija

Povijest volframa ili vukova ima dva lica baš kao i njihova imena: jedno švicarsko, a drugo njemačko. U 1600-im, u regijama koje su trenutno okupirale Njemačka i Austrija, rudari su radili na vađenju bakra i kositra za proizvodnju bronza.

Do tada su se rudari već našli s trnjem: u njima se bio talio izuzetno težak mineral; mineral koji se sastoji od wolframita, (Fe, Mn, Mg) WO ₄, koji je zadržao ili "proždirao" kalaj kao da je vuk.

Odatle etimologija ovog elementa, „vuk“ za vuka na španjolskom, vuk koji je jeo konzervu; i 'ovna' od pjene ili vrhnja, čiji su kristali nalikovali dugačkom crnom krznu. Stoga je ime "wolfram" ili "wolfram" nastalo u čast tih prvih opažanja.

Godine 1758. na švicarskoj je strani sličan mineral, scheelit, CaWO ₄, nazvan 'tung sten', što znači 'tvrdi kamen'.

Oba imena, wolfram i volfram, široko se upotrebljavaju naizmjenično, ovisno isključivo o kulturi. Na primjer, u Španjolskoj i u zapadnoj Europi ovaj je metal najpoznatiji kao volfram; dok na američkom kontinentu prevladava naziv volfram.

Prepoznavanje i otkriće

Tada se znalo da su između sedamnaestog i osamnaestog stoljeća postojala dva minerala: wolframit i scheelit. Ali, tko je vidio da se u njima nalazi metal drugačiji od ostalih? Mogli su ih okarakterizirati samo kao minerale, a upravo je i 1779. irski kemičar Peter Woulfe pažljivo analizirao volfram i zaključio postojanje volframa.

Na švicarskoj je strani Carl Wilhelm Scheele iz 1781. uspio izolirati volfram kao WO ₃; a još više, koji je dobiven volframov (ili volframov kiselina), H ₂ WO ₄ i drugih spojeva.

Međutim, to nije bilo dovoljno da bi se došlo do čistog metala, jer je bilo potrebno smanjiti tu kiselinu; to jest podvrgava se takvom procesu da se odvaja od kisika i kristalizira kao metal. Carl Wilhelm Scheele nije imao odgovarajuće peći ili metodologiju za ovu reakciju kemijske redukcije.

Ovdje su u akciju stupili španjolska braća d'Elhuyar, Fausto i Juan José, koji su ugljenima u gradu Bergara smanjili oba minerala (vukramit i šeelit). Njih dvojica dobivaju zaslugu i čast što su otkrivači metalnog volframa (W).

Čelice i žarulje

Bilo koja žarulja sa volframovom niti. Izvor: Pxhere.

Kao i drugi metali, i njegova upotreba definira njegovu povijest. Među najistaknutijim na kraju 19. stoljeća bile su legure čelika-volframa i volframove niti kako bi se zamijenile ugljikove unutar električnih žarulja. Može se reći da su se prve žarulje, koliko ih znamo, plasirale u 1903-1904.

Svojstva

Fizički izgled

To je sjajni srebrno-sivi metal. Krhko, ali vrlo tvrdo (da se ne brka sa žilavošću). Ako je komad visoke čistoće, postaje koban i tvrd, koliko-toliko više čelika.

Atomski broj

74.

Molekulska masa

183,85 g / mol.

Talište

3422 ° C.

Vrelište

5930 ° C.

Gustoća

19,3 g / ml.

Toplina fuzije

52,31 kJ / mol.

Toplina isparavanja

774 kJ / mol.

Molarni toplinski kapacitet

24,27 kJ / mol.

Mohova tvrdoća

7.5.

Elektronegativnost

2,36 na Pauling ljestvici.

Atomski radio

139 sati

Električni otpor

52,8 nΩ · m na 20 ° C.

izotopi

U prirodi se pojavljuje pretežno kao pet izotopa: ¹⁸² W, ¹⁸³ W, ¹⁸⁴ W, ¹⁸⁶ W i ¹⁸⁰ W. Prema molarnoj masi od 183 g / mol, koja u prosjeku predstavlja atomsku masu ovih izotopa (i ostalih trideset radioizotopa), svaki atom volframa ili volframa ima oko sto i deset neutrona (74 + 110 = 184).

Kemija

To je metal vrlo otporan na koroziju, jer ga tanki sloj WO ₃ štiti od napada kisika, kiseline i lužina. Jednom otopljeni i istaloženi s drugim reagensima, dobivaju se njegove soli, koje se nazivaju volfram ili volframati; u njima volfram obično ima oksidacijsko stanje +6 (pod pretpostavkom da ima W ⁶⁺ kationa).

Skupljanje kiselina

Decatungstate, primjer polioksometalata volframa. Izvor: Scifanz

Kemijski volfram je prilično jedinstven jer se njegovi ioni skloni grupiranju da bi tvorili heteropolne kiseline ili polioksometalate. Što su oni? Oni su skupine ili grozdovi atoma koji se sastaju da bi definirali trodimenzionalno tijelo; Uglavnom, jedna sa sfernom strukturom u obliku kaveza u koju "zatvaraju" još jedan atom.

Sve započinje s anionom volfrastata, WO ₄ ^2-, koji se brzo protonira u kiselom mediju (HWO ₄ ^-) i veže se sa susjednim anionom, stvarajući ^2-; a to se zauzvrat spaja s drugom ^2- da nastane ^4-. Tako sve dok ne bude nekoliko politungstata u otopini.

Paratungstati A i B, ^6- i H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ¹⁰, respektivno, jedan su od najistaknutijih ovih poliana.

Može biti izazovno pronaći vašu skicu i strukture Lewisa; ali u principu je dovoljno da ih vizualiziramo kao skupove WO ₆ oktaedra (gornja slika).

Imajte na umu da ovi sivkasto oktaedri na kraju definiraju decatungstate, politungstat; Ako se u njemu nalazi heteroatom (na primjer, fosfor), to bi bio polioksometalat.

Struktura i elektronička konfiguracija

Kristalne faze

Atomi volframa definiraju kristal s kubičnom (bcc) strukturom u središtu tijela. Ovaj kristalni oblik poznat je kao α faza; dok je β faza također kubična, ali malo gušća. Obje faze ili kristalni oblici, α i β, mogu postojati u ravnoteži u normalnim uvjetima.

Kristalna zrna α faze su izometrijska, dok β faza nalikuju stupovima. Bez obzira na kristal, njime upravljaju metalne veze koje čvrsto drže W atome zajedno. Inače, visoke točke taljenja i vrenja ili visoka tvrdoća i gustoća volframa ne mogu se objasniti.

Metalna veza

Atomi volframa moraju se nekako čvrsto vezati. Za pretpostavku se najprije mora poštovati elektronska konfiguracija ovog metala:

4f ¹⁴ 5d ⁴ 6s ²

5d orbitale su vrlo velike i nejasne, što bi značilo da između dva obližnja W atoma postoje učinkovita orbitalna preklapanja. Također, orbitale 6s doprinose rezultirajućim zavojima, ali u manjoj mjeri. Dok su orbite 4f "duboko u pozadini", pa je njihov doprinos metalnoj vezi manji.

To je veličina atoma i kristalna zrna varijable koje određuju tvrdoću volframa i njegovu gustoću.

Oksidacijska stanja

U metalnom volframu ili vuku, W atomi imaju stanje oksidacije nula (W ⁰). Vraćajući se elektroničkoj konfiguraciji, 5d i 6s orbitale mogu se „isprazniti“ elektroni, ovisno o tome je li W u društvu jako elektronegativnih atoma, poput kisika ili fluora.

Kada se izgube dva elektrona 6s, volfram ima +2 oksidacijsko stanje (W2 ⁺), zbog čega se njegov atom sažima.

Ako izgubi i sve elektrone u svojoj 5d orbitali, njegovo stanje oksidacije postat će +6 (W ⁶⁺); Odavde to ne može postati pozitivnije (u teoriji), budući da su orbite 4f, koje su unutarnje, zahtijevale velike energije da bi uklonile svoje elektrone. Drugim riječima, najpozitivnije stanje oksidacije je +6, gdje je volfram još manji.

Ovaj volfram (VI) vrlo je stabilan u kiselim uvjetima ili u mnogim kisikovim ili halogeniranim spojevima. Ostala moguća i pozitivna oksidacijska stanja su: +1, +2, +3, +4, +5 i +6.

Volfram također može dobiti elektrone ako se kombinira s atomima manje elektronegativnim od sebe. U tom slučaju njegovi atomi postaju veći. Može dobiti najviše četiri elektrona; to znači da ima oksidacijsko stanje -4 (W ^4-).

dobivanje

Ranije je spomenuto da se volfram nalazi u mineralima volframit i scheelit. Ovisno o procesu, dva spoja su dobiveni od njih volframovog oksida, WO ₃ ili amonijev paratungstate, (NH ₄) ₁₀ (H ₂ W ₁₂ O ₄₂) · 4H ₂ O (ili ATP). Bilo koji od njih može se smanjiti na metalni W s ugljikom iznad 1050 ° C.

Proizvoditi volframove ingote nije ekonomski isplativo jer će im trebati puno topline (i novca) da bi ih rastopili. Zbog toga je preferirano da se proizvodi u obliku praška za obradu odjednom s drugim metalima radi dobivanja legura.

Vrijedi spomenuti da je Kina zemlja s najvećom proizvodnjom volframa u svijetu. A na američkom kontinentu, Kanada, Bolivija i Brazil također zauzimaju listu najvećih proizvođača ovog metala.

Prijave

Prsten napravljen od volfram karbida - primjer kako se tvrdoća ovog metala može upotrijebiti za besmrtno stvrdnjavanje i otvrdnjavanje materijala. Izvor: SolitaryAngel (SolitaryAngel)

Evo nekih poznatih namjena ovog metala:

-Oni su upotrebljavani za obojenje pamuka iz odjeće starih kazališta.

-U kombinaciji s čelikom to još više otvrdne, čak i kada se odupire mehaničkim rezovima pri velikim brzinama.

-Sinstrirana volframova vlakna koriste se više od stotinu godina u električnim žaruljama i halogenim žaruljama. Također, zahvaljujući visokom talištu služio je kao materijal za katodne cijevi i mlaznice raketnih motora.

-Zamjenjuje olovo u proizvodnji projektila i radioaktivnog štita.

-Tungsten nanowires može se koristiti u pH i plinoosjetljivim nano uređajima.

- Tungsten katalizatori korišteni su za proizvodnju proizvodnje sumpora u naftnoj industriji.

-Tungsten-karbid se najčešće koristi od svih njegovih spojeva. Od jačanja alata za rezanje i bušenje, ili izrade komada vojnog naoružanja, do strojne obrade drveta, plastike i keramike.

Rizici i mjere opreza

Biološki

Budući da je relativno rijedak metal u zemljinoj kori, njegovi su negativni učinci rijetki. U kiselim tlima poliungstati ne mogu utjecati na enzime koji koriste molibdatne anione; ali u osnovnim tlima, WO ₄ ^2- intervenira (pozitivno ili negativno) u metaboličkim procesima MoO ₄ ^2- i bakra.

Biljke, na primjer, mogu apsorbirati topljive spojeve volframa, a kada ih životinja pojede, a zatim nakon konzumiranja svog mesa, W atomi uđu u naša tijela. Većina se izbacuje mokraćom i izmetom, a malo se zna što se događa s ostalima.

Studije na životinjama pokazale su da prilikom udisanja velike koncentracije volframova u prahu razvijaju simptome slične onima karcinoma pluća.

Gutanjem bi odrasli čovjek trebao popiti tisuće litara vode obogaćene volframovim solima da bi pokazao značajno inhibiciju enzima holinesteraze i fosfataze.

fizička

Općenito govoreći, volfram je slabo toksičan element i stoga postoji mali rizik od štetnog djelovanja za zdravlje.

Što se tiče metalnog volframa, izbjegavajte disanje njegove prašine; a ako je uzorak čvrst, mora se imati na umu da je vrlo gust i da može pasti ili pogoditi druge površine može stvoriti fizičku štetu.

Reference

1. Bell Terence. (SF). Volfram (Wolfram): Svojstva, proizvodnja, primjena i legure. Ravnoteža. Oporavilo od: thebalance.com
2. Wikipedia. (2019). Volfram. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
3. Lenntech BV (2019). Volfram. Oporavilo od: lenntech.com
4. Jeff Desjardins. (1. svibnja 2017.). Povijest volframa, najjači prirodni metal na Zemlji. Oporavilo od: visualcapitalist.com
5. Doug Stewart. (2019). Činjenice elementa volframa. Oporavilo od: chemicool.com
6. Art Fisher i Pam Powell. (SF). Volfram. Sveučilište u Nevadi. Oporavak od: unce.unr.edu
7. Helmenstine, Anne Marie, dr. Sc. (02. ožujka 2019.). Činjenice volframa ili Wolframa. Oporavilo od: misel.com