Wolfram

Wolfram
←  Tantal | Rhenium  →
74 Mo

W

Sg
Periodisk system af grundstoffer74W _
Udseende af et simpelt stof
Ildfast slidstærkt metal, lysegrå [1]
Wolframkrystaller aflejret fra gasfasen
Atom egenskaber
Navn, symbol, nummer Wolfram / Wolframium (W), 74
Gruppe , punktum , blok 6, 6,
d-element
Atommasse
( molær masse )
183.84(1) [2]  a. e. m.  ( g / mol )
Elektronisk konfiguration [Xe] 4f 14 5d 4 6s 2
Atomradius 137 [1] kl
Kemiske egenskaber
kovalent radius 170  kl
Ion radius (+6e) 62 (+4e) 70  kl
Elektronegativitet 2.3 (Pauling-skala)
Elektrodepotentiale W ← W 3+ 0,11 V
W ← W 6+ 0,68 V
Oxidationstilstande +2, +3, +4, +5, +6 [1]
Ioniseringsenergi
(første elektron)
769,7 (7,98)  kJ / mol  ( eV )
Termodynamiske egenskaber af et simpelt stof
Tæthed ( i.a. ) 19,25 [3]  g/cm³
Smeltetemperatur 3695K ( 3422 °C, 6192 °F) [3]
Kogetemperatur 5828 K (5555 °C, 10.031 °F) [3]
Oud. fusionsvarme 285,3 kJ/kg
52,31 [4] [5]  kJ/mol
Oud. fordampningsvarme 4482 kJ/kg 824 kJ/mol
Molær varmekapacitet 24,27 [6]  J/(K mol)
Molært volumen 9,53  cm³ / mol
Krystalgitteret af et simpelt stof
Gitterstruktur Kubisk
krop centreret
Gitterparametre 3.160Å  _
Debye temperatur 310K  _
Andre egenskaber
Varmeledningsevne (300 K) 162,8 [7]  W/(m K)
CAS nummer 7440-33-7
74 Wolfram
W183,84
4f 14 5d 4 6s 2

Wolfram ( kemisk symbol  - W, fra lat.  Wolframium ) er et kemisk grundstof af den 6. gruppe (ifølge den forældede klassifikation  - en sideundergruppe af den sjette gruppe, VIB) i den sjette periode af det periodiske system af kemiske grundstoffer af D. I. Mendeleev , med atomnummer 74.

Under normale forhold er wolfram et hårdt, tungt, skinnende metal [1] [6] med en sølvgrå farve. Det har en lidt højere densitet end metallisk uran .

Wolfram er det mest ildfaste metal i det periodiske system. Henviser til overgangsmetaller .

Navnets historie og oprindelse

Navnet Wolframium blev overført til grundstoffet fra mineralet wolframit , kendt så langt tilbage som i det 16.  århundrede. under navnet "ulveskum" - lat.  spuma lupi eller tysk.  Wolf Rahm [6] [8] [ tjek  link (33 dage allerede) ] . Navnet skyldtes det faktum, at wolfram, der fulgte med tinmalme, forstyrrede smeltningen af ​​tin og overførte det til slaggeskum ("det slugte tin som en ulv et får").

engelsk og fransk hedder wolfram wolfram (fra svensk tungsten  - "tung sten"). I 1781 opnåede den berømte svenske kemiker Karl Scheele , der behandlede mineralet scheelite med salpetersyre , en gul "tung sten" (wolframtrioxid WO 3 ) [9] . I 1783 rapporterede de spanske kemikere, brødrene Eluard, at de opnåede fra det saksiske mineral wolframit både et gult oxid af et nyt metal opløseligt i ammoniak og selve metallet [10] . Samtidig var en af ​​brødrene, Fausto, i Sverige i 1781 og kommunikerede med Scheele. Scheele hævdede ikke at opdage wolfram, og Eluard-brødrene insisterede ikke på deres prioritet.

At være i naturen

Klarken af ​​wolfram i jordskorpen er (ifølge Vinogradov) 1,3 g/t (0,00013% af indholdet i jordskorpen). Dens gennemsnitlige indhold i sten, g/t: ultrabasisk - 0,1, basisk - 0,7, medium - 1,2, sur - 1,9.

Wolfram forekommer i naturen hovedsageligt i form af oxiderede komplekse forbindelser dannet af wolframtrioxid WO 3 med oxider af jern og mangan eller calcium, og nogle gange bly, kobber, thorium og sjældne jordarters grundstoffer. Wolframit (jern- og manganwolframat n FeWO 4 · m MnWO 4  - henholdsvis ferberit og hübnerit ) og scheelite ( calciumwolframat CaWO 4 ) er af industriel betydning . Wolframmineraler er sædvanligvis indblandet i granitiske bjergarter, således at den gennemsnitlige koncentration af wolfram er 1-2%.

Indskud

Kasakhstan , Kina , Canada og USA har de største reserver ; aflejringer er også kendt i Bolivia , Portugal , Rusland , Usbekistan og Sydkorea . Verdensproduktionen af ​​wolfram er 49-50 tusinde tons om året, herunder 41 i Kina, 3,5 i Rusland; Kasakhstan 0,7, Østrig 0,5. De vigtigste eksportører af wolfram: Kina, Sydkorea, Østrig . Hovedimportører: USA, Japan , Tyskland , Storbritannien .
Der er også aflejringer af wolfram i Armenien og andre lande.

Fysiske egenskaber

Den komplette elektroniske konfiguration af wolframatomet er: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 4f 14 5d 4 6s 2 .

Wolfram er et skinnende, lysegråt metal , der har de højeste dokumenterede smelte- og kogepunkter (det antages, at seaborgium er endnu mere ildfast, men det kan indtil videre ikke fastslås med sikkerhed - levetiden for seaborgium er meget kort). Wolfram har en Mohs-hårdhed på 7,5 og er næstefter chrom (Mohs-hårdhed på 8,5) med hensyn til hårdhed blandt rene metaller. Smeltepunkt  - 3695 K (3422 °C), koger ved 5828 K (5555 °C) [3] . Densiteten af ​​ren wolfram under normale forhold er 19,25 g/cm³ [3] , flydende wolfram ved et smeltepunkt på 16,65 g/cm³ [6] . Det har paramagnetiske egenskaber ( magnetisk modtagelighed 0,32⋅10 −9 ). Brinell hårdhed 488 kg/mm². Elektrisk resistivitet ved 25 °C — 55⋅10 −9 Ohm m, ved 2700 °C — 904⋅10 −9 Ohm m; temperaturkoefficient for modstand 5,0 10 −3 K −1 (0—200 °C) [6] . Lydhastigheden i udglødet wolfram er 4290 m/s. Temperaturkoefficient for lineær udvidelse 4,1 10 −6 K −1 (298 K), 6,5 10 −6 K −1 (2273 K), 7,1 10 −6 K −1 (2673 K) [6] . Termisk ledningsevne 153 W/(m K) ved 298 K, 105 W/(m K) ved 1873 K [6] . Termisk diffusivitet 3,17 10 3 m 2 /s ved 1873 K, 2,3 10 3 m 2 /s ved 2873 K [6] .

Wolfram er et af de tungeste, hårdeste og mest ildfaste metaller [6] . I sin rene form er det et sølv-hvidt metal, der ligner platin, ved en temperatur på omkring 1600 ° C egner det sig godt til smedning og kan trækkes ind i en tynd tråd. Metallet er meget stabilt i vakuum [11] . Kompressibilitetskoefficienten er den mindste blandt alle metaller (henholdsvis er bulk-elasticitetsmodulet det største blandt metaller) [6] .

Wolfram findes under normale forhold i to krystallinske modifikationer. Den stabile modifikation (α-wolfram) danner krystaller af det kubiske system (kropscentreret gitter), rumgruppe Im 3 m , celleparametre  a = 0,31589 nm , Z = 2 [6] . Metastabil modifikation (β-wolfram) - kubiske krystaller , rumgruppe Pm 3 n , celleparametre  a = 0,5036 nm , Z = 8 , d = 19,0 g/cm 3 (trichrom silicid type struktur Cr 3 Si, også kendt som fase A15 ). Den metastabile modifikation dannes under reduktionen af ​​wolframtrioxid med brint ved temperaturer fra 440 til 520 °C [12] , såvel som under elektrolysen af ​​en smelte af wolframat [13] omdannes den til alfa-W, når den opvarmes over 520 °C [12] [6] . Selvom β-fasen af ​​wolfram først blev opnået tilbage i 1931, mente mange forfattere, at det i virkeligheden er wolframsuboxid med formlen W 14 ... 20 O eller en fase stabiliseret af en ilturenhed; der er også en antagelse om, at denne fase kan beskrives som en ionisk forbindelse W 3 W, "wolfram wolfram amid", med wolfram atomer i forskellige oxidationstilstande. Det var først i 1998, at det blev vist, at β-wolfram også eksisterer i fravær af ilttilsætning [13] .

Nogle fysiske egenskaber ved α-wolfram og β-wolfram adskiller sig væsentligt. Overgangstemperaturen til den superledende tilstand af α-wolfram er 0,0160 K [6] , for betafasen varierer denne temperatur fra 1 til 4 K; en blanding af faser kan blive superledende ved mellemtemperaturer, afhængigt af fasernes relative indhold [14] . Den specifikke modstand af β-wolfram er tre gange højere end den for α-wolfram [15]

Kemiske egenskaber

Viser valens fra 2 til 6. Den mest stabile er 6-valent wolfram. 3- og 2-valente wolframforbindelser er ustabile og har ingen praktisk betydning.

Wolfram har en høj korrosionsbestandighed: det ændrer sig ikke i luft ved stuetemperatur; ved en rød varmetemperatur oxiderer den langsomt til wolfram (VI) oxid . Imidlertid er det reducerede fine pulver af wolfram pyrofor [12] . Wolfram i rækken af ​​spændinger er umiddelbart efter brint og er næsten uopløseligt i saltsyre, fortyndet svovlsyre og flussyre. I salpetersyre og aqua regia oxiderer det fra overfladen. Opløselig i hydrogenperoxid.

Letopløseligt i en blanding af salpetersyre og flussyre [16] :

Reagerer med smeltede alkalier i nærværelse af oxidationsmidler [16] :

Til at begynde med er disse reaktioner langsomme, men når de når 400 °C (500 °C for en reaktion, der involverer oxygen), begynder wolfram at selvopvarme, og reaktionen forløber ret hurtigt med dannelsen af ​​en stor mængde varme.

Det opløses i en blanding af salpetersyre og flussyre og danner hexafluorwolframsyre H 2 [WF 6 ]. Af wolframforbindelserne er de vigtigste: wolframtrioxid eller wolframanhydrid, wolframater, peroxidforbindelser med den almene formel Me 2 WO X , samt forbindelser med halogener, svovl og kulstof. Wolframater har tendens til at danne polymere anioner , herunder heteropolyforbindelser med indeslutninger af andre overgangsmetaller.

Henter

Processen med at opnå wolfram passerer gennem undertrinnet med adskillelse af trioxid WO 3 fra malmkoncentrater og efterfølgende reduktion til et metalpulver med hydrogen ved en temperatur på ca. 700°C. På grund af wolframs høje smeltepunkt bruges pulvermetallurgiske metoder til at opnå en kompakt form : det resulterende pulver presses, sintres i en hydrogenatmosfære ved en temperatur på 1200-1300 ° C , hvorefter en elektrisk strøm ledes gennem det . Metallet opvarmes til 3000 °C, og der sker sintring til et monolitisk materiale. Til efterfølgende oprensning og opnåelse af en enkeltkrystalform anvendes zonesmeltning [17] .

Ansøgning

Den vigtigste anvendelse af wolfram er som grundlag for ildfaste materialer i metallurgi.

Metallisk wolfram

Wolframforbindelser

Andre anvendelser

Det kunstige radionuklid 185 W bruges som et radioaktivt mærke i studiet af stof. Stabil 184 W bruges som en komponent af uranium-235 legeringer, der anvendes i fastfase nukleare raketmotorer , da det er den eneste almindelige wolframisotop , der har et lavt termisk neutronfangst tværsnit (ca. 2 stald ).

Tungsten marked

Priserne for metallisk wolfram (elementindhold på ca. 99%) ved udgangen af ​​2010 var omkring 40-42 US-dollars per kilogram, i maj 2011 var de omkring 53-55 US-dollars per kilogram. Halvfabrikata fra 58 USD (stænger) til 168 (tynd strimmel). I 2014 varierede wolframpriserne fra 55 til 57 USD [23] .

Biologisk rolle

Wolfram spiller ikke en væsentlig biologisk rolle. Nogle arkæbakterier og bakterier har enzymer , der inkluderer wolfram i deres aktive center. Der er obligatoriske wolfram-afhængige former for hypertermofile arkæbakterier, der lever omkring dybhavshydrotermiske ventilationsåbninger. Tilstedeværelsen af ​​wolfram i sammensætningen af ​​enzymer kan betragtes som et fysiologisk levn fra det tidlige arkæiske  område - der er forslag om, at wolfram spillede en rolle i de tidlige stadier af livet [24] .

Wolframstøv irriterer, ligesom de fleste andre typer metalstøv , åndedrætssystemet.

Isotoper

Kendte isotoper af wolfram med massetal fra 158 til 192 (antal protoner 74, neutroner fra 84 til 118) og mere end 10 nukleare isomerer [25] .

Naturlig wolfram består af en blanding af fem isotoper ( 180 W - 0,12 (1) %, 182 W - 26,50 (16) %, 183 W - 14,31 (4) %, 184 W - 30,64 (2) % og 186 W - 28,43 (19) % [25] . I 2003 blev der opdaget en ekstremt svag radioaktivitet af naturlig wolfram [26] (ca. to henfald pr. gram grundstof pr. år), på grund af α-aktiviteten på 180 W, som har en halveringstid på 1,8⋅10 18 år [ 27] .

Noter

  1. 1 2 3 4 Rakova N. N. TUNGSTEN . bigenc.ru . Stor russisk encyklopædi - elektronisk version (2016). Dato for adgang: 8. august 2020.
  2. Meija J. et al. Grundstoffernes atomvægte 2013 (IUPAC Technical Report  )  // Pure and Applied Chemistry . - 2016. - Bd. 88 , nr. 3 . - S. 265-291 . - doi : 10.1515/pac-2015-0305 .
  3. 1 2 3 4 5 Wolfram : fysiske egenskaber  . WebElements. Hentet: 17. august 2013.
  4. CRC Håndbog i Kemi og Fysik / DR Lide (Red.). — 90. udgave. — CRC Press; Taylor og Francis, 2009. - S. 6-134. — 2828 s. — ISBN 1420090844 .
  5. Se en gennemgang af målinger i: Tolias P. (2017), Analytical expressions for thermophysical properties of solid and liquid wolfram relevant for fusion applications, arΧiv : 1703.06302 . 
  6. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Zelikman A. N. Wolfram // Kemisk encyklopædi  : i 5 bind / Kap. udg. I. L. Knunyants . - M . : Soviet Encyclopedia , 1988. - T. 1: A - Darzana. - S. 418-420. — 623 s. — 100.000 eksemplarer.  - ISBN 5-85270-008-8 .
  7. Termofysiske egenskaber af wolfram
  8. Great Soviet Encyclopedia Ch. udg. A. M. Prokhorov. - 3. udg. - M .: Sov. encycl., 1969-1978
  9. Scheelit // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron  : i 86 bind (82 bind og 4 yderligere). - Sankt Petersborg. , 1890-1907.
  10. https://web.archive.org/web/20110721214254/http://www.itia.info/FileLib/Newsletter_2005_06.pdf
  11. Titanium er fremtidens metal .
  12. 1 2 3 Morcom WR , Worrell WL , Sell HG , Kaplan HI Forberedelse og karakterisering af beta-wolfram, en metastabil wolframfase  //  Metallurgical Transactions. - 1974. - Bd. 5 , nr. 1 . - ISSN 0026-086X . - doi : 10.1007/BF02642939 .
  13. 1 2 Kiss AB Termoanalytisk undersøgelse af sammensætningen af ​​β-wolfram  //  Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. - 1998. - Bd. 54 , nr. 3 . - s. 815-824 . — ISSN 1418-2874 . - doi : 10.1023/A:1010143904328 .
  14. Lita AE , Rosenberg D. , Nam S. , Miller AJ , Balzar D. , Kaatz LM , Schwall RE Tuning af Tungsten Thin Film Superconducting Transition Temperature for Fabrication of Photon Number Resolving Detectors  //  IEEE Transactions on Appiled Superconductivity. - 2005. - Bd. 15 , nr. 2 . - P. 3528-3531 . — ISSN 1051-8223 . - doi : 10.1109/TASC.2005.849033 . - .
  15. Yeh Wen-Kuan , Chen Mao-Chieh , Wang Pei-Jan , Liu Lu-Min , Lin Mou-Shiung. Depositionsegenskaber ved selektiv wolframkemisk dampaflejring  (engelsk)  // Materialer Kemi og Fysik. - 1996. - Bd. 45 , nr. 3 . - S. 284-287 . — ISSN 0254-0584 . - doi : 10.1016/0254-0584(96)80120-9 .
  16. 1 2 Ripan R. , Chetyanu I. Uorganisk kemi. Kemi af metaller. - M . : Mir, 1972. - T. 2. - S. 347-348.
  17. Zelikman A. N., Nikitina L. S. Wolfram . - M . : Metallurgi, 1978. - S. 155. - 272 s.
  18. Brian Wheeler. Tungsten Shielding hjælper på Fukushima Daiichi . Magasinet Power Engineering (1. juli 2011).
  19. Murata Taisuke , Miwa Kenta , Matsubayashi Fumiyasu , Wagatsuma Kei , Akimoto Kenta , Fujibuchi Toshioh , Miyaji Noriaki , Takiguchi Tomohiro , Sasaki Masayuki , Koizumi Mitsuru. Optimal strålingsafskærmning for beta- og bremsstrahlung-stråling udsendt af 89Sr og 90Y: validering ved empirisk tilgang og Monte Carlo-simuleringer  // Annals of Nuclear Medicine. - 2014. - 10. maj ( bind 28 , nr. 7 ). - S. 617-622 . — ISSN 0914-7187 . - doi : 10.1007/s12149-014-0853-6 .
  20. Kobayashi S. , Hosoda N. , Takashima R. Wolframlegeringer som strålingsbeskyttelsesmaterialer  // Nukleare instrumenter og metoder i fysikforskning Sektion A: Acceleratorer, spektrometre, detektorer og tilhørende udstyr. - 1997. - Maj ( vol. 390 , nr. 3 ). - S. 426-430 . — ISSN 0168-9002 . - doi : 10.1016/S0168-9002(97)00392-6 .
  21. Soylu HM , Yurt Lambrecht F. , Ersöz OA Gammastrålingsafskærmningseffektiviteten af ​​et nyt blyfrit kompositmateriale  // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. - 2015. - 17. marts ( bd. 305 , nr. 2 ). - S. 529-534 . — ISSN 0236-5731 . - doi : 10.1007/s10967-015-4051-3 .
  22. Vantorin V. D. Mechanisms of instrumental and computing systems / Ed. S. M. Borisov. - M . : Højere. skole, 1985. - S. 168. - 416 s.
  23. ifølge "Priser for wolfram"
  24. Fedonkin M.A. Indsnævring af det geokemiske livsgrundlag og eukaryotisering af biosfæren: en årsagssammenhæng  // Paleontologisk tidsskrift. - 2003. - Nr. 6 . - S. 33-40 .
  25. 1 2 Audi G. , Kondev FG , Wang M. , Huang WJ , Naimi S. Nubase2016-evalueringen af ​​nukleare egenskaber  // Kinesisk fysik  C. - 2017. - Bd. 41 , udg. 3 . - P. 030001-1-030001-138 . - doi : 10.1088/1674-1137/41/3/030001 . - .Åben adgang
  26. Danevich F. A. et al. α aktivitet af naturlige wolframisotoper  (engelsk)  // Phys. Rev. C. _ - 2003. - Bd. 67 . — P. 014310 . - doi : 10.1103/PhysRevC.67.014310 . - arXiv : nucl-ex/0211013 .
  27. Cozzini C. et al. Påvisning af det naturlige α-henfald af wolfram  (engelsk)  // Phys. Rev. C. _ - 2004. - Bd. 70 . — P. 064606 . - doi : 10.1103/PhysRevC.70.064606 . - arXiv : nucl-ex/0408006 .

Links