Вольфрам | это... Что такое Вольфрам? (original) (raw)

74 Тантал ← Вольфрам → Рений Периодическая система элементов 74W Cubic-body-centered.svg Electron shell 074 Tungsten.svg
Внешний вид простого вещества
Wolfram evaporated crystals and 1cm3 cube.jpgТугоплавкий прочный металл, стального цвета или белый
Свойства атома
Имя, символ, номер Вольфра́м/Wolframium (W), 74
Атомная масса(молярная масса) 183,84 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация [Xe] 4f14 5d4 6s2
Радиус атома 141 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус 170 пм
Радиус иона (+6e) 62 (+4e) 70 пм
Электроотрицательность 2.3 (шкала Полинга)
Электродный потенциал W ← W3+ 0,11 ВW ← W6+ 0,68 В
Степени окисления 6, 5, 4, 3, 2, 0
Энергия ионизации(первый электрон) 769,7 (7,98) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.) 19300 кг/м³ 19,3 г/см³
Температура плавления 3380 °C, 3653 K
Температура кипения 5555 °C, 5828 K
Теплота плавления 191 кДж/кг 35 кДж/моль
Теплота испарения 4482 кДж/кг 824 кДж/моль
Молярная теплоёмкость 24,27[1] Дж/(K·моль)
Молярный объём 9,53 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки кубическаяобъёмноцентрированая
Параметры решётки 3,160 Å
Температура Дебая 310,00 K
Прочие характеристики
Теплопроводность (300 K) 173 Вт/(м·К)

Вольфра́м — химический элемент с атомным номером 74 в периодической системе, обозначается символом W (лат. Wolframium), твёрдый серый переходный металл.

Вольфрам — самый тугоплавкий металл (элемент) среди природных элементов. При стандартных условиях химически стоек.

Содержание

История и происхождение названия

Название Wolframium перешло на элемент с минерала вольфрамит, известного ещё в XVI в. под названием «волчья пена» — «Spuma lupi» на латыни, или «Wolf Rahm» по-немецки. Название было связано с тем, что вольфрам, сопровождая оловянные руды, мешал выплавке олова, переводя его в пену шлаков («пожирает олово как волк овцу»).

В настоящее время в США, Великобритании и Франции для вольфрама используют название «tungsten» (швед. tung sten — «тяжелый камень»).

В 1781 знаменитый шведский химик Шееле , обрабатывая азотной кислотой минерал шеелит, получил жёлтый «тяжелый камень». В 1783 испанские химики братья Элюар сообщили о получении из саксонского минерала вольфрамита жёлтой окиси нового металла, растворимой в аммиаке. При этом один из братьев, Фаусто, был в Швеции в 1781 и общался с Шееле. Шееле не претендовал на открытие вольфрама, а братья Элюар не настаивали на своём приоритете.

Нахождение в природе

Кларк вольфрама земной коры составляет (по Виноградову) 1,3 г/т(0.0013 % 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 трехокисью 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, России 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.
Также есть месторождения вольфрама в Армении и других странах.

Получение

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.

Физические свойства

Вольфрам — светло-серый металл, имеющий самые высокие доказанные температуры плавления и кипения (предполагается, что сиборгий ещё более тугоплавок, но пока что об этом твёрдо утверждать нельзя — время существования сиборгия очень мало).

Некоторые физические свойства приведены в таблице (см. выше). Другие физические свойства вольфрама:

Вольфрам является одним из наиболее тяжелых, твердых и самым тугоплавким металлом. В чистом виде представляет собой металл серебристо-белого цвета, похожий на платину, при температуре около 1600 °C хорошо поддается ковке и может быть вытянут в тонкую нить.

Химические свойства

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). Вольфрам в ряду напряжений стоит сразу после водорода, и в соляной, разбавленной серной и плавиковой кислотах почти не растворим. В азотной кислоте и царской водке окисляется с поверхности.

Легко растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот[2]:

~\mathsf{ 2W + 4HNO_3 + 10HF \longrightarrow WF_6 + WOF_4 + 4NO \uparrow + 7H_2O }

Реагирует с расплавленными щелочами в присутствии окислителей[3]:

~\mathsf{2W + 4NaOH + 3O_2 \longrightarrow 2Na_2WO_4 + 2H_2O}

~\mathsf{W + 2NaOH + 3NaNO_3 \longrightarrow Na_2WO_4 + 3NaNO_2 + H_2O}

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.

В смеси азотной и плавиковой кислоты растворяется, образуя гексафторвольфрамовую кислоту H2[WF6]. Из соединений вольфрама наибольшее значение имеют: триоксид вольфрама или вольфрамовый ангидрид, вольфраматы, перекисные соединения с общей формулой Me2WOX, а также соединения с галогенами, серой и углеродом. Вольфраматы склонны к образованию полимерных анионов, в том числе гетерополисоединений с включением других переходных металлов.

Применение

Главное применение вольфрама — как основа тугоплавких материалов в металлургии.

Металлический вольфрам

Нить накаливания

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 чистотой около 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)[4].

Биологическая роль

Вольфрам не играет значительной биологической роли. У некоторых архебактерий и бактерий имеются ферменты, включающие вольфрам в своем 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[5].

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

Изотопы

Природный вольфрам состоит из пяти изотопов (180W, 182W, 183W, 184W и 186W). Искусственно созданы и идентифицированы ещё 30 радионуклидов. В 2003 открыта[6] чрезвычайно слабая радиоактивность природного вольфрама (примерно два распада на грамм элемента в год), обусловленная α-активностью 180W, имеющего период полураспада 1,8·1018 лет[7].

Интересные факты

Вольфрам — самый тугоплавкий металл. Температура плавления 3380 °C, кипения 5900 °C. Примерно такую же температуру имеет фотосфера Солнца[8].

Плотность вольфрама почти равняется плотности золота: 19,30 г/см³ против 19,32 г/см³ соответственно.

Примечания

  1. ↑ Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 418. — 623 с. — 100 000 экз.
  2. ↑ Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. Химия металлов. — М.: Мир, 1972. — Т. 2. — С. 347.
  3. ↑ Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. Химия металлов. — М.: Мир, 1972. — Т. 2. — С. 348.
  4. ↑ Цены на вольфрам
  5. ↑ Федонкин М. А. Сужение геохимического базиса жизни и эвкариотизация биосферы: причинная связь — Палеонтологический журнал — 2003 — № 6 — с. 33-40
  6. ↑ F. A. Danevich et al. (2003). «α activity of natural tungsten isotopes». Phys. Rev. C 67. DOI:10.1103/PhysRevC.67.014310.
  7. ↑ C. Cozzini et al. (2004). «Detection of the natural α decay of tungsten». Phys. Rev. C 70. DOI:10.1103/PhysRevC.70.064606.
  8. ↑ Справочник химика / Редкол.: Никольский Б.П. и др.. — 3-е изд., испр. — Л.: Химия, 1971. — Т. 2. — 1168 с.

Ссылки

commons: Вольфрам на Викискладе?
Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo
Щелочные металлы Щёлочноземельные металлы Лантаноиды Актиноиды Переходные металлы Другие металлы Металлоиды Другие неметаллы Галогены Инертные газы
Просмотр этого шаблона Электрохимический ряд активности металлов
Eu, Sm, Li, Cs, Rb, K, Ra, Ba, Sr, Ca, Na, Ac, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Gd, Tb, Mg, Y, Dy, Am, Ho, Er, Tm, Lu, Sc, Pu, Th, Np, U, Hf, Be, Al, Ti, Zr, Yb, Mn, V, Nb, Pa, Cr, Zn, Ga, Fe, Cd, In, Tl, Co, Ni, Te, Mo, Sn, Pb, H2, W, Sb, Bi, Ge, Re, Cu, Tc, Te, Rh, Po, Hg, Ag, Pd, Os, Ir, Pt, Au Элементы расположены в порядке возрастания стандартного электродного потенциала.
Соединения вольфрама
Арсенид вольфрама (WAs2) • Борид вольфрама (WB) • Борид дивольфрама (W2B) • Бромид вольфрама(II) (WBr2) • Бромид вольфрама(IV) (WBr4) • Бромид вольфрама(V) (WBr5) • Бромид вольфрама(VI) (WBr6) • Вольфрамат бария (BaWO4) • Вольфрамат кадмия (CdWO4) • Вольфрамат кальция (CaWO4) • Вольфрамат калия (K2WO4) • Вольфрамат натрия (Na2WO4) • Вольфрамат свинца(II) (PbWO4) • Вольфрамат стронция (SrWO4) • Вольфрамат рубидия (Rb2WO4) • Вольфрамат цезия (Cs2WO4) • Вольфрамат цинка (ZnWO4) • Вольфрамовая кислота (H2WO4) • Гексакарбонил вольфрама (W(CO)6) • Диборид вольфрама (WB2) • Динитрид вольфрама (WN2) • Диоксидибромид вольфрама (WO2Br2) • Диоксидихлорид вольфрама (WO2Cl2) • Дисилицид вольфрама (WSi2) • Дифосфид вольфрама (WP2) • Дифосфид тетравольфрама (W4P2) • Иодид вольфрама(II) (WI2) • Иодид вольфрама(IV) (WI4) • Карбид вольфрама (WC) • Карбид дивольфрама (W2C) • Нитрид дивольфрама (W2N) • Оксид вольфрама(IV) (WO2) • Оксид вольфрама(VI) (WO3) • Окситетрабромид вольфрама(VI) (WOBr4) • Окситетрафторид вольфрама(VI) (WOF4) • Окситетрахлорид вольфрама(VI) (WOCl4) • Пентаборид дивольфрама (W2B5) • Селенид вольфрама(IV) (WSe2) • Селенид вольфрама(VI) (WSe3) • Силицид вольфрама (W2Si3) • Сульфид вольфрама(IV) (WS2) • Сульфид вольфрама(VI) (WS3) • Теллурид вольфрама(IV) (WTe2) • Тринитрид дивольфрама (W2N3) • Фосфид вольфрама (WP) • Фторид вольфрама(IV) (WF4) • Фторид вольфрама(VI) (WF6) • Хлорид вольфрама(II) (WCl2) • Хлорид вольфрама(IV) (WCl4) • Хлорид вольфрама(V) (WCl5) • Хлорид вольфрама(VI) (WCl6) •