Вікіпедія

Вольфрам

хімічний елемент, з атомним номером 74

Вольфра́м (англ. tungsten, нім. Wolfram) — хімічний елемент. Символ W, ат. н. 74, ат. маса — 183,85. Сріблясто-білий метал. Має найвищу серед усіх металів температуру плавлення і кипіння (серед інших елементів вищу температуру плавлення має лише вуглець). Належить до групи перехідних металів. Один з найважчих металів — його густина 19,25 г/см3 (на 70 % більше ніж в свинцю). Сплави вольфраму мають високу твердість, зносостійкість, жароміцність.

Вольфрам (W)
Атомний номер74
Зовнішній вигляд простої речовиниТугоплавкий метал. Сріблястого або білого
кольору
Стрижні з надчистого (99,98%) вольфраму з кристалічними наростами. Кольори іризації завдяки тонкій плівці оксиду вольфраму. Для порівняння подано куб об'ємом 1 см³.
Властивості атома
Атомна маса (молярна маса)183,84 а.о.м. (г/моль)
Радіус атома141 пм
Енергія іонізації (перший електрон)769,7(7,98) кДж/моль (еВ)
Електронна конфігурація[Xe] 4f14 5d4 6s2
Хімічні властивості
Ковалентний радіус130 пм
Радіус іона(+6e) 62 (+4e) 70 пм
Електронегативність (за Полінгом)1,7
Електродний потенціалW ←W 3+ 0,11В
W ←W 6+ 0,68В
Ступені окиснення6, 5, 4, 3, 2, 0
Термодинамічні властивості
Густина19,3 г/см³
Молярна теплоємність24,27 Дж/(К·моль)
Теплопровідність173 Вт/(м·К)
Температура плавлення3680 К
Теплота плавлення(35) кДж/моль
Температура кипіння5930 К
Теплота випаровування824 кДж/моль
Молярний об'єм9,53 см³/моль
Кристалічна ґратка
Структура ґраткикубічна
об'ємноцентрована
Період ґратки3,160 Å
Відношення с/аn/a
Температура Дебая310,00 К
Інші властовості
Критична точкан/д
H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
* La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
CMNS: Вольфрам у Вікісховищі

Металічний вольфрам у звичайних умовах хімічно стійкий. З киснем починає взаємодіяти при температурі вище 400 °C. Протистоїть дії води, але при температурі червоного розжарювання легко окиснюється водяною парою. Найбільш характерними й стійкими є сполуки вольфраму зі ступенем окиснення +6. Найважливіші з них: триоксид вольфраму[en] WO3, вольфрамова кислота[en] H2WO4 і її солі — вольфрамати.

Історія

ред.
 
Вольфраміт

Назва Wolframium перейшла на елемент з мінералу вольфраміту (нині — важливої вольфрамової руди). Ще у XVI ст. шахтарі з Рудних гір Саксонії повідомили про мінерал, що часто супроводжував олов'яні руди, і дуже заважав виплавці олова. Якщо мінерал був наявний у розплаві, то частина олова випадала у тугоплавкий осад, а частина — губилася в шлаковій піні, що з'являлася на поверхні. Шахтарі називали цей мінерал «вовчок» через чорний колір і структуру, що нагадувала шерсть, тому він отримав назву «Wolf Rahm» — «вовча піна». Ґеорґіус Аґрікола 1546 року описав мінерал і дав йому латинську назву lupi spuma, що є калькою німецької.[1]. Про вольфраміт казали, що він «пожирає олово як вовк вівцю». Англійська й французька назва вольфраму, tungsten походить від однойменного мінералу (зараз він називається шеєліт), і перекладається як «важкий камінь». Ще до середини ХХ століття вольфрам іноді позначали як Tu.

 
вольфрамова кислота

У 1781 році шведський хімік Карл Вільгельм Шеєле опублікував результи своїх експериментів з тунгстеном (шеєлітом), за допомогою яких він показав, що цей мінерал складається з вапна і невідомої раніше кислоти, яку він назвав тунгстеновою (сучасна назва — вольфрамова кислота). Торберн Бергман запропонував відновити з цієї кислоти метал, використовуючи вугільну кислоту[1].

1783 року іспанські хіміки та металурги Фаусто та Хуан Хосе Ельгуяри (ісп. Juan José Elhuyar), що працювали з професором Бергманом, повернулися до Іспанії, і виявили, що саксонський вольфраміт містить марганцеві й залізні солі знайденої Шеєле кислоти. Того ж року, брати отримали з вольфраміту чистий метал, який назвали вольфрамом[1].

Цікаво, що одним з перших дослідників вольфраму був Рудольф Еріх Распе (більш знаний як автор «Пригод барона Мюнхгаузена»), який одразу відзначив його надзвичайну твердість і міцність (на відміну від братів Ельгуляр, які писали, що поки що не бачать застосувань нововідкритому металу). Існують гіпотези, згідно яких саме Распе належав знайдений у 2004 році в Корнуоллі шматок вольфраму, що, можливо, був отриманий ним навіть раніше за братів Ельгуяр[2].

У 1847 р. Роберт Оксленд отримав патент на метод отримання вольфраму, що був достатньо дешевим і міг використовуватися в промислових масштабах, що відкрило шлях до його широкого використання[1].

У 1858 р. були запатентовані вольфрамові сталі, а до ХХ ст. такі сталі використовували у різноманітних галузях завдяки своїй високій міцності, твердості, тугоплавкості й червоностійкості[1].

У 1904 р. були запатентовані вольфрамові лампи розжарення, що швидко витіснили менш ефективні лампи з вугільними нитками[1]. Протягом століття такі лампи були найпопулярнішими джерелами освітлення, і, хоча в новому тисячолітті вони швидко витісняються LED-лампами, навіть у розвинених країнах чверть усіх ламп — лампи розжарення[3].

У 1923 р. було отримано перший патент на композитний матеріал на основі карбіду вольфраму. Зараз матеріали цього типу мають попит у багатьох галузях завдяки своїм фізичним властивостям. Карбід вольфраму є одним з найтвердіших відомих людству матеріалів[4].

Під час Першої, а ще більше — під час Другої світових війн, стала зрозумілою важливість вольфраму для виробництва броні й артилерії. 1944 року США наклали економічні санкції на Португалію (що була нейтральною) за продаж вольфраму у Третій Рейх[5].

Походження і розповсюдженість

ред.

Як й інші елементи, важчі заліза, вольфрам утворюється у зорях, у реакціях нуклеосинтезу, які поглинають енергію. Такі реакції відбуваються лише у досить масивних зорях (більше, ніж 8M☉) наприкінці їхнього існування. Наразі вважається, що приблизно половина вольфраму була утворена в результаті s-процесу, тобто повільного послідовного захоплення ядрами нейтронів, яке може тривати тисячі років, а друга половина — в результаті швидкого r-процесу, що відбувається за умови високої концентрації вільних нейтронів, яка є можливою під час високоенергетичних, але короткочасних процесів, таких як вибухи наднових і злиття нейтронних зір.[6]

Вольфрам мало розповсюджений в природі. Його поширеність у Всесвіті становить лише 5×10-8 %, однак вміст у земній корі на три порядки більший — 1,1×10-4 %[7], оскільки вольфрам належить до літофільних елементів, які концентруються в силікатах.

Отримання

ред.

Вольфрамові руди

ред.
Докладніше: Вольфрамові руди

Прояви самородного вольфраму є дуже рідкісними (перші знахідки описані наприкінці 1990-х років)[8]. Утворює власні мінерали. Вольфрамати (Са, Fe, Mn, іноді Pb, Zn), оксиди (WO3, H2WO4) (рідко), та сульфіди (WS2) (ще рідше). Також W входить у вигляді ізоморфної домішки в інші мінерали, переважно в мінерали Мо та Ti. Також зустрічається у деяких силікатах (слюда, польові шпати). У природних мінеральних парагенезисах W часто асоціює з Si, Мо, Sn, Be, Та, F, рідше — з Au, Sb, Hg.

Найважливішими мінералами вольфраму є вольфраміт — твердий розчин вольфраматів заліза й марганцю (Fe, Mn)WO4 (виділяють його різновиди — ферберит, у якому переважає залізо і гюбнерит, у якому переважає марганець) та шеєліт — вольфрамат кальцію CaWO4, які можуть утворюватися і нагромаджуватися до рівня промислових концентрацій у скарновому, ґрейзеновому і гідротермальному процесах. Вміст W у цих мінералах може досягати 12 %.

Усього відомо близько 15 мінералів W. Серед них:

Вміст вольфраму у промислових родовищах становить 0,3–1 % WO3.[9]

Виплавлення

ред.

Процес отримання вольфраму проходить через стадію виділення триоксиду WO3 з рудних концентратів та подальшому відновленні до металевого порошку воднем при температурі близько 700 °C. Через високу температуру плавлення вольфраму для отримання компактної форми використовують методи порошкової металургії: отриманий порошок пресують, спікають в атмосфері водню при температурі 1200–1300 °C, потім пропускають через нього електричний струм. Метал нагрівається до 3000 °C, при цьому відбувається спікання в монолітний матеріал. Для подальшої очистки та отримання монокристалічної форми використовують зонне плавлення.

Географія родовищ і видобутку

ред.

На 2018 рік, розвідані запаси вольфраму складають 3 200 000 тонн, більше половини з яких припадає на Китай. В п'ятірку країн з найбільшими запасами входять Росія (160 тис. тонн), В'єтнам (95 тис. тонн), Монголія (63 тис. тонн) та Іспанія (54 тис. тонн). 2017 року у світі було добуто близько 95 000 тонн вольфраму, з яких 79 000 було видобуто в Китаї, 7200 — у В'єтнамі, 3100 — у Росії, 1100 — у Болівії, 1100 — у Великій Британії.[10]

В Україні вольфрам наявний в межах Селищанського рудоносного поля, а також у кількох рудопроявах Східного Приазов'я, проте через низьку концентрацію видобуток наразі не є комерційно привабливим[11][12].

Ізотопи

ред.

Природний вольфрам складається з п'яти ізотопів (180W, 182W, 183W, 184W, 186W). Штучно створені та ідентифіковані є ще 27 радіонуклідів. У 2003 відкрита надзвичайно слабка радіоактивність природного вольфраму (приблизно два розпади на грам елемента за рік), зумовлена α-активністю 180W, який має період напіврозпаду 1,8×1018 років.

Застосування

ред.
 
мікрофотографія розрізу матеріалу на основі карбіду вольфраму. Світлі ділянки — сферичні частинки карбіду вольфраму
 
Частина бурильної установки з шипами, зробленими з карбіду вольфраму
 
Вольфрамовий дріт у лампі розжарювання

За даними 2010 р., понад половину усього видобутого в світі вольфраму використовують для виробництва матеріалів на основі карбіду вольфраму (таких як побідит). У Європі й США з цією метою використовують близько 70 % вольфраму[13]. До чверті вольфраму використовують для легування сталі. На третьому місці — вироби вольфрамового прокату, наприклад, нитки для ламп розжарювання та кінескопів, неплавкі електроди[en], тощо.

Карбід вольфраму

ред.
Докладніше: Карбід вольфраму

За шкалою Мооса твердість карбіду вольфраму — 9,5 (ненабагато менша за алмаз). Карбід вольфраму виготовляють, запікаючи сажу й порошок вольфраму при температурі 1100–1300 °C протягом 1–2 годин у водневому середовищі. Отриману сполуку також подрібнюють. Для зв'язності, порошок карбіду вольфраму часто заливають металом, наприклад, кобальтом[14].

Матеріали на основі карбіду вольфраму використовують для виготовлення різальних інструментів, бурових установок, свердел, кульок для кулькових ручок[15], бронебійних осердь, а також для ювелірних прикрас.

Вольфрамові сталі

ред.

Можна виділити кілька важливих класів вольфрамових сталей:

  • Швидкорізальні сталі — сталі, що містять більше 7 % вольфраму (деякі — до 18 %), молібдену або ванадію, а також більше 0,6 % вуглецю. Такі сталі використовують для виготовлення фрез, пил, тощо[16];
  • Стеліти — сталі, на основі кобальту, хрому чи заліза, що використовують для напилення на поверхні для підвищення їх зносостійкості;
  • Важкі сплави вольфраму (англ. Wolfram Heavy Alloys, WHA), такі як Mallory, Hevimet і Densalloy, що містять до 90 % W, а також Cu або нікель[17]. Використовують для виробництва гіроскопів, баласту в кораблях, антирадіаційних екранів, турбін, та в інших ситуаціях, де необхідні речовини з високою густиною[18];
  • Амалой — кислотостійкий сплав на основі вольфраму, кобальту й нікелю; його використовують для виробництва хірургічних інструментів[19];
  • Деякі з марок жаростійких та жароміцних сталей (що мають не піддаватися корозії або не втрачати міцність навіть при високих температурах) містять 2–6 % вольфраму. Такі сталі використовують для виготовлення лопаток турбін, труб[20][21];
  • Вольфрам-молібденові сталі використовують для виготовлення танкової броні[22];
  • Вольфрам стабілізує магнітні домени у залізі, тому такі сплави використовують для виробництва постійних магнітів. Прикладом магнітної вольфрамової сталі є KS сталь, що містить 30–40 % кобальту, 5–9 % W, 1,5–3 % хрому і 0,4–0,8 % C[23];

При температурі плавлення вольфраму деякі метали вже починають випаровуватись, тому для виготовлення таких сплавів застосовують методи порошкової металургії.

Інші сполуки вольфраму

ред.
  • Сульфід вольфраму WS2 використовують як високотемпературне (до 500 °C) мастило[24].
  • Деякі сполуки використовують як каталізатори[25] й пігменти.
  • WTe2 використовують для перетворення теплової енергії на електричну.
  • Сплави вольфраму з ренієм мають високу стійкість до електрокорозії, тому їх використовують для виготовлення електроконтактів, а також термопар, що можуть працювати при температурі вище 2750 °C[26][27].

Біологічна роль

ред.

Вольфрам не відіграє значної біологічної ролі. У деяких архей і бактерій є ферменти, які містять вольфрам у своєму активному центрі. Існують облігатно-залежні від вольфраму форми архей-гіпертермофілів, що живуть навколо глибоководних гідротермальних джерел. Наявність вольфраму в складі ферментів може розглядатися як фізіологічний релікт раннього архея — існують припущення, що вольфрам грав роль на ранніх етапах виникнення життя на Землі.

Див. також

ред.

Джерела

ред.
  1. ↑ а б в г д е History of Tungsten [Архівовано 13 червня 2018 у Wayback Machine.](англ.)
  2. ↑ THE HISTORY OF TUNGSTEN (WOLFRAM) [Архівовано 29 квітня 2016 у Wayback Machine.](англ.)
  3. ↑ 23 LED Lighting Industry Statistics, Trends & Analysis [Архівовано 3 листопада 2018 у Wayback Machine.](англ.)
  4. ↑ A history of fine grained hardmetal [Архівовано 12 листопада 2020 у Wayback Machine.](англ.)
  5. ↑ The Price of Neutrality: Portugal, the Wolfram Question, and World War II [Архівовано 4 листопада 2018 у Wayback Machine.](англ.)
  6. ↑ Origin of the Elements in the Solar System [Архівовано 3 листопада 2018 у Wayback Machine.](англ.)
  7. ↑ Technical data for Tungsten [Архівовано 9 листопада 2018 у Wayback Machine.](англ.)
  8. ↑ Tungsten. www.mindat.org. Процитовано 22 січня 2023.
  9. ↑ ВОЛЬФРАМ [Архівовано 4 листопада 2018 у Wayback Machine.](рос.)
  10. ↑ TUNGSTEN [Архівовано 11 січня 2019 у Wayback Machine.](англ.)
  11. ↑ Руди рідкісних металів. Архів оригіналу за 4 листопада 2018. Процитовано 3 листопада 2018.
  12. ↑ Металічні корисні копалини. Архів оригіналу за 13 грудня 2019. Процитовано 3 листопада 2018.
  13. ↑ Primary Uses of Tungsten [Архівовано 17 червня 2018 у Wayback Machine.](англ.)
  14. ↑ Tungsten (Wolfram): Properties, Production, Applications & Alloys [Архівовано 5 листопада 2018 у Wayback Machine.](англ.)
  15. ↑ tungsten carbide retractable ballpoint pens [Архівовано 5 листопада 2018 у Wayback Machine.](англ.)
  16. ↑ Tungsten Applications — Steel [Архівовано 5 листопада 2018 у Wayback Machine.](англ.)
  17. ↑ Tungsten Heavy Alloys (WHA) (PDF). Архів оригіналу (PDF) за 5 листопада 2018. Процитовано 4 листопада 2018.
  18. ↑ Tungsten Heavy Alloy [Архівовано 5 листопада 2018 у Wayback Machine.](рос.)
  19. ↑ Вольфрам образует следующие сплавы [Архівовано 5 листопада 2018 у Wayback Machine.](рос.)
  20. ↑ Сталь жаропрочная 08Х15Н24В4ТР [Архівовано 5 листопада 2018 у Wayback Machine.](рос.)
  21. ↑ Сталь жаропрочная 09Х16Н16МВ2БР [Архівовано 5 листопада 2018 у Wayback Machine.](рос.)
  22. ↑ Месторождения и история [Архівовано 5 листопада 2018 у Wayback Machine.](рос.)
  23. ↑ On K. S. Magnet Steel. Архів оригіналу за 9 серпня 2019. Процитовано 5 листопада 2018.
  24. ↑ Tungsten Disulfide (WS2) Powder [Архівовано 5 листопада 2018 у Wayback Machine.](англ.)
  25. ↑ катализаторы гидроочистки(рос.)
  26. ↑ Электроконтакты(рос.)
  27. ↑ термопара для высоких температур(рос.)

Література

ред.
  • Глосарій термінів з хімії // Й. Опейда, О. Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет. — Донецьк: Вебер, 2008. — 758 с. — ISBN 978-966-335-206-0
  • Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2004. — Т. 1 : А — К. — 640 с. — ISBN 966-7804-14-3.

Інтернет-ресурси

ред.
 
Вікісховище має мультимедійні дані за темою: Tungsten
Отримано з https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Вольфрам&oldid=43088146
  NODES
Done 1
see 1
Story 4