Вольфрам

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Вольфрам — химический элемент с атомным номером 74 в периодической системе, обозначается символом W (лат. Wolframium), твёрдый серый переходный металл. Главное применение — как основа тугоплавких материалов в металлургии. Крайне тугоплавок, при стандартных условиях химически стоек.

[править] История и происхождение названия

В 14-16 веках немецкие металлурги при выплавке олова сталкивались с тем, что в ряде случаев при прокаливании оловянной руды с углем большая часть олова оказывается в составе пенистого шлака. Позднее это было объяснено присутствием в оловянной руде SnO₂ (касситерите), примеси вольфрамита OsO₄(Fe,Mn)WO₄. Оксид вольфрама WO₃ впервые был выделен в 1781 шведским исследователем К. Шееле. Металлический вольфрам был получен через несколько лет испанскими химиками — братьями д'Элуяр.

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»).

[править] Нахождение в природе

Вольфрам мало распространён в природе, содержание в земной коре 1,3·10⁻⁴% по массе. Основные минералы — природные вольфраматы вольфрамит (Fe, Mn)WO₄ и шеелит СaWO₄, который первоначально и назывался тунгстен.

[править] Получение

Месторождения вольфрама найдены в Боливии, Китае (который обеспечивает 75% мирового производства вольфрама), Португалии, России, США и Южной Корее.

Процесс получения вольфрама проходит через стадию 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.

[править] Физические свойства

Вольфрам — светло-серый металл.

Некоторые физические свойства приведены в таблице (см. выше).

[править] Химические свойства

В атмосфере сухого воздуха вольфрам устойчив до 400°C, при дальнейшем нагревании образуется оксид WO₃.

При комнатной температуре реагирует только со фтором. Взаимодействуя со фтором при 300-400°C, вольфрам образует WF₆.

Существуют также образующиеся при нагревании высшие хлорид (WCl₆) и бромид (WBr₆) вольфрама.

Получены устойчивые галогениды WHal₅. Устойчивые иодиды в степенях окисления +5 и +6 не получены.

Оксигалогениды WOHal₄ (Hal = F, Cl, Br) получают взаимодействием вольфрама с галогеном при нагревании в присутствии паров воды:

W + H₂O + 3Cl₂ → WOCl₄ + 2HCl.

При взаимодействии вольфрама с пара́ми серы или с сероводородом H₂S при температуре 400°C образуется дисульфид WS₂, так же получают диселенид WSe₂. Нагревая вольфрам в присутствии азота при температуре 1400-1500°C, получают нитрид вольфрама WN₂. Синтезированы карбид вольфрама WC и существующий только при высоких температурах карбид W₂C, дисилицид WSi₂ и пентаборид вольфрама W₂B₅.

Вольфрам не реагирует с минеральными кислотами. Для перевода его в раствор используют смесь азотной HNO₃ и плавиковой HF кислот или электрохимические процессы.

Оксид вольфрама WO₃ обладает кислотными свойствами. Ему отвечает слабая нерастворимая вольфрамовая кислота, WO₃·H₂O (H₂WO₄). Её соли — вольфраматы (Na₂WO₄, CaWO₄, CdWO₄). Известны высокомолекулярные поливольфраматы (изополивольфраматы, гетерополивольфраматы), анионы которых содержат связанные между собой группировки WO₃.

[править] Применение

[править] Металлический вольфрам

• Тугоплавкость и пластичность вольфрама делают его незаменимым для нитей накаливания в осветительных приборах, а также в кинескопах и других вакуумных трубках.
• Благодаря высокой плотности вольфрам используется для противовесов, артиллерийских снарядов, пуль и сверхскоростных роторов гироскопов для стабилизации полёта баллистических ракет (до 180 тыс. об/мин). Соединения вольфрама применяются как катализаторы и пигменты. Монокристаллы вольфраматов используются как сцинтилляционные детекторы рентгеновского излучения и других ионизирующих излучений в ядерной физике и ядерной медицине. Дителлурид вольфрама WTe₂ применяется для преобразования тепловой энергии в электрическую (термо-ЭДС около 57 мкВ/К).
• Вольфрам используют в качестве электродов для аргоно-дуговой сварки.

[править] Соединения вольфрама

• Для механической обработки металлов и неметаллических конструкционных материалов в машиностроении (точение, фрезерование, строгание, долбление), бурения скважин, в горнодобывающей промышленности широко используются твёрдые сплавы и композитные материалы на основе карбида вольфрама (например, победит, состоящий из кристаллов WC в кобальтовой матрице; широко применяемые в России марки — ВК2, ВК4, ВК6, ВК8, ВК15, ВК25, Т5К10, Т15К6, Т30К4), а также смесей карбида вольфрама, карбида титана, карбида тантала (марки ТТ для особо тяжёлых условий обработки, например, долбление и строгание поковок из жаропрочных сталей и перфораторное ударно-поворотное бурение крепкого материала).

• Сульфид вольфрама WS₂ применяется как высокотемпературная (до 500 °C) смазка.

• Трехокись вольфрама находит применение для производства твердого электролита высокотемпературных топливных элементов.

[править] Другие сферы применения

Искусственный радиоизотоп ¹⁸⁵W используется в качестве радиоактивной метки при исследованиях вещества. Стабильный ¹⁸⁴W применяется 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).

[править] Рынок вольфрама

Цены на металлический вольфрам в штабиках чистотой 99% в 2006 году составили в среднем 45—50 долларов США за килограмм.

[править] Биологическая роль

Вольфрам не играет биологической роли. Пыль вольфрама, как и большинство металлических пылей, раздражает органы дыхания.

[править] Изотопы

Природный вольфрам состоит из пяти изотопов (¹⁸⁰W, ¹⁸²W, ¹⁸³W, ¹⁸⁴W и ¹⁸⁶W). Искусственно созданы и идентифицированы ещё 27 радиоизотопов. В 2003 открыта чрезвычайно слабая радиоактивность природного вольфрама (примерно два распада на грамм элемента в год), обусловленная α-активностью ¹⁸⁰W, имеющего период полураспада 1,8×10¹⁸ лет.

[править] Ссылки

• Вольфрам на Webelements
• История, получение, сплавы вольфрама
• Вольфрам в Популярной библиотеке химических элементов