Вольфрам - Tungsten
Вольфрам | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Произношение |
/ Т ʌ ŋ ы т ən / ( TUNG -stən ) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
альтернативное имя | вольфрам, выраженный: / ш ʊ л ф г əm / ( WUUL -frəm ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Появление | серовато-белый, блестящий | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Стандартный атомный вес A r, std (Вт) | 183,84 (1) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Вольфрам в периодической таблице | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Атомный номер ( Z ) | 74 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Группа | группа 6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Период | период 6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Блокировать | d-блок | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Электронная конфигурация | [ Xe ] 4f 14 5d 4 6s 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Электронов на оболочку | 2, 8, 18, 32, 12, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Физические свойства | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Фаза на СТП | твердый | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Температура плавления | 3695 К (3422 ° С, 6192 ° F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Точка кипения | 6203 К (5930 ° С, 10706 ° F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Плотность (около rt ) | 19,3 г / см 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
в жидком состоянии (при т. пл. ) | 17,6 г / см 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Теплота плавления | 52,31 кДж / моль | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Теплота испарения | 774 кДж / моль | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Молярная теплоемкость | 24,27 Дж / (моль · К) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Давление газа
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Атомные свойства | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Состояния окисления | −4, −2, −1, 0, +1, +2, +3, +4 , +5, +6 ( слабокислый оксид) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Электроотрицательность | Шкала Полинга: 2,36 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Энергии ионизации | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Радиус атома | эмпирический: 139 пм | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ковалентный радиус | 162 ± 19 часов | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Спектральные линии вольфрама | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Прочие свойства | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Естественное явление | изначальный | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Кристальная структура | объемно-центрированной кубической (ОЦК) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Скорость звука тонкого стержня | 4620 м / с (при комнатной температуре ) (отожженный) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Тепловое расширение | 4,5 мкм / (м⋅K) (при 25 ° C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Теплопроводность | 173 Вт / (м⋅K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Удельное электрическое сопротивление | 52,8 нОм⋅м (при 20 ° C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Магнитный заказ | парамагнитный | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Молярная магнитная восприимчивость | +59,0 × 10 −6 см 3 / моль (298 К) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Модуль для младших | 411 ГПа | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Модуль сдвига | 161 ГПа | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Объемный модуль | 310 ГПа | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
коэффициент Пуассона | 0,28 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Твердость по шкале Мооса | 7,5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Твердость по Виккерсу | 3430–4600 МПа | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Твердость по Бринеллю | 2000–4000 МПа | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Количество CAS | 7440-33-7 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
История | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Открытие и первая изоляция | Хуан Хосе Эльхуяр и Фаусто Эльхуяр (1783) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Названный | Торберн Бергман (1781) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Условное обозначение | "W": от Wolfram , происходящего от средневерхненемецкого wolf-rahm 'волчья пена', обозначающая минерал вольфрамит. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Основные изотопы вольфрама | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Вольфрам , или вольфрам , представляет собой химический элемент с символом W и атомным номером 74. Вольфрам - редкий металл, который в природе встречается на Земле почти исключительно в виде соединений с другими элементами. Он был идентифицирован как новый элемент в 1781 году и впервые выделен как металл в 1783 году. Его важные руды включают шеелит и вольфрамит , последний дает элементу его альтернативное название.
Свободный элемент отличается своей прочностью, особенно в том , что она имеет самую высокую температуру плавления всех элементов , обнаруженных за исключением углерода (который сублимируется при нормальном давлении), с температурой плавления 3422 ° C (6,192 ° F; 3695 К). Он также имеет самую высокую температуру кипения - 5930 ° C (10,710 ° F; 6200 K). Его плотность составляет 19,25 грамма на кубический сантиметр, что сравнимо с плотностью урана и золота и намного выше (примерно в 1,7 раза), чем у свинца . Поликристаллический вольфрам - это по своей природе хрупкий и твердый материал (в стандартных условиях, когда он не используется в сочетании), что затрудняет работу . Однако чистый монокристаллический вольфрам более пластичен и его можно разрезать ножовкой из твердой стали .
Вольфрам встречается во многих сплавах, которые имеют множество применений, включая нити накаливания ламп накаливания, рентгеновские трубки , электроды при дуговой сварке газом вольфрамом , суперсплавы и радиационную защиту . Твердость и высокая плотность вольфрама делают его пригодным для использования в военных целях при использовании проникающих снарядов . Соединения вольфрама часто используются в качестве промышленных катализаторов .
Вольфрам - единственный металл в третьей переходной серии, который, как известно, встречается в биомолекулах , обнаруживается у некоторых видов бактерий и архей . Однако вольфрам мешает метаболизму молибдена и меди и в некоторой степени токсичен для большинства форм жизни животных.
Характеристики
Физические свойства
В сыром виде, вольфрам является твердой сталью-серого металл , который часто хрупкий и трудно работы . Если сделать вольфрам очень чистым, он сохраняет свою твердость (которая превышает твердость многих сталей) и становится достаточно пластичным , чтобы с ним можно было легко обрабатывать. Его обрабатывают ковкой , вытяжкой или экструзией, но чаще всего его получают спеканием .
Из всех металлов в чистом виде вольфрам имеет самую высокую температуру плавления (3422 ° C, 6192 ° F), самое низкое давление пара (при температурах выше 1650 ° C, 3000 ° F) и самый высокий предел прочности на разрыв . Хотя углерод остается твердым при более высоких температурах, чем вольфрам, углерод сублимируется при атмосферном давлении, а не плавится, поэтому у него нет температуры плавления. Вольфрам имеет самый низкий коэффициент теплового расширения среди всех чистых металлов. Низкое тепловое расширение, высокая температура плавления и прочность на разрыв вольфрама обусловлены прочными металлическими связями, образованными между атомами вольфрама с помощью 5d-электронов. Легирование небольшого количества вольфрама с стал значительно повышает его прочность .
Вольфрам существует в двух основных кристаллических формах: α и β. Первый имеет объемно-центрированную кубическую структуру и является более стабильной формой. Структура β-фазы называется кубической A15 ; он метастабилен , но может сосуществовать с α-фазой в условиях окружающей среды из-за неравновесного синтеза или стабилизации примесями. В отличие от α-фазы, которая кристаллизуется в изометричных зернах, β-форма имеет столбчатый габитус . Α-фаза имеет одну треть удельного электрического сопротивления и гораздо более низкую температуру сверхпроводящего перехода T C по сравнению с β-фазой: прибл. 0,015 К против 1–4 К; смешивание двух фаз позволяет получить промежуточные значения T C. Значение T C также может быть увеличено путем легирования вольфрама другим металлом (например, 7,9 K для W- Tc ). Такие вольфрамовые сплавы иногда используются в цепях низкотемпературных сверхпроводников.
Изотопы
Встречающийся в природе вольфрам состоит из четырех стабильных изотопов ( 182 Вт, 183 Вт, 184 Вт и 186 Вт) и одного очень долгоживущего радиоизотопа, 180 Вт. Теоретически все пять могут распадаться на изотопы 72-го элемента ( гафния ) посредством альфа-излучения. , но только 180 Вт с периодом полураспада(1,8 ± 0,2) × 10 18 лет; в среднем это дает около двух альфа-распадов по 180 Вт на грамм природного вольфрама в год. Распад других изотопов естественного происхождения не наблюдался, поэтому период их полураспада составляет не менее 4 × 10 21 года.
Были охарактеризованы еще 30 искусственных радиоизотопов вольфрама, наиболее стабильными из которых являются 181 Вт с периодом полураспада 121,2 дня, 185 Вт с периодом полураспада 75,1 дня, 188 Вт с периодом полураспада 69,4 дня, 178 W с периодом полураспада 21,6 дня и 187 Вт с периодом полураспада 23,72 часа. Все оставшиеся радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее 3 часов, а у большинства из них период полураспада менее 8 минут. Вольфрам также имеет 11 мета-состояний , наиболее стабильным из которых является 179 мВт ( t 1/2 6,4 минуты).
Химические свойства
Вольфрам в основном нереактивный элемент: он не реагирует с водой, невосприимчив к воздействию большинства кислот и оснований и не реагирует с кислородом или воздухом при комнатной температуре. При повышенных температурах (например, когда он раскален докрасна) он реагирует с кислородом с образованием триоксидного соединения вольфрама (VI), WO 3 . Однако он будет реагировать непосредственно с фтором (F 2 ) при комнатной температуре с образованием фторида вольфрама (VI) (WF 6 ), бесцветного газа. При температуре около 250 ° C он будет реагировать с хлором или бромом, а при определенных высоких температурах - с йодом. Мелкодисперсный вольфрам пирофорен .
Наиболее распространенная формальная степень окисления вольфрама +6, но он проявляет все степени окисления от -2 до +6. Вольфрам обычно соединяется с кислородом с образованием желтого оксида вольфрама , WO 3 , который растворяется в водных щелочных растворах с образованием ионов вольфрама, WO.2-
4.
Карбиды вольфрама (W 2 C и WC) получают нагреванием порошкового вольфрама с углеродом . W 2 C устойчив к химическому воздействию, хотя сильно реагирует с хлором с образованием гексахлорида вольфрама (WCl 6 ).
В водном растворе вольфрамат дает гетерополикислоты и анионы полиоксометаллата в нейтральных и кислых условиях. Как вольфрамата постепенно обрабатывают кислотой, он сначала дает растворимый, метастабильное «паравольфрамат А» анион , W
7О6-
24, который со временем превращается в менее растворимый анион паравольфрамата B, H
2W
12О10-
42. Дальнейшее подкисление дает очень растворимый метавольфрамат-анион, H
2W
12О6-
40, после чего достигается равновесие. Ион метавольфрамата существует как симметричный кластер из двенадцати вольфрамово- кислородных октаэдров, известный как анион Кеггина . Многие другие анионы полиоксометаллата существуют в виде метастабильных частиц. Включение другого атома, такого как фосфор, вместо двух центральных атомов водорода в метавольфрамат дает широкий спектр гетерополикислот, таких как фосфорновольфрамовая кислота H 3 PW 12 O 40 .
Триоксид вольфрама может образовывать интеркаляционные соединения с щелочными металлами. Они известны как бронза ; пример - натриевая вольфрамовая бронза .
История
В 1781 году Карл Вильгельм Шееле обнаружил, что новую кислоту , вольфрамовую кислоту , можно получить из шеелита (в то время вольфрама). Шееле и Торберн Бергман предположили, что можно получить новый металл, восстановив эту кислоту. В 1783 году Хосе и Фаусто Эльхуяр обнаружили кислоту, сделанную из вольфрамита, которая была идентична вольфрамовой кислоте. Позже в том же году в Королевском баскском обществе в городе Бергара , Испания, братьям удалось выделить вольфрам путем восстановления этой кислоты древесным углем , и им приписывают открытие этого элемента (они назвали его «вольфрам» или «вольфрам»). вольфрам ").
Стратегическая ценность вольфрама стала заметна в начале 20 века. В 1912 году британские власти предприняли действия по освобождению шахты Каррок от принадлежащей немцам компании Cumbrian Mining Company, а во время Первой мировой войны ограничили доступ Германии в другие места. Во время Второй мировой войны вольфрам играл более важную роль в политических сделках. Португалия, как главный европейский источник этого элемента, находилась под давлением с обеих сторон из-за ее залежей вольфрамитовой руды в Панаскейре . Желательные свойства вольфрама, такие как устойчивость к высоким температурам, его твердость и плотность, а также упрочнение сплавов, сделали его важным сырьем для оружейной промышленности, как составной частью оружия и оборудования, так и используемым в самом производстве, например, в карбиде вольфрама. режущие инструменты для обработки стали. Теперь вольфрам используется во многих других областях, таких как балластные грузы для самолетов и автоспорта, дротики, антивибрационные инструменты и спортивное оборудование.
Этимология
Название «вольфрам» (что на шведском означает «тяжелый камень» ) используется в качестве названия элемента на английском, французском и многих других языках, но не в странах Северной Европы . «Вольфрам» - это старое шведское название минерала шеелита . «Вольфрам» (или «Вольфрам») используется в большинстве европейский (особенно германский, испанские и славянский) языков и выводится из минерального вольфрамита , которая является источником химического символа W . Название «вольфрамит» происходит от немецкого « wolf rahm » («волчья сажа» или «волчий крем»), названия, данного вольфраму Йоханом Готтшалком Валлериусом в 1747 году. Это, в свою очередь, происходит от латинского « lupi spuma », имя Георг Агрикола, использованное для элемента в 1546 году, что переводится на английский как «волчья пена» и является ссылкой на большое количество олова, потребляемого минералом во время его добычи, как если бы он пожирал его, как волк.
Вхождение
Вольфрам встречается в основном в минералах вольфрамите ( железо - марганец вольфрамат (Fe, Mn) WO
4, который представляет собой твердый раствор двух минералов - ферберита FeWO 4 и хюбнерита MnWO 4 ) и шеелита ( вольфрамат кальция (CaWO 4 ). Другие минералы вольфрама варьируются по своему уровню от умеренного до очень редкого и почти не имеют экономической ценности. .
Химические соединения
Вольфрам образует химические соединения в степенях окисления от -II до VI. Более высокие степени окисления, всегда в виде оксидов, имеют отношение к его наземному происхождению и его биологической роли, степени окисления среднего уровня часто связаны с металлическими кластерами , а очень низкие состояния окисления обычно связаны с комплексами CO . Химический состав вольфрама и молибдена сильно похож друг на друга, а также отличается от их более легкого родственного хрома . Относительная редкость вольфрама (III), например, контрастирует с распространенностью соединений хрома (III). Наивысшая степень окисления наблюдается у оксида вольфрама (VI) (WO 3 ). Оксид вольфрама (VI) растворим в водной основе , образуя вольфрамат (WO 4 2- ). Этот оксианион конденсируется при более низких значениях pH , образуя полиоксавольфраматы .
Широкий диапазон степеней окисления вольфрама отражается в его различных хлоридах:
- Хлорид вольфрама (II) , который существует в виде гексамера W 6 Cl 12
- Хлорид вольфрама (III) , который существует в виде гексамера W 6 Cl 18
- Хлорид вольфрама (IV) , WCl 4 , твердое вещество черного цвета , имеющее полимерную структуру.
- Хлорид вольфрама (V) WCl 5 , твердое вещество черного цвета, имеющее димерную структуру.
- Хлорид вольфрама (VI) WCl 6 , что контрастирует с нестабильностью MoCl 6 .
Вольфраморганические соединения многочисленны и также охватывают диапазон степеней окисления. Известные примеры включают тригонально-призматический W (CH
3)
6и октаэдрический W (CO)
6.
Производство
Мировые запасы вольфрама составляют 3 200 000 тонн; в основном они расположены в Китае (1 800 000 т), Канаде (290 000 т), России (160 000 т), Вьетнаме (95 000 т) и Боливии. По состоянию на 2017 год ведущими поставщиками являются Китай, Вьетнам и Россия с 79 000, 7 200 и 3100 тоннами соответственно. Канада прекратила добычу в конце 2015 года из-за закрытия своего единственного вольфрамового рудника. Между тем, Вьетнам значительно увеличил объемы добычи в 2010-х годах благодаря значительной оптимизации внутренних операций по переработке и обогнал Россию и Боливию.
Китай остается мировым лидером не только по производству, но и по экспорту и потреблению вольфрамовой продукции. Производство вольфрама за пределами Китая постепенно увеличивается из-за растущего спроса. Между тем его поставки из Китая строго регулируются правительством Китая, которое борется с незаконной добычей полезных ископаемых и чрезмерным загрязнением, возникающим в результате процессов добычи и переработки.
Вольфрам считается конфликтным минералом из-за неэтичной практики добычи, наблюдаемой в Демократической Республике Конго .
На окраине Дартмура в Соединенном Королевстве есть большое месторождение вольфрамовой руды , которое во время Первой и Второй мировых войн эксплуатировалось как рудник Хемердон . После повышения цен на вольфрам этот рудник был возобновлен в 2014 году, но прекратил деятельность в 2018 году.
Вольфрам извлекается из руд в несколько этапов. В конечном итоге руда превращается в оксид вольфрама (VI) (WO 3 ), который нагревают водородом или углеродом для получения порошкового вольфрама. Из-за высокой температуры плавления вольфрама коммерчески нецелесообразно лить вольфрамовые слитки . Вместо этого порошковый вольфрам смешивают с небольшими количествами порошкового никеля или других металлов и спекают . В процессе спекания никель диффундирует в вольфрам, образуя сплав.
Вольфрам также можно извлечь восстановлением WF 6 водородом :
- WF 6 + 3 H 2 → W + 6 ВЧ
или пиролитическое разложение :
- WF 6 → W + 3 F 2 ( Δ H r = +)
Вольфрам не торгуется как фьючерсный контракт, и его нельзя отслеживать на таких биржах, как Лондонская биржа металлов . Вольфрамовая промышленность часто использует независимые справочные сведения о ценах, такие как Argus Media или Metal Bulletin, в качестве основы для контрактов. Цены обычно указаны за вольфрамовый концентрат или WO 3 .
Приложения
Примерно половина вольфрама расходуется на производство твердых материалов, а именно карбида вольфрама, а остальная часть в основном используется в сплавах и сталях. Менее 10% используется в других химических соединениях . Из-за высокой температуры вязко-хрупкого перехода вольфрама его продукты обычно производятся с помощью порошковой металлургии , искрового плазменного спекания , химического осаждения из паровой фазы , горячего изостатического прессования и термопластов . Более гибкой производственной альтернативой является выборочная лазерная плавка , которая является формой 3D-печати и позволяет создавать сложные трехмерные формы.
Промышленные
Вольфрам в основном используется в производстве твердых материалов на основе карбида вольфрама (WC), одного из самых твердых карбидов . WC - эффективный проводник электричества , но W 2 C менее эффективен. WC используется для изготовления износостойких абразивов и твердосплавных режущих инструментов, таких как ножи, сверла, дисковые пилы , матрицы , фрезерные и токарные инструменты, используемые в металлообрабатывающей, деревообрабатывающей, горнодобывающей , нефтяной и строительной отраслях. Карбидная оснастка на самом деле представляет собой композит керамика / металл, в котором металлический кобальт действует как связующий (матричный) материал, удерживающий частицы WC на месте. На этот вид промышленного использования приходится около 60% текущего потребления вольфрама.
Ювелирных изделий промышленности составляет кольца из спеченного карбида вольфрама , карбида вольфрама / металлических композиционных материалов , а также металлического вольфрама. В композитных кольцах WC / металл в качестве металлической матрицы используется никель вместо кобальта, поскольку он приобретает более высокий блеск при полировке. Иногда производители или продавцы называют карбид вольфрама металлом, но это керамика . Из-за твердости карбида вольфрама кольца из этого материала чрезвычайно устойчивы к истиранию и сохраняют полированную поверхность дольше, чем кольца из металлического вольфрама. Однако кольца из карбида вольфрама хрупкие и могут треснуть при резком ударе.
Сплавы
Твердость и жаропрочность вольфрама могут способствовать созданию полезных сплавов . Хорошим примером является быстрорежущая сталь , которая может содержать до 18% вольфрама. Высокая температура плавления вольфрама делает вольфрам хорошим материалом для таких применений, как сопла ракет , например, в баллистической ракете UGM-27 Polaris, запускаемой с подводных лодок . Вольфрамовые сплавы используются в широком диапазоне применений, включая аэрокосмическую и автомобильную промышленность, а также защиту от радиации. Суперсплавы, содержащие вольфрам, такие как Hastelloy и Stellite , используются в лопатках турбин, а также в износостойких деталях и покрытиях.
Термостойкость вольфрама делает его полезным при дуговой сварке в сочетании с другим металлом с высокой проводимостью, таким как серебро или медь. Серебро или медь обеспечивают необходимую проводимость, а вольфрам позволяет сварочному стержню выдерживать высокие температуры среды дуговой сварки.
Постоянные магниты
Закаленная (мартенситная) вольфрамовая сталь (приблизительно от 5,5% до 7,0% W с 0,5% до 0,7% C) использовалась для изготовления твердых постоянных магнитов из-за ее высокой остаточной намагниченности и коэрцитивной силы , как отмечал Джон Хопкинсон (1849–1898): еще в 1886 году. Магнитные свойства металла или сплава очень чувствительны к микроструктуре. Например, хотя элемент вольфрам не является ферромагнитным (а железо ), когда он присутствует в стали в этих пропорциях, он стабилизирует мартенситную фазу, которая имеет больший ферромагнетизм, чем ферритная (железная) фаза из-за ее большей устойчивости к магнитному полю. движение доменной стенки .
Военный
Вольфрам, обычно легированный никелем , железом или кобальтом для образования тяжелых сплавов, используется в пенетраторах с кинетической энергией в качестве альтернативы обедненному урану в приложениях, где радиоактивность урана проблематична даже в обедненной форме или где дополнительные пирофорные свойства урана нежелательны. (например, в обычном стрелковом оружии пули предназначены для пробивания бронежилетов). Точно так же вольфрамовые сплавы также использовались в снарядах , гранатах и ракетах для создания сверхзвуковой шрапнели. Германия использовала вольфрам во время Второй мировой войны , чтобы произвести снаряды для противотанковой пушки конструкции с использованием Герлихами отжимают расточки принципа для достижения очень высокая начальная скорости и проникновения усиленной броней из сравнительно небольшого калибра и легкой вес полевой артиллерии. Оружие было очень эффективным, но нехватка вольфрама, используемого в сердечнике снаряда, отчасти вызванная Вольфрамовым кризисом , ограничивала его использование.
Вольфрам также использовался в плотных инертных металлических взрывчатых веществах , которые используют его в виде плотного порошка для уменьшения побочного ущерба и увеличения летальности взрывчатых веществ в небольшом радиусе.
Химические приложения
Сульфид вольфрама (IV) представляет собой высокотемпературную смазку и является компонентом катализаторов гидрообессеривания . MoS 2 чаще используется для таких приложений.
Оксиды вольфрама используются в керамической глазури, а вольфраматы кальция / магния широко используются в люминесцентном освещении . Кристаллические вольфраматы используются в качестве сцинтилляционных детекторов в ядерной физике и ядерной медицине . Другие соли, содержащие вольфрам, используются в химической и кожевенной промышленности. Оксид вольфрама (WO 3 ) входит в состав катализаторов селективного каталитического восстановления (SCR), используемых на угольных электростанциях. Эти катализаторы превращают оксиды азота ( NO x ) в азот (N 2 ) и воду (H 2 O) с использованием аммиака (NH 3 ). Оксид вольфрама способствует повышению физической прочности катализатора и продлевает срок его службы. Вольфрамсодержащие катализаторы перспективны для реакций эпоксидирования, окисления и гидрогенолиза. Гетерополикислоты вольфрама являются ключевым компонентом многофункциональных катализаторов. Вольфраматы могут использоваться как фотокатализатор, а сульфид вольфрама - как электрокатализатор.
Ниша использует
Применения, требующие его высокой плотности, включают веса, противовесы , балластные кили для яхт, хвостовой балласт для коммерческих самолетов, гири винта для гражданских и военных вертолетов, а также в качестве балласта в гоночных автомобилях для NASCAR и Formula One . Плотность вольфрама чуть меньше, чем в два раза, поэтому он рассматривается как альтернатива (хотя и более дорогая) свинцовым грузилам . Для этих целей также используется обедненный уран из-за столь же высокой плотности. Семьдесят пять килограммовых блоков вольфрама использовались в качестве «крейсерских устройств балансировки массы» на входной части космического корабля Марсианской научной лаборатории 2012 года . Это идеальный материал для использования в качестве тележки для клепки , когда масса, необходимая для хороших результатов, может быть достигнута в компактном стержне. Сплавы вольфрама с высокой плотностью с никелем, медью или железом используются в высококачественных дротиках (для уменьшения диаметра и, следовательно, более плотных группировок) или для искусственных мушек (вольфрамовые шарики позволяют мухе быстро тонуть). Вольфрам также используется в качестве тяжелого болта для снижения скорострельности пистолета-пулемета SWD M11 / 9 с 1300 до 700 об / мин. Вольфрам недавно нашел применение в соплах для 3D-печати ; высокая износостойкость и теплопроводность карбида вольфрама улучшает печать абразивных волокон. Некоторые струны C для виолончели намотаны вольфрамом. Дополнительная плотность придает этой струне большую проекцию, и часто виолончелисты покупают именно эту струну и используют ее с тремя струнами из другого набора. Вольфрам используется в качестве поглотителя в электронном телескопе системы космических лучей двух космических кораблей «Вояджер» .
Замена золота
Его плотность, аналогичная плотности золота, позволяет использовать вольфрам в ювелирных изделиях в качестве альтернативы золоту или платине . Металлический вольфрам гипоаллергенен и тверже золотых сплавов (хотя и не так тверд, как карбид вольфрама), что делает его полезным для колец , устойчивых к царапинам, особенно в конструкциях с матовой отделкой .
Поскольку плотность настолько же, из золота (вольфрам составляет весь 0,36% менее плотное), и его цена составляет порядка одной тысячной, вольфрам , также может быть использована в подделке из золотых слитков , такие как плакирование бара вольфрама с золото, которое наблюдается с 1980-х годов, или взятие существующего золотого слитка, сверление отверстий и замена удаленного золота вольфрамовыми стержнями. Плотности не совсем одинаковы, а другие свойства золота и вольфрама различаются, но позолоченный вольфрам пройдет поверхностные испытания.
Позолоченный вольфрам коммерчески доступен из Китая (основной источник вольфрама) как в ювелирных изделиях, так и в виде слитков.
Электроника
Поскольку он сохраняет свою прочность при высоких температурах и имеет высокую температуру плавления , элементарный вольфрам используется во многих высокотемпературных приложениях, таких как лампы накаливания , электронно-лучевые трубки и нити вакуумных трубок , нагревательные элементы и сопла ракетных двигателей . Его высокая температура плавления также делает вольфрам пригодным для использования в аэрокосмической и высокотемпературной областях, таких как электричество, нагрев и сварка, особенно в процессе дуговой сварки вольфрамовым электродом (также называемой сваркой вольфрамовым инертным газом (TIG)).
Из-за своих проводящих свойств и относительной химической инертности вольфрам также используется в электродах и в наконечниках эмиттеров в электронно-лучевых приборах, в которых используются автоэмиссионные пушки , такие как электронные микроскопы . В электронике вольфрам используется в качестве соединительного материала в интегральных схемах между диэлектрическим материалом из диоксида кремния и транзисторами. Он используется в металлических пленках, которые заменяют проводку, используемую в обычной электронике, с покрытием из вольфрама (или молибдена ) на кремнии .
Электронная структура вольфрама делает его одним из основных источников для рентгеновских мишеней, а также для защиты от излучения высокой энергии (например, в радиофармацевтической промышленности для защиты радиоактивных образцов ФДГ ). Он также используется при получении гамма-изображений в качестве материала, из которого сделаны кодированные апертуры, благодаря его превосходным экранирующим свойствам. Вольфрамовый порошок используется в качестве наполнителя в пластиковых композитах, которые используются в качестве нетоксичного заменителя свинца в пулях , дроби и радиационных щитах. Поскольку тепловое расширение этого элемента аналогично боросиликатному стеклу , он используется для изготовления уплотнений стекло-металл. В дополнение к высокой температуре плавления, когда вольфрам легирован калием, это приводит к повышенной стабильности формы (по сравнению с нелегированным вольфрамом). Это гарантирует, что нить не провиснет и не произойдет нежелательных изменений.
Нанопроволоки
С помощью процессов нанообработки сверху вниз с 2002 года производятся и исследуются вольфрамовые нанопроволоки . Из-за особенно высокого отношения поверхности к объему, образования поверхностного оксидного слоя и монокристаллической природы такого материала механические свойства существенно отличаются от механических свойств. объемного вольфрама. Такие вольфрамовые нанопроволоки имеют потенциальное применение в наноэлектронике и, что важно, в качестве датчиков pH и газовых сенсоров. Подобно кремниевым нанопроволокам , вольфрамовые нанопроволоки часто получают из объемного предшественника вольфрама, за которым следует стадия термического окисления для контроля морфологии с точки зрения длины и соотношения сторон. Используя модель Дила-Гроува , можно предсказать кинетику окисления нанопроволок, полученных с помощью такой термической обработки окислением.
Сила термоядерного синтеза
Благодаря высокой температуре плавления и хорошей стойкости к эрозии вольфрам является ведущим кандидатом для наиболее открытых участков обращенной к плазме внутренней стенки термоядерных реакторов . Он будет использоваться в качестве плазмообразующего облицовочного материала из дивертора в ITER реакторе, и в настоящее время используется в JET испытательного реактора.
Биологическая роль
Вольфрам с атомным номером Z = 74 является самым тяжелым элементом, который, как известно, обладает биологической функциональностью. Он используется некоторыми бактериями и археями , но не эукариотами . Например, ферменты, называемые оксидоредуктазами, используют вольфрам аналогично молибдену , используя его в комплексе вольфрам- птерин с молибдоптерином (молибдоптерин, несмотря на свое название, не содержит молибдена, но может образовывать комплекс с молибденом или вольфрамом, используемым живыми организмами). Ферменты, использующие вольфрам, обычно восстанавливают карбоновые кислоты до альдегидов. Оксидоредуктазы вольфрама также могут катализировать окисление. Первый обнаруженный фермент, требующий вольфрама, также требует селен, и в этом случае пара вольфрам-селен может функционировать аналогично паре молибден-сера некоторых ферментов, требующих молибдоптерина. Известно, что один из ферментов семейства оксидоредуктаз, в котором иногда используется вольфрам (бактериальная формиатдегидрогеназа H), использует селен-молибденовый вариант молибдоптерина. Ацетиленгидратаза - необычный металлофермент, поскольку он катализирует реакцию гидратации. Было предложено два механизма реакции, в одном из которых существует прямое взаимодействие между атомом вольфрама и тройной связью C≡C. Хотя было обнаружено, что вольфрамсодержащая ксантиндегидрогеназа из бактерий содержит вольфрам-молидоптерин, а также селен, не связанный с белками, комплекс вольфрам-селен-молибдоптерин окончательно не описан.
В почве металлический вольфрам окисляется до аниона вольфрама . Он может селективно или неизбирательно импортироваться некоторыми прокариотическими организмами и может заменять молибдат в некоторых ферментах . Его влияние на действие этих ферментов в одних случаях тормозящее, а в других - положительное. Химический состав почвы определяет способ полимеризации вольфрама; щелочные почвы вызывают появление мономерных вольфраматов; кислые почвы вызывают полимерные вольфраматы.
Вольфрамат натрия и свинец были изучены на предмет их воздействия на дождевых червей . Было обнаружено, что свинец является смертельным при низких концентрациях, а вольфрамат натрия гораздо менее токсичен, но вольфрамат полностью подавляет их репродуктивную способность .
Вольфрам был изучен как биологический антагонист метаболизма меди , и его роль аналогична действию молибдена. Было обнаружено, что соли тетратиовольфрамата могут быть использованы в качестве биологических химикатов хелатирования меди , подобных тетратиомолибдатам .
В архее
Вольфрам необходим для некоторых архей. Известны следующие ферменты, использующие вольфрам:
- Альдегид ферредоксин оксидоредуктаза (AOR) в штамме Thermococcus ES-1
- Формальдегид ферредоксин оксидоредуктаза (FOR) в Thermococcus litoralis
- Глицеральдегид-3- фосфатферредоксин оксидоредуктаза (GAPOR) у Pyrococcus furiosus
Известно, что система wtp избирательно переносит вольфрам в архее:
- WtpA - вольфрам-связывающий белок семейства транспортеров ABC.
- WptB - это пермеаза
- WtpC - это АТФаза
Факторы здоровья
Поскольку вольфрам - редкий металл, а его соединения обычно инертны, влияние вольфрама на окружающую среду ограничено. Считается, что содержание вольфрама в земной коре составляет около 1,5 частей на миллион. Это один из самых редких элементов.
Сначала считалось, что это относительно инертный и лишь слегка токсичный металл, но начиная с 2000 года вольфрамовые сплавы, его пыль и твердые частицы могут вызывать рак и некоторые другие неблагоприятные эффекты как у животных, так и у людей. выделено из экспериментов in vitro и in vivo. Средняя летальная доза ЛД 50 сильно зависит от животного и способа введения и составляет от 59 мг / кг (внутривенно, кроликов) и 5000 мг / кг (металлического вольфрама порошок, внутрибрюшинные , крысы).
Люди могут подвергаться воздействию вольфрама на рабочем месте, вдыхая его, глотая, контактируя с кожей и глазами. Национальный институт профессиональной безопасности и здоровья (NIOSH) установила предел рекомендуемой экспозиции (REL) от 5 мг / м 3 в течение 8-часового рабочего дня и краткосрочного предела 10 мг / м 3 .
Патентная претензия
Среди элементов вольфрам уникален тем, что он был предметом патентных разбирательств. В 1928 году суд США отклонил попытку General Electric запатентовать его, отменив патент США 1082,933, выданный в 1913 году Уильяму Д. Кулиджу .
Смотрите также
- Автоэмиссионная пушка
- Оксид вольфрама
- Список этимологий названий химических элементов
- Список химических элементов, называющих споры
использованная литература
внешние ссылки
- Свойства, фотографии, история, паспорт безопасности
- CDC - Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям
- Вольфрам в Периодической таблице видео (Ноттингемский университет)
- Изображение из коллекции Генриха Пниока. Архивировано 18 марта 2010 г. в Wayback Machine.
- Elementymology & Elements Multidict Питера ван дер Крога - Вольфрам
- Международная ассоциация вольфрамовой промышленности