WOLFRAM: ISTORIC, PROPRIETĂȚI, STRUCTURĂ, UTILIZĂRI - CHIMIE - 2025

Wolfram , tungsten sau wolfram metale grele este o tranziție a cărei simbol chimic este W. Situat în perioada 6 grupa 6 din tabelul periodic, și numărul atomic 74. Numele său are două semnificații etimologice: piatră dură și spumă de lup; Al doilea se datorează faptului că acest metal este cunoscut și sub denumirea de tungsten.

Este un metal gri-argintiu și, deși este fragil, are o duritate, densitate și puncte de topire și fierbere ridicate. Prin urmare, a fost utilizat în toate acele aplicații care implică temperaturi ridicate, presiuni sau forțe mecanice, cum ar fi burghie, proiectile sau filamente care emit radiații.

Bara de tungsten cu suprafața parțial oxidată. Sursa: Imagini Hi-Res ale elementelor chimice

Cea mai cunoscută utilizare pentru acest metal, la nivel cultural și popular, se află în filamentele becurilor electrice. Cine le-a manevrat va realiza cât de fragile sunt; cu toate acestea, nu sunt făcute din tungsten pur, care este maleabil și ductil. În plus, în matrice metalice, cum ar fi aliajele, oferă o rezistență excelentă și duritate.

Se caracterizează și se remarcă prin faptul că este metalul cu cel mai înalt punct de topire și, de asemenea, este mai dens decât plumbul însuși, depășit doar de alte metale precum osmiu și iridiu. La fel, este cel mai greu metal cunoscut pentru a îndeplini un rol biologic în organism.

Anionul de tungstat, WO ₄ ^2- , participă la majoritatea compușilor săi ionici , care pot polimeriza pentru a forma clustere într-un mediu acid. Pe de altă parte, wolframul poate forma compuși intermetalici sau poate fi sinterizat cu metale sau săruri anorganice, astfel încât solidele sale să capete forme sau consistențe diferite.

Nu este foarte abundent în scoarța terestră, cu doar 1,5 grame din acest metal pe tonă. Mai mult, deoarece este un element greu, originea sa este intergalactică; în special din explozii de supernove, care trebuie să fi aruncat „jeturi” de atomi de tungsten către planeta noastră în timpul formării sale.

Istorie

Etimologie

Istoria tungstenului sau a wolframului are două fețe la fel ca numele lor: una elvețiană, iar cealaltă germană. În anii 1600, în regiunile ocupate în prezent de Germania și Austria, minerii au lucrat la extragerea cuprului și a stanului pentru a produce bronzi.

Până atunci, minerii s-au trezit cu un ghimpe în acest proces: exista un mineral extrem de dificil de topit; mineral format din wolframit, (Fe, Mn, Mg) WO ₄ , care a reținut sau „devorat” cositorul ca și cum ar fi un lup.

De aici etimologia acestui element, „lup” pentru lup în spaniolă, un lup care a mâncat staniu; și „berbec” de spumă sau cremă, ale cărui cristale semănau cu o blană lungă neagră. Așa a apărut numele „wolfram” sau „wolfram” în onoarea acestor prime observații.

În 1758, pe partea elvețiană, un mineral similar, scheelite, CaWO ₄ , a fost numit „tung sten”, care înseamnă „piatră tare”.

Ambele nume, wolfram și tungsten, sunt utilizate pe scară largă în mod interschimbabil, depinzând doar de cultură. În Spania, de exemplu, și în vestul Europei, acest metal este cel mai cunoscut sub numele de tungsten; în timp ce pe continentul american predomină numele de tungsten.

Recunoaștere și descoperire

Atunci se știa că între secolele XVII și XVIII au existat două minerale: wolframit și scheelită. Dar, cine a văzut că în ele există un metal diferit de celelalte? Acestea nu puteau fi caracterizate decât ca minerale, iar în 1779 chimistul irlandez Peter Woulfe a analizat cu atenție tungstenul și a dedus existența tungstenului.

Din partea elvețiană, din nou, Carl Wilhelm Scheele în 1781 a reușit să izoleze wolframul ca WO ₃ ; și chiar mai mult, a obținut acidul tungstic (sau tungstic), H ₂ WO ₄ și alți compuși.

Totuși, acest lucru nu a fost suficient pentru a ajunge la metalul pur, deoarece a fost necesar pentru a reduce acest acid; adică supunându-l unui proces astfel încât să se detașeze de oxigen și să cristalizeze ca metal. Carl Wilhelm Scheele nu a avut cuptoarele sau metodologia corespunzătoare pentru această reacție de reducere a substanțelor chimice.

Aici au intrat în acțiune frații spanioli d’Elhuyar, Fausto și Juan José, care au redus ambele minerale (wolframite și scheelite) cu cărbune, în orașul Bergara. Celor doi li se acordă meritul și onoarea de a fi descoperitorii tungstenului metalic (W).

Oțeluri și becuri

Orice bec cu un filament de wolfram. Sursa: Pxhere.

Ca și alte metale, utilizările sale îi definesc istoria. Printre cele mai proeminente la sfârșitul secolului al XIX-lea s-au numărat aliajele din oțel-tungsten și filamentele de tungsten pentru a înlocui carbonul în becurile electrice. Se poate spune că primele becuri, așa cum le știm, au fost comercializate în 1903-1904.

Proprietăți

Aspectul fizic

Este un metal lucios argintiu-cenușiu. Fragil, dar foarte greu (nu trebuie confundat cu duritatea). Dacă piesa are o puritate ridicată, devine maleabilă și tare, la fel de mult sau mai multe ca mai multe oțeluri.

Numar atomic

74.

Masă molară

183,85 g / mol.

Punct de topire

3422 ° C.

Punct de fierbere

5930 ° C.

Densitate

19,3 g / ml.

Căldură de fuziune

52,31 kJ / mol.

Căldură de vaporizare

774 kJ / mol.

Capacitate termică molară

24,27 kJ / mol.

Duritatea lui Moh

7.5.

electronegativitate

2.36 pe scara Pauling.

Radio atomic

139 pm

Rezistență electrică

52,8 nΩ · m la 20 ° C.

izotopi

Apare predominant în natură sub formă de cinci izotopi: ¹⁸² W, ¹⁸³ W, ¹⁸⁴ W, ¹⁸⁶ W și ¹⁸⁰ W. În conformitate cu masa molară de 183 g / mol, ceea ce înseamnă masele atomice ale acestor izotopi (și celelalte treizeci de radioizotopi), fiecare atom de wolfram sau tungsten are aproximativ o sută zece neutroni (74 + 110 = 184).

Chimie

Este un metal extrem de rezistent la coroziune, deoarece stratul său subțire de WO ₃ îl protejează împotriva atacului de oxigen, acid și alcaline. Odată dizolvată și precipitată cu alți reactivi, se obțin sărurile sale, care se numesc tungstate sau wolframate; wolframul are de obicei o stare de oxidare de +6 în ele (presupunând că există cationi W ⁶⁺ ).

Gruparea acizilor

Decatungstate, un exemplu de polioxometalate de tungsten. Sursa: Scifanz

Tungstenul chimic este destul de unic, deoarece ionii săi tind să se aglomereze pentru a forma acizi heteropolieni sau polioxometalati. Ce sunt ei? Sunt grupuri sau grupuri de atomi care se reunesc pentru a defini un corp tridimensional; În principal, unul cu o structură sferică asemănătoare cuștii, în care „înglobează” un alt atom.

Totul pornește de la anionul de tungstat, WO ₄ ^2- , care într-un mediu acid protonează rapid (HWO ₄ ^- ) și se leagă cu un anion vecin pentru a forma ^2- ; iar acest lucru, la rândul său, se alătură cu încă ^2- pentru a crea ^4- . Așadar, până când există mai multe politungstate în soluție.

Paratungstatele A și B, ^6- și H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ^10- , sunt unul dintre cele mai proeminente dintre aceste polianioni.

Poate fi dificil să vină cu schița și structurile tale Lewis; dar, în principiu, este suficient să le vizualizăm ca seturi de WO ₆ octahedra (imaginea superioară).

Rețineți că aceste octaedre cenușii ajung să definească decadungstatul, un politungstat; Dacă un heteroatom (de exemplu, fosfor) conținea în el, acesta ar fi un polioxometalat.

Structura și configurația electronică

Faze cristaline

Atomii de wolfram definesc un cristal cu o structură cubică (bcc) centrată pe corp. Această formă cristalină este cunoscută sub numele de faza α; în timp ce faza β este de asemenea cubică, dar puțin mai densă. Ambele faze sau forme cristaline, α și β, pot coexista în echilibru în condiții normale.

Cerealele cristaline din faza α sunt izometrice, în timp ce cele din faza β seamănă cu coloane. Indiferent de cristal, acesta este guvernat de legăturile metalice care țin atomii W strâns împreună, în caz contrar, punctele de topire și fierbere ridicate sau duritatea și densitatea ridicată a tungstenului nu ar putea fi explicate.

Legătură metalică

Atomii de wolfram trebuie să fie strâns legați cumva. Pentru a face o conjectură, trebuie respectată mai întâi configurația electronică a acestui metal:

4f ¹⁴ 5d ⁴ 6s ²

Orbitalele 5d sunt foarte mari și confuze, ceea ce ar presupune că între doi atomi W din apropiere există suprapuneri orbitale eficiente. De asemenea, orbitalele 6s contribuie la benzile rezultate, dar într-un grad mai mic. În timp ce orbitalii 4f sunt „în fundal” și, prin urmare, contribuția lor la legătura metalică este mai mică.

Aceasta, mărimea atomilor și boabele cristaline sunt variabilele care determină duritatea tungstenului și densitatea acestuia.

Stări de oxidare

În wolframul metalic sau wolframul, atomii W au o stare de oxidare zero (W ⁰ ). Revenind la configurația electronică, orbitalele 5d și 6s pot fi „golite” de electroni, în funcție de W dacă este în compania atomilor extrem de electronegativi, cum ar fi oxigenul sau fluorul.

Când cei doi electroni 6s se pierd, wolframul are o stare de oxidare +2 (W ²⁺ ), ceea ce face ca atomul său să se contracte.

Dacă pierde, de asemenea, toți electronii din orbitalele sale 5d, starea sa de oxidare va deveni +6 (W ⁶⁺ ); De aici nu poate deveni mai pozitiv (în teorie), deoarece orbitalele 4f, fiind interne, ar necesita energii mari pentru a-și îndepărta electronii. Cu alte cuvinte, cea mai pozitivă stare de oxidare este +6, unde tungstenul este și mai mic.

Acest tungsten (VI) este foarte stabil în condiții acide sau în mulți compuși oxigenati sau halogenați. Alte stări de oxidare posibile și pozitive sunt: ​​+1, +2, +3, +4, +5 și +6.

Tungstenul poate câștiga și electroni dacă se combină cu atomii mai puțin electronegativi decât el însuși. În acest caz, atomii săi cresc. Poate câștiga maximum patru electroni; adică să aibă o stare de oxidare de -4 (W ^4- ).

Obținerea

A fost menționat anterior că tungstenul se găsește în wolframitele minerale și scheletul. În funcție de procedeu, doi compuși se obțin din ele: oxid de wolfram, WO ₃ , sau parawolframat de amoniu, (NH ₄ ) ₁₀ (H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ) · 4H ₂ O (sau ATP). Oricare dintre ele poate fi redusă la W metalice cu carbon peste 1050 ° C.

Nu este rentabil din punct de vedere economic producerea de lingouri de wolfram, deoarece ar avea nevoie de multă căldură (și bani) pentru a le topi. Acesta este motivul pentru care este preferat să se producă sub formă de pulbere pentru a-l trata simultan cu alte metale pentru a obține aliaje.

De menționat este faptul că China este țara cu cea mai mare producție de wolfram la nivel mondial. Și pe continentul american, Canada, Bolivia și Brazilia ocupă și lista celor mai mari producători ai acestui metal.

Aplicații

Un inel din carbură de tungsten - un exemplu despre modul în care duritatea acestui metal poate fi utilizată pentru a imortaliza și întări materialele. Sursa: SolitaryAngel (SolitaryAngel)

Iată câteva dintre utilizările cunoscute pentru acest metal:

-Sărurile sale erau folosite pentru a colora bumbacele din ținutele de teatre vechi.

-Combinat cu oțel îl întărește și mai mult, fiind capabil chiar să reziste la tăieri mecanice la viteze mari.

-Filamentele de tungsten sintetizate au fost folosite de peste o sută de ani la becurile electrice și lămpile cu halogen. De asemenea, datorită punctului său de topire ridicat, a servit ca material pentru tuburi cu raze catodice și pentru duze ale motoarelor rachetă.

-Prinstalații conduc la fabricarea proiectilelor și a scuturilor radioactive.

-Nowirele de tungsten pot fi utilizate în nanodivizi sensibile la pH și gaze.

-Catalizatorii de tungsten au fost folosiți pentru a face față producției de sulf din industria petrolului.

-Carburile de tungsten sunt cele mai utilizate pe scară largă dintre toți compușii săi. De la întărirea uneltelor de tăiere și găurire sau fabricarea de piese de armament militar, până la prelucrarea lemnului, materialelor plastice și a ceramicii.

Riscuri și precauții

Biologic

Fiind un metal relativ rar în scoarța terestră, efectele sale negative sunt rare. În solurile acide, polungatele pot să nu afecteze enzimele care utilizează anioni de molibdat; dar în solurile de bază, WO ₄ ^2- intervine (pozitiv sau negativ) în procesele metabolice ale MoO ₄ ^2- și cupru.

Plantele, de exemplu, pot absorbi compuși solubili de wolfram, iar atunci când un animal îi mănâncă și după ce și-a consumat carnea, atomii W intră în corpul nostru. Majoritatea sunt expulzate în urină și fecale, și nu se știe ce se întâmplă cu restul acestora.

Studiile efectuate pe animale au arătat că atunci când inhalează concentrații mari de tungsten pudră, acestea dezvoltă simptome similare cu cele ale cancerului pulmonar.

Prin ingestie, un om adult ar trebui să bea mii de galoane de apă îmbogățite cu săruri de tungsten pentru a arăta o inhibare apreciabilă a enzimelor colinesterază și fosfatază.

Fizic

În termeni generali, tungstenul este un element toxic redus și, prin urmare, există puține riscuri de deteriorare a sănătății asupra mediului.

În ceea ce privește wolframul metalic, evitați respirația prafului său; și dacă eșantionul este solid, trebuie avut în vedere faptul că este foarte dens și că poate provoca daune fizice dacă cade sau lovește alte suprafețe.

Referințe

1. Bell Terence. (Sf). Tungsten (Wolfram): Proprietăți, producție, aplicații și aliaje. Balanta. Recuperat de la: thebalance.com
2. Wikipedia. (2019). Tungsten. Recuperat de la: en.wikipedia.org
3. Lenntech BV (2019). Tungsten. Recuperat de la: lenntech.com
4. Jeff Desjardins. (1 mai 2017). Istoria Tungstenului, cel mai puternic metal natural de pe Pământ. Recuperat de la: visualcapitalist.com
5. Doug Stewart. (2019). Tungsten Element Facts. Recuperat de la: chemicool.com
6. Art Fisher și Pam Powell. (Sf). Tungsten. Universitatea din Nevada. Recuperat din: unce.unr.edu
7. Helmenstine, Anne Marie, doctorat. (02 martie 2019). Tungsten sau Wolfram Fapte. Recuperat de la: thinkco.com