VOLFRAM: ZGODOVINA, LASTNOSTI, STRUKTURA, UPORABE - KEMIJA - 2025

Težka kovina iz volframa , volframa ali volframa je prehod, katerega kemijski simbol je W. Nahaja se v 6. skupini 6. periodične tabele in atomska številka 74. Ime ima dva etimološka pomena: trdi kamen in volnena pena; Drugi je zato, ker je ta kovina znana tudi kot volfram.

Je srebrno siva kovina in ima, čeprav je krhka, ima veliko trdoto, gostoto ter visoka tališča in vrelišča. Zato se uporablja v vseh tistih aplikacijah, ki vključujejo visoke temperature, tlake ali mehanske sile, kot so vrtalniki, projektili ali žarnice, ki oddajajo sevanje.

Volfram bar z delno oksidirano površino. Vir: Hi-Res slike kemičnih elementov

Najbolj znana uporaba te kovine na kulturni in priljubljeni ravni je v žarnicah električnih žarnic. Kdor se jih je lotil, bo spoznal, kako krhki so; vendar niso narejeni iz čistega volframa, ki je koban in duktil. Poleg tega v kovinskih matrikah, kot so zlitine, zagotavlja odlično odpornost in trdoto.

Zanj je značilno in odlikovano, da je kovina z najvišjim tališčem in tudi gostejša od samega svinca, ki jo presegajo le druge kovine, kot sta osmij in iridij. Prav tako je najtežja kovina, za katero je znano, da izpolnjuje neko biološko vlogo v telesu.

Anion iz volframa WO ₄ ^2- sodeluje v večini svojih ionskih spojin , ki lahko polimerizirajo in tvorijo grozde v kislem mediju. Po drugi strani volfram lahko tvori intermetalne spojine ali se sintra s kovinami ali anorganskimi solmi, tako da njegove trdne snovi dobijo različne oblike ali konsistence.

V zemeljski skorji ni prav veliko, le 1,5 grama te kovine na tono. Poleg tega je njegov težki element medgalaktičen; zlasti zaradi eksplozij supernove, ki so morale med nastajanjem metati volčje volframove atome v zrak.

Zgodovina

Etimologija

Zgodovina volframa ali volkram ima dva obraza, tako kot njuna imena: enega švicarskega in drugega nemškega. V 1600-ih letih so na območjih, ki jih trenutno zasedata Nemčija in Avstrija, rudarji delali za pridobivanje bakra in kositra za proizvodnjo bronz.

Do takrat so se rudarji znašli s trnjem: v njem se je izredno težko stopil mineral; mineral, sestavljen iz volframita, (Fe, Mn, Mg) WO ₄ , ki je obdržal ali "požrl" kositer, kot da bi bil volk.

Od tod etimologija tega elementa, 'volk' za volkom v španščini, volk, ki je pojedel kositer; in 'ovna' iz pene ali smetane, katerih kristali so spominjali na dolgo črno krzno. Tako je ime "wolfram" ali "wolfram" nastalo v čast teh prvih opažanj.

Leta 1758 so na švicarski strani podoben mineral, scheelit, CaWO ₄ , poimenovali 'tung sten', kar pomeni 'trdi kamen'.

Obe imeni, volfram in volfram, se pogosto uporabljata zamenljivo, odvisno samo od kulture. Na primer v Španiji in v zahodni Evropi je ta kovina najbolj znana kot volfram; medtem ko na ameriški celini prevladuje ime volfram.

Priznanje in odkrivanje

Takrat je bilo znano, da sta med 17. in 18. stoletjem obstajala dva minerala: volkramit in scheelit. Toda kdo je videl, da je v njih kovina drugačna od ostalih? Lahko jih je označiti le kot minerale. Irski kemik Peter Woulfe je leta 1779 natančno analiziral volfram in sklepal o obstoju volframa.

Na švicarski strani je znova Carl Wilhelm Scheele leta 1781 lahko izoliral volfram kot WO ₃ ; in še več, je pridobil volframov (ali volframovega) kislina, H ₂ WO ₄ in druge spojine.

Vendar to ni bilo dovolj, da smo prišli do čiste kovine, saj je bilo treba to kislino zmanjšati; to pomeni, da je podvržen takemu postopku, da se odcepi od kisika in kristalizira kot kovina. Carl Wilhelm Scheele ni imel ustreznih peči ali metodologije za to reakcijo kemične redukcije.

Tu so začeli delovati španski bratje d'Elhuyar, Fausto in Juan José, ki so s premogom zmanjšali oba minerala (volkramit in scheelit) v mestu Bergara. Obe sta deležni zaslug in časti, da sta odkritja kovinskega volframa (W).

Jekla in žarnice

Vsaka žarnica z volframovo nitko. Vir: Pxhere.

Tako kot druge kovine tudi njegova uporaba določa zgodovino. Med najvidnejšimi na koncu 19. stoletja so bile jekleno-volframove zlitine in volframova nitka, ki so nadomestile ogljikove žarnice znotraj električnih žarnic. Lahko rečemo, da so bile prve žarnice, kot jih poznamo, prodane v letih 1903-1904.

Lastnosti

Fizični videz

To je sijoča ​​srebrno-siva kovina. Krhka, vendar zelo trda (da je ne bomo zamenjali z žilavostjo). Če je kos visoke čistosti, postane preprost in trden, toliko ali več kot več jekel.

Atomska številka

74.

Molarna masa

183,85 g / mol.

Tališče

3422 ° C.

Vrelišče

5930 ° C.

Gostota

19,3 g / ml.

Vročina fuzije

52,31 kJ / mol.

Toplota izparevanja

774 kJ / mol.

Molarna toplotna zmogljivost

24,27 kJ / mol.

Mohova trdota

7.5.

Elektronegativnost

2,36 po Paulingovi lestvici.

Atomski radio

139 popoldne

Električni upor

52,8 nΩ · m pri 20 ° C.

Izotopi

V naravi se pojavlja pretežno kot pet izotopov: ¹⁸² W, ¹⁸³ W, ¹⁸⁴ W, ¹⁸⁶ W in ¹⁸⁰ W. Glede na molarno maso 183 g / mol, ki povprečno povzroči atomske mase teh izotopov (in drugi trideset radioizotopov), vsak atom volframa ali volframa ima približno sto deset nevtronov (74 + 110 = 184).

Kemija

Je kovina zelo odporna proti koroziji, saj jo njena tanka plast WO ₃ ščiti pred napadom kisika, kisline in alkalij. Ko se raztopijo in oborijo z drugimi reagenti, dobimo njegove soli, ki jih imenujemo volframati ali volframati; v njih ima volframovo oksidacijsko stanje +6 (ob predpostavki, da obstaja kationa W ⁶⁺ ).

Grozdanje kislin

Decatungstate, primer polioksometalatov volframa. Vir: Scifanz

Kemično volfram je dokaj edinstven, saj se njegovi ioni navadno združijo in tvorijo heteropolne kisline ali polioksometalate. Kaj so oni? So skupine ali grozdi atomov, ki združujejo, da določijo tridimenzionalno telo; Večinoma ena s sferično kletko podobno strukturo, v katero »obdajajo« še en atom.

Vse se začne s anionom volfrastata, WO ₄ ^2- , ki se v kislem mediju hitro protonira (HWO ₄ ^- ) in se veže s sosednjim anionom, da tvori ^2- ; to pa se združi z drugim ^2-, da izvira ^4- . Tako naprej, dokler ni več politungstatov v raztopini.

Paratungstati A in B, ^6- in H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ^10- , so eden najvidnejših teh poligonov.

Zanjo je lahko izbrati svojo skico in strukture Lewisa; načeloma pa je dovolj, da jih vizualiziramo kot sklope oktaedrov WO ₆ (zgornja slika).

Upoštevajte, da ti sivkasto oktaedri na koncu definirajo decatungstate, politungstat; Če bi bil v njem heteroatom (na primer fosfor), bi bil to polioksometalat.

Struktura in elektronska konfiguracija

Kristalne faze

Atomi volframa definirajo kristal s telesno usmerjeno kubično (bcc) strukturo. Ta kristalna oblika je znana kot α faza; medtem ko je β faza tudi kubična, vendar nekoliko bolj gosta. Obe fazi ali kristalni obliki, α in β, lahko ob normalnih pogojih sobivata v ravnovesju.

Kristalna zrna α faze so izometrična, toda β faza spominjajo na stebre. Ne glede na to, kakšen je kristal, ga urejajo kovinske vezi, ki dobro držijo atome W. V nasprotnem primeru visokih tališč in vrelišč ali visoke trdote in gostote volframa ni mogoče razložiti.

Kovinska vez

Atomi volframa morajo biti nekako tesno vezani. Za domnevo je treba najprej upoštevati elektronsko konfiguracijo te kovine:

4f ¹⁴ 5d ⁴ 6s ²

5d orbitale so zelo velike in meglene, kar bi pomenilo, da sta med dvema bližnjima atomoma W učinkovita orbitalna prekrivanja. Tudi orbite 6s prispevajo k nastalim pasom, vendar v manjši meri. Medtem ko so orbite 4f "globoko v ozadju" in je zato njihov prispevek k kovinski vezi manjši.

Ta velikost atomov in kristalna zrna so spremenljivke, ki določajo trdoto volframa in njegovo gostoto.

Oksidacijska stanja

V kovinskem volframu ali volkram imajo atomi W nič oksidacijskega stanja (W ⁰ ). Po vrnitvi v elektronsko konfiguracijo lahko orbito 5d in 6s "izpraznimo" elektrone, odvisno od tega, ali je W v družbi visoko elektronegativnih atomov, kot sta kisik ali fluor.

Ko se izgubita dva elektrona 6s, ima volfram +2 oksidacijsko stanje (W ²⁺ ), zaradi česar se njegov atom strne.

Če izgubi tudi vse elektrone v svojih 5d orbitalah, bo njegovo stanje oksidacije postalo +6 (W ⁶⁺ ); Od tod ne more postati bolj pozitivno (teoretično), ker bi 4f orbite, ki so notranje, potrebovale velike energije, da bi odstranile svoje elektrone. Z drugimi besedami, najbolj pozitivno oksidacijsko stanje je +6, kjer je volfram še manjši.

Ta volfram (VI) je zelo stabilen v kislih pogojih ali v mnogih kisikovih ali halogeniranih spojinah. Druga možna in pozitivna oksidacijska stanja so: +1, +2, +3, +4, +5 in +6.

Volfram lahko dobi tudi elektrone, če se kombinira z atomi, ki so manj elektronegativni od sebe. V tem primeru se njeni atomi povečajo. Lahko pridobi največ štiri elektrone; to pomeni, da ima oksidacijsko stanje -4 (W ^4- ).

Pridobitev

Prej je bilo omenjeno, da volfram najdemo v mineralih volframit in scheelit. Odvisno od postopka dobimo iz njih dve spojini: volframov oksid, WO ₃ ali amonijev paratungstat, (NH ₄ ) ₁₀ (H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ) · 4H ₂ O (ali ATP). Vsak od njih je mogoče zmanjšati na kovinsko W z ogljikom nad 1050 ° C.

Proizvodnja volframovih ingotov ni ekonomsko donosno, saj bi za njihovo taljenje potrebovali veliko toplote (in denarja). Zato ga je bolje proizvajati v obliki prahu, da ga hkrati obdelamo z drugimi kovinami, da dobimo zlitine.

Omeniti velja, da je Kitajska država z največjo proizvodnjo volframa na svetu. In na ameriški celini Kanada, Bolivija in Brazilija prav tako zasedajo seznam največjih proizvajalcev te kovine.

Prijave

Prstan iz volframovega karbida - primer, kako se lahko trdota te kovine ovekoveči in utrdi materiale. Vir: SolitaryAngel (SolitaryAngel)

Tu je nekaj znanih načinov uporabe te kovine:

- Njegove soli so bile uporabljene za barvanje bombaž iz oblačil starih gledališč.

-V kombinaciji z jeklom ga še bolj strdi, saj se lahko celo upira mehanskim razrezom pri velikih hitrostih.

-Samotrena volframova nitka se že več kot sto let uporablja v električnih žarnicah in halogenskih žarnicah. Prav tako je zaradi visokega tališča služil kot material za katodne cevi in ​​šobe raketnih motorjev.

-Zamenjuje svinec pri izdelavi izstrelkov in radioaktivnih ščitov.

-Tungsten nanowires se lahko uporablja v pH in plino občutljivih nanotehniki.

-Tungsten katalizatorji so bili uporabljeni za reševanje proizvodnje žvepla v naftni industriji.

-Tungsten-karbid je najbolj razširjena od vseh njegovih spojin. Od krepitve orodij za rezanje in vrtanje ali izdelave kosov vojaškega orožja do obdelave lesa, plastike in keramike.

Tveganja in previdnostni ukrepi

Biološki

Ker je razmeroma redka kovina v zemeljski skorji, so njeni negativni učinki redki. V kislih tleh poliungstati morda ne vplivajo na encime, ki uporabljajo molibdatne anione; vendar v osnovnih tleh WO ₄ ^2- posega (pozitivno ali negativno) v presnovne procese MoO ₄ ^2- in bakra.

Rastline lahko na primer absorbirajo topne volframove spojine, in ko jih žival poje in nato po zaužitju mesa, atomi W vstopijo v naša telesa. Večina jih izloči z urinom in iztrebki, malo se ve, kaj se dogaja z ostalimi.

Študije na živalih so pokazale, da pri vdihavanju visokih koncentracij volframa v prahu razvijejo simptome, podobne simptomom pljučnega raka.

Z zaužitjem bi moral odrasel človek spiti na tisoče litrov vode, obogatene z volframovo soljo, da bi pokazal občutno zaviranje encimov holinesteraze in fosfataze.

Fizično

Na splošno je volfram malo strupeni element, zato obstaja malo okoljskih tveganj za škodo za zdravje.

Glede kovinskega volframa se izogibajte vdihu prahu; in če je vzorec trden, je treba upoštevati, da je zelo gost in da lahko pade ali zadene druge površine, da lahko povzroči fizično škodo.

Reference

1. Bell Terence. (sf). Volfram (Wolfram): Lastnosti, proizvodnja, aplikacije in zlitine. Ravnovesje. Pridobljeno od: thebalance.com
2. Wikipedija. (2019). Volfram. Pridobljeno: en.wikipedia.org
3. Lenntech BV (2019). Volfram. Pridobljeno: lenntech.com
4. Jeff Desjardins. (1. maj 2017). Zgodovina volframa, najmočnejše naravne kovine na Zemlji. Pridobljeno: visualcapitalist.com
5. Doug Stewart. (2019). Dejstva volframovega elementa. Pridobljeno: chemicool.com
6. Art Fisher in Pam Powell. (sf). Volfram. Univerza v Nevadi. Pridobljeno: unce.unr.edu
7. Helmenstine, Anne Marie, dr. (02. marec 2019). Volfram ali Wolfram dejstva. Pridobljeno: misel.com