Вольфрам

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Вольфрам (W)
Атомний номер 74
Зовнішній вигляд простої речовини Тугоплавкий 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 атома 141 пм
Енергія іонізації (перший електрон) 769,7(7,98) кДж/моль (еВ)
Електронна конфігурація [Xe] 4f14 5d4 6s2
Хімічні властивості
Ковалентний радіус 130 пм
Радіус іона (+6e) 62 (+4e) 70 пм
Електронегативність (за Полінгом) 1,7
Електродний потенціал W ←W 3+ 0,11В
W ←W 6+ 0,68В
Ступені окиснення 6, 5, 4, 3, 2, 0
Термодинамічні властивості
Густина 19,3 г/см³
Молярна теплоємність 24,27 Дж/(К·моль)
Теплопровідність 173 Вт/(м·К)
Температура плавлення 3680 К
Теплота плавлення (35) кДж/моль
Температура кипіння 5930 К
Теплота випаровування 824 кДж/моль
Молярний об'єм 9,53 см³/моль
Кристалічна ґратка
Структура ґратки кубічна
об'ємноцентрована
Період ґратки 3,160 Å
Відношення с/а n/a
Температура Дебая 310,00 К
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
Вольфрам у Вікісховищі?

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 карбон). 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, стійкість до корозії й температури.

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[en].

Історія[ред. | ред. код]

Вольфраміт

Назва Wolframium перейшло 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 20 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 відомий як автор «Пригод барона Мюнхаузена»), 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 році 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 році були запатентовані вольфрамові сталі, а до 20 століття такі сталі використовувалися у різноманітних галузях завдяки своїй високій міцності, твердості, тугоплавкості й червоностійкості[1].

У 1904 році 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 році було отримано перший патент на композитний матеріал на основі карбіду вольфраму[en]. Зараз матеріали цього типу користуються попитом 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 світової війни, стала зрозумілою важливість вольфраму для виробництва броні й артилерії. У 1944 році США наклали економічні санкції на Португалію (що була нейтральною) за продаж вольфраму Німеччині[5].

Походження і розповсюдженість[ред. | ред. код]

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 — 1,1х10−4%[7], оскільки вольфрам належить до літофільних елементів, які концентруються в силікатах.

Отримання[ред. | ред. код]

Вольфрамові руди[ред. | ред. код]

У вільному стані вольфрам не трапляється. Утворює власні мінерали (вольфрамати Са, Fe, Mn, іноді Pb, Zn, рідше оксиди WO3, H2WO4, ще рідше сульфіди WS2) або входить у вигляді ізоморфної домішки в інші мінерали, переважно в мінерали Мо, Ti, а також у деякі силікати (слюда, польові шпати). У природних мінеральних парагенезисах вольфрам 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 вольфраму у цих мінералах може досягати 12%.

Усього відомо близько 15 мінералів вольфраму. Серед них:

Вміст вольфраму у промислових родовищах становить 0.3-1% WO3.[8]

Виплавка[ред. | ред. код]

Процес отримання вольфраму проходить через стадію виділення триоксиду WO3 з рудних концентратів та подальшому відновленні до металевого порошку воднем при температурі бл. 700° C. Через високу температуру плавлення вольфраму для отримання компактної форми використовуються 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 використовується зонна плавка.

Географія родовищ і видобутку[ред. | ред. код]

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). У 2017 році у світі було добуто близько 95000 тонн вольфраму, з яких 79000 було видобуто в Китаї, 7200 — у В'єтнамі, 3100 — у Росії, 1100 — у Болівії, 1100 — у Великій Британії. [9]

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[10][11].

Ізотопи[ред. | ред. код]

Природний вольфрам складається з п'яти ізотопів (180 W, 182 W, 183 W, 184 W, 186 W). 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 180 W, який має період напіврозпаду 1,8×1018 років.

Застосування[ред. | ред. код]

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 року, більше половини усього видобутого в світі вольфраму використовується для виробництва матеріалів на основі карбіду вольфраму (таких як побідит). У Європі й США з цією метою використовується близько 70% вольфраму[12]. До чверті вольфраму використовується для легування сталі. На третьому місці — вироби вольфрамового прокату, наприклад, нитки для ламп розжарювання та кінескопів, неплавкі електроди[en], тощо.

Карбід вольфраму[ред. | ред. код]

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[13].

Матеріали на основі карбіду вольфраму використовуються для виготовлення ріжучих інструментів, бурових установок, сверл, кульок для кулькових ручок[14], бронебійних сердечників, а також для ювелірних прикрас.

Вольфрамові сталі[ред. | ред. код]

Можна виділити кілька важливих класів вольфрамових сталей:

  • швидкорізальними сталями називають сталь, що містить більше 7% вольфраму (деякі — до 18%), молібдену або ванадію, а також більше 0,6% карбону. Такі сталі використовуються для виготовлення фрез, пил, тощо[15].
  • 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% вольфраму, а також мідь або нікель[16], використовують для виробництва гіроскопів, баласту в кораблях, екранів, що захищають від радіації, турбін, та в інших ситуаціях, де необхідні речовини з високою густиною[17].
  • Амалой — кислотостійкий сплав на основі вольфраму, кобальту й нікелю; використовується для виробництва хірургічних інструментів[18]
  • 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 [19][20].
  • Вольфрам-молібденові сталі використовують для виготовлення танкової броні[21].
  • Вольфрам стабілізує магнітні домени у залізі, тому такі сплави використовуються для виробництва постійних магнітів. Прикладом магнітної вольфрамової сталі є KS сталь, що містить 30-40% кобальту, 5-9% вольфраму, 1,5-3% хрому і 0,4-0,8% карбону[22].

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

Інші сполуки вольфраму[ред. | ред. код]

  • Сульфід вольфраму WS2 використовується як високотемпературне (до 500 °C) мастило[23].
  • Деякі сполуки використовуються як каталізатори[24] й пігменти.
  • WTe2 використовується для перетворення теплової енергії на електричну.
  • Сплави вольфраму з ренієм мають високу стійкість до електрокорозії, тому використовуються для виготовлення електроконтактів, а також термопар, що можуть працювати при температурі вище 2750°C[25][26].

Біологічна роль[ред. | ред. код]

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. | ред. код]

Джерела[ред. | ред. код]

Література[ред. | ред. код]