Volfram

Volfram
←  Tantal | Rhenium  →
74 Mo ↑ W ↓ Sg 74W _
Utseendet av en enkel substans
Eldfast slitstark metall, ljusgrå [1]
Volframkristaller avsatts från gasfasen
Atomegenskaper
Namn, symbol, nummer	Volfram / Wolframium (W), 74
Grupp , punkt , block	6, 6, d-element
Atommassa ( molmassa )	183.84(1) [2]  a. e. m.  ( g / mol )
Elektronisk konfiguration	[Xe] 4f 14 5d 4 6s 2
Atomradie	137 [1] pm
Kemiska egenskaper
kovalent radie	170  pm
Jonradie	(+6e) 62 (+4e) 70  pm
Elektronnegativitet	2.3 (Pauling skala)
Elektrodpotential	W ← W 3+ 0,11 V W ← W 6+ 0,68 V
Oxidationstillstånd	+2, +3, +4, +5, +6 [1]
Joniseringsenergi (första elektron)	769,7 (7,98)  kJ / mol  ( eV )
Termodynamiska egenskaper hos ett enkelt ämne
Densitet (vid ej )	19,25 [3]  g/cm³
Smält temperatur	3695K ( 3422 °C, 6192°F) [3]
Koktemperatur	5828 K (5555 °C, 10 031 °F) [3]
Oud. fusionsvärme	285,3 kJ/kg 52,31 [4] [5]  kJ/mol
Oud. avdunstningsvärme	4482 kJ/kg 824 kJ/mol
Molär värmekapacitet	24,27 [6]  J/(K mol)
Molar volym	9,53  cm³ / mol
Kristallgittret av en enkel substans
Gallerstruktur	Kubisk kropp centrerad
Gitterparametrar	3.160Å  _
Debye temperatur	310K  _
Andra egenskaper
Värmeledningsförmåga	(300 K) 162,8 [7]  W/(m K)
CAS-nummer	7440-33-7

Volfram ( kemisk symbol  - W, från lat.  Wolframium ) är ett kemiskt element i den sjätte gruppen (enligt den föråldrade klassificeringen  - en sidoundergrupp av den sjätte gruppen, VIB) av den sjätte perioden av det periodiska systemet av kemiska element av D. I. Mendelejev , med atomnummer 74.

Under normala förhållanden är volfram en hård, tung, glänsande metall [1] [6] med en silvergrå färg. Den har en något högre densitet än metalliskt uran .

Volfram är den mest eldfasta metallen i det periodiska systemet. Avser övergångsmetaller .

Namnets historia och ursprung

Namnet Wolframium överfördes till grundämnet från mineralet wolframit , känt så långt tillbaka som på 1500  -talet. under namnet "vargskum" - lat.  spuma lupi eller tyska.  Wolf Rahm [6] [8] [ kolla  länk (33 dagar redan) ] . Namnet berodde på det faktum att volfram, som åtföljde tennmalmer, störde smältningen av tenn och överförde det till slaggskum ("det slukade tenn som en varg ett får").

På engelska och franska kallas tungsten för tungsten (från svenska tungsten  - "tung sten"). År 1781 fick den berömde svenske kemisten Karl Scheele , som behandlade mineralet scheelite med salpetersyra , en gul "tung sten" (volframtrioxid WO 3 ) [9] . År 1783 rapporterade de spanska kemisterna, bröderna Eluard, att de fick från det sachsiska mineralet wolframit både en gul oxid av en ny metall som är löslig i ammoniak och själva metallen [10] . Samtidigt var en av bröderna, Fausto, i Sverige 1781 och kommunicerade med Scheele. Scheele gjorde inte anspråk på att upptäcka volfram, och bröderna Eluard insisterade inte på deras prioritet.

Att vara i naturen

Klarken av volfram i jordskorpan är (enligt Vinogradov) 1,3 g/t (0,00013 % av innehållet i jordskorpan). Dess genomsnittliga innehåll i stenar, g/t: ultrabasiskt - 0,1, basiskt - 0,7, medium - 1,2, surt - 1,9.

Volfram förekommer i naturen huvudsakligen i form av oxiderade komplexa föreningar bildade av volframtrioxid WO 3 med oxider av järn och mangan eller kalcium, och ibland bly, koppar, torium och sällsynta jordartsmetaller. Wolframit (järn- och manganvolframat n FeWO 4 · m MnWO 4  - respektive ferberit och hübnerit ) och scheelite ( kalciumvolframat CaWO 4 ) är av industriell betydelse . Volframmineraler är vanligtvis insprängda i granitiska bergarter, så att den genomsnittliga koncentrationen av volfram är 1-2%.

Insättningar

Kazakstan , Kina , Kanada och USA har de största reserverna ; fyndigheter är också kända i Bolivia , Portugal , Ryssland , Uzbekistan och Sydkorea . Världsproduktionen av volfram är 49-50 tusen ton per år, inklusive 41 i Kina, 3,5 i Ryssland; Kazakstan 0,7, Österrike 0,5. De största exportörerna av volfram: Kina, Sydkorea, Österrike . Huvudimportörer: USA, Japan , Tyskland , Storbritannien .
Det finns också fyndigheter av volfram i Armenien och andra länder.

Fysiska egenskaper

Den fullständiga elektroniska konfigurationen av volframatomen är: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 4f 14 5d 4 6s 2 .

Volfram är en glänsande, ljusgrå metall som har de högsta beprövade smält- och kokpunkterna (man antar att seaborgium är ännu mer eldfast, men än så länge kan det inte sägas bestämt - Seaborgiums livslängd är mycket kort). Volfram har en Mohs hårdhet på 7,5 och är näst efter krom (Mohs hårdhet på 8,5) när det gäller hårdhet bland rena metaller. Smältpunkt  - 3695 K (3422 °C), kokar vid 5828 K (5555 °C) [3] . Densiteten för ren volfram under normala förhållanden är 19,25 g/cm³ [3] , flytande volfram vid en smältpunkt av 16,65 g/cm³ [6] . Den har paramagnetiska egenskaper ( magnetisk susceptibilitet 0,32⋅10 −9 ). Brinell hårdhet 488 kg/mm². Elektrisk resistivitet vid 25 °C — 55⋅10 −9 Ohm m, vid 2700 °C — 904⋅10 −9 Ohm m; temperaturkoefficient för motstånd 5,0 10 −3 K −1 (0—200 °C) [6] . Ljudhastigheten i glödgat volfram är 4290 m/s. Temperaturkoefficient för linjär expansion 4,1 10 −6 K −1 (298 K), 6,5 10 −6 K −1 (2273 K), 7,1 10 −6 K −1 (2673 K) [6 ] . Värmeledningsförmåga 153 W/(m K) vid 298 K, 105 W/(m K) vid 1873 K [6] . Termisk diffusivitet 3,17 10 3 m 2 /s vid 1873 K, 2,3 10 3 m 2 /s vid 2873 K [6] .

Volfram är en av de tyngsta, hårdaste och mest eldfasta metallerna [6] . I sin rena form är det en silvervit metall, liknande platina, vid en temperatur på cirka 1600 ° C lämpar den sig väl för smide och kan dras till en tunn tråd. Metallen är mycket stabil i vakuum [11] . Kompressibilitetskoefficienten är den minsta av alla metaller (respektive bulk-elasticitetsmodulen är störst bland metaller) [6] .

Volfram finns under normala förhållanden i två kristallina modifikationer. Den stabila modifieringen (α-volfram) bildar kristaller av det kubiska systemet (kroppscentrerat gitter), rymdgrupp Im 3 m ,  cellparametrar a = 0,31589 nm , Z = 2 [6] . Metastabil modifiering (β-volfram) - kubiska kristaller , rymdgrupp Pm 3 n ,  cellparametrar a = 0,5036 nm , Z = 8 , d = 19,0 g / cm 3 (struktur av trikrom silicidtyp Cr 3 Si, även känd som fas A15 ). Den metastabila modifieringen bildas under reduktionen av volframtrioxid med väte vid temperaturer från 440 till 520 °C [12] , såväl som under elektrolysen av en smälta av volframat [13] omvandlas den till alfa-W vid upphettning över 520 °C [12] [6] . Även om β-fasen av volfram först erhölls redan 1931, trodde många författare att det i verkligheten är volframsuboxid med formeln W 14 ... 20 O eller en fas stabiliserad av en syreförorening; det finns också ett antagande att denna fas kan beskrivas som en jonisk förening W 3 W, "volfram volframamid", med volframatomer i olika oxidationstillstånd. Det var först 1998 som det visades att β-volfram även existerar i frånvaro av syreinblandning [13] .

Vissa fysiska egenskaper hos α-volfram och β-volfram skiljer sig markant. Övergångstemperaturen till det supraledande tillståndet av α-volfram är 0,0160 K [6] , för betafasen varierar denna temperatur från 1 till 4 K; en blandning av faser kan bli supraledande vid mellantemperaturer, beroende på fasernas relativa innehåll [14] . Den specifika resistansen för β-volfram är tre gånger högre än den för α-volfram [15]

Kemiska egenskaper

Visar valens från 2 till 6. Den mest stabila är 6-valent volfram. 3- och 2-valenta volframföreningar är instabila och har ingen praktisk betydelse.

Volfram har en hög korrosionsbeständighet: den förändras inte i luften vid rumstemperatur; vid en röd temperatur oxiderar den långsamt till volfram (VI) oxid . Det reducerade fina pulvret av volfram är dock pyrofor [12] . Volfram i serien av spänningar är omedelbart efter väte och är nästan olösligt i saltsyra, utspädd svavelsyra och fluorvätesyra. I salpetersyra och aqua regia oxiderar den från ytan. Löslig i väteperoxid.

Lättlöslig i en blandning av salpeter- och fluorvätesyror [16] :

Reagerar med smälta alkalier i närvaro av oxidationsmedel [16] :

Till en början är dessa reaktioner långsamma, men när de når 400 °C (500 °C för en reaktion som involverar syre), börjar volfram självupphettas och reaktionen fortskrider ganska snabbt, med bildandet av en stor mängd värme.

Det löser sig i en blandning av salpeter- och fluorvätesyror och bildar hexafluorvolframsyra H 2 [WF 6 ]. Av volframföreningarna är de viktigaste: volframtrioxid eller volframanhydrid, volframater, peroxidföreningar med den allmänna formeln Me 2 WO X , samt föreningar med halogener, svavel och kol. Tungstater tenderar att bilda polymera anjoner , inklusive heteropolyföreningar med inneslutningar av andra övergångsmetaller.

Får

Processen att erhålla volfram passerar genom understeget av separation av trioxid WO 3 från malmkoncentrat och efterföljande reduktion till ett metallpulver med väte vid en temperatur av ca. 700°C. På grund av volframs höga smältpunkt används pulvermetallurgiska metoder för att erhålla en kompakt form : det resulterande pulvret pressas, sintras i en väteatmosfär vid en temperatur av 1200-1300 ° C , sedan passerar en elektrisk ström genom det . Metallen värms upp till 3000 °C och sintring till ett monolitiskt material sker. För efterföljande rening och erhållande av en enkristallform används zonsmältning [17] .

Applikation

Den huvudsakliga tillämpningen av volfram är som grund för eldfasta material inom metallurgi.

Metallisk volfram

• Volframets eldfasthet gör det oumbärligt för filament i belysningsarmaturer , såväl som i kineskop och andra vakuumrör.
• På grund av sin höga densitet är volfram grunden för tunga legeringar , som används för motvikter, pansargenomträngande kärnor av subkaliber och pilformade fjäderartillerigranater , kärnor av pansargenomträngande kulor och ultrahöghastighetsgyroskoprotorer för att stabilisera flygningen av ballistiska missiler (upp till 180 tusen rpm).
• Volfram används som elektroder för argonbågsvetsning .
• Volframlegeringar, på grund av sin höga smältpunkt, erhålls genom pulvermetallurgi. Legeringar som innehåller volfram kännetecknas av värmebeständighet, syrabeständighet, hårdhet och nötningsbeständighet. De används för att tillverka kirurgiska instrument (legering " amaloy "), pansar för stridsvagnar, skal av torpeder och granater, de viktigaste delarna av flygplan och motorer, och behållare för lagring av radioaktiva ämnen. Volfram är en viktig komponent i de bästa kvaliteterna av verktygsstål .
• Volfram används i högtemperaturvakuummotståndsugnar som värmeelement . En legering av volfram och rhenium används i sådana ugnar som ett termoelement .
• Den höga densiteten av volfram gör den lämplig för att skydda mot joniserande strålning. Trots den högre densiteten jämfört med traditionellt och billigare bly, är volframskärmning mindre tung för lika skyddande egenskaper [18] eller mer effektiv för lika vikt [19] . På grund av volframens smältbarhet och hårdhet, vilket gör det svårt att bearbeta, används i sådana fall mer sega volframlegeringar med tillsats av nickel , järn , koppar , etc. [20] eller en suspension av pulveriserad volfram (eller dess föreningar ). ) i en polymerbas [21] .

Volframföreningar

• För mekanisk bearbetning av metaller och icke-metalliska konstruktionsmaterial inom maskinteknik ( svarvning , fräsning , hyvling , slitsning ), brunnsborrning , inom gruvindustrin, används hårda legeringar och kompositmaterial baserade på volframkarbid i stor utsträckning (till exempel win , bestående av WC-kristaller i en koboltmatris ; kvaliteter som används ofta i Ryssland - VK2, VK4, VK6, VK8, VK15, VK25, T5K10, T15K6, T30K4, såväl som blandningar av volframkarbid , titankarbid , tantalkarbid för särskilt svåra bearbetningsförhållanden, till exempel mejsling och hyvling av smide från värmebeständiga stål och roterande slagborrning av starkt material). Det används i stor utsträckning som ett legeringselement (ofta i kombination med molybden) i stål och järnbaserade legeringar. Höglegerat stål, klassat som "höghastighet" med en markering som börjar med bokstaven P, innehåller nästan alltid volfram.
• Volframsulfid WS 2 används som smörjmedel vid hög temperatur (upp till 500 °C) , som har hög fukt- och värmebeständighet [22] .
• Vissa volframföreningar används som katalysatorer och pigment .
• Enkristaller av volframat ( volframater av bly , kadmium , kalcium ) används som scintillationsdetektorer av röntgenstrålar och annan joniserande strålning inom kärnfysik och nuklearmedicin .
• Volframditellurid WTe 2 används för att omvandla termisk energi till elektrisk energi ( termo-EMF är cirka 57 μV/K ).

Andra användningsområden

Den konstgjorda radionukliden 185 W används som en radioaktiv märkning vid studiet av materia. Stabil 184 W används som en komponent i uranium-235- legeringar som används i fastfas kärnraketmotorer , eftersom det är den enda vanliga wolframisotopen som har ett lågt termiskt neutroninfångningstvärsnitt (ca 2 ladugårdar ).

Tungsten marknaden

Priserna för metalliskt volfram (elementinnehåll på cirka 99 %) i slutet av 2010 var cirka 40-42 US-dollar per kilogram, i maj 2011 var de cirka 53-55 US-dollar per kilogram. Halvfabrikat från 58 USD (stänger) till 168 (tunn remsa). Under 2014 varierade volframpriserna från 55 till 57 USD [23] .

Biologisk roll

Volfram spelar ingen betydande biologisk roll. Vissa arkebakterier och bakterier har enzymer som inkluderar volfram i sitt aktiva centrum. Det finns obligatoriska volframberoende former av hypertermofila arkebakterier som lever runt hydrotermiska öppningar i djuphavet. Närvaron av volfram i sammansättningen av enzymer kan betraktas som en fysiologisk kvarleva från det tidiga arkeiska området  - det finns förslag på att volfram spelade en roll i livets tidiga skeden [24] .

Volframdamm , liksom de flesta andra typer av metalldamm, irriterar andningsorganen.

Isotoper

Kända isotoper av volfram med masstal från 158 till 192 (antal protoner 74, neutroner från 84 till 118), och mer än 10 kärnisomerer [25] .

Naturligt volfram består av en blandning av fem isotoper ( 180 W - 0,12 (1) %, 182 W - 26,50 (16) %, 183 W - 14,31 (4) %, 184 W - 30,64 (2) % och 186 W - 28,43 (19) % [25] . År 2003 upptäcktes en extremt svag radioaktivitet av naturlig volfram [26] (cirka två sönderfall per gram grundämne per år), på grund av α-aktiviteten på 180 W, som har en halveringstid på 1,8⋅10 18 år [ 27] .

Anteckningar

1. ↑ 1 2 3 4 Rakova N. N. TUNGSTEN . bigenc.ru . Stora ryska encyklopedin - elektronisk version (2016). Tillträdesdatum: 8 augusti 2020. (ryska)
2. ↑ Meija J. et al. Grundämnenas atomvikter 2013 (IUPAC Technical Report  )  // Pure and Applied Chemistry . - 2016. - Vol. 88 , nr. 3 . - S. 265-291 . - doi : 10.1515/pac-2015-0305 .
3. ↑ 1 2 3 4 5 Volfram : fysikaliska egenskaper  . WebElements. Hämtad: 17 augusti 2013.
4. ↑ CRC Handbook of Chemistry and Physics / DR Lide (Ed.). — 90:e upplagan. — CRC Press; Taylor och Francis, 2009. - S. 6-134. — 2828 sid. — ISBN 1420090844 .
5. ↑ Se en genomgång av mätningar i: Tolias P. (2017), Analytical expressions for thermophysical properties of solid and liquid volfram relevant for fusion applications, arΧiv : 1703.06302 . 
6. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Zelikman A. N. Wolfram // Kemisk uppslagsverk  : i 5 volymer / Kap. ed. I. L. Knunyants . - M . : Soviet Encyclopedia , 1988. - T. 1: A - Darzana. - S. 418-420. — 623 sid. — 100 000 exemplar.  - ISBN 5-85270-008-8 .
7. ↑ Termofysiska egenskaper hos volfram
8. ↑ Stora sovjetiska uppslagsverket Ch. ed. A. M. Prokhorov. - 3:e uppl. - M .: Sov. encycl., 1969-1978
9. ↑ Scheelit // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron  : i 86 volymer (82 volymer och ytterligare 4). - St Petersburg. 1890-1907.
10. ↑ https://web.archive.org/web/20110721214254/http://www.itia.info/FileLib/Newsletter_2005_06.pdf
11. ↑ Titan är framtidens metall . (ryska)
12. ↑ 1 2 3 Morcom WR , Worrell WL , Sell HG , Kaplan HI Beredningen och karakteriseringen av beta-volfram, en metastabil volframfas  //  Metallurgiska transaktioner. - 1974. - Vol. 5 , nej. 1 . - ISSN 0026-086X . - doi : 10.1007/BF02642939 .
13. ↑ 1 2 Kiss AB Thermoanalytical Study of the Composition of β-tungsten  //  Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. - 1998. - Vol. 54 , nr. 3 . - P. 815-824 . — ISSN 1418-2874 . - doi : 10.1023/A:1010143904328 .
14. ↑ Lita AE , Rosenberg D. , Nam S. , Miller AJ , Balzar D. , Kaatz LM , Schwall RE Tuning av Tungsten Thin Film Superconducting Transition Temperature for Fabrication of Photon Number Resolving Detectors  //  IEEE Transactions on Appiled Superconductivity. - 2005. - Vol. 15 , nr. 2 . - P. 3528-3531 . — ISSN 1051-8223 . - doi : 10.1109/TASC.2005.849033 . - .
15. ↑ Yeh Wen-Kuan , Chen Mao-Chieh , Wang Pei-Jan , Liu Lu-Min , Lin Mou-Shiung. Depositionsegenskaper för selektiv volframkemisk ångdeposition  (engelska)  // Material Kemi och fysik. - 1996. - Vol. 45 , nr. 3 . - S. 284-287 . — ISSN 0254-0584 . - doi : 10.1016/0254-0584(96)80120-9 .
16. ↑ 1 2 Ripan R. , Chetyanu I. Oorganisk kemi. Kemi av metaller. - M . : Mir, 1972. - T. 2. - S. 347-348.
17. ↑ Zelikman A. N., Nikitina L. S. Wolfram . - M . : Metallurgi, 1978. - S. 155. - 272 sid.
18. ↑ Brian Wheeler. Tungsten Shielding hjälper till på Fukushima Daiichi . Power Engineering Magazine (1 juli 2011). (obestämd)
19. ↑ Murata Taisuke , Miwa Kenta , Matsubayashi Fumiyasu , Wagatsuma Kei , Akimoto Kenta , Fujibuchi Toshioh , Miyaji Noriaki , Takiguchi Tomohiro , Sasaki Masayuki , Koizumi Mitsuru. Optimal strålningsavskärmning för beta- och bremsstrahlung-strålning som emitteras av 89Sr och 90Y: validering genom empirisk ansats och Monte Carlo-simuleringar  // Annals of Nuclear Medicine. - 2014. - 10 maj ( vol. 28 , nr 7 ). - S. 617-622 . — ISSN 0914-7187 . - doi : 10.1007/s12149-014-0853-6 .
20. ↑ Kobayashi S. , Hosoda N. , Takashima R. Volframlegeringar som strålskyddsmaterial  // Kärntekniska instrument och metoder inom fysikforskning Avsnitt A: Acceleratorer, spektrometrar, detektorer och tillhörande utrustning. - 1997. - Maj ( vol. 390 , nr 3 ). - S. 426-430 . — ISSN 0168-9002 . - doi : 10.1016/S0168-9002(97)00392-6 .
21. ↑ Soylu HM , Yurt Lambrecht F. , Ersöz OA Gammastrålningsskyddande effektivitet av ett nytt blyfritt kompositmaterial  // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. - 2015. - 17 mars ( vol. 305 , nr 2 ). - S. 529-534 . — ISSN 0236-5731 . - doi : 10.1007/s10967-015-4051-3 .
22. ↑ Vantorin V. D. Mechanisms of instrumental and computing systems / Ed. S. M. Borisov. - M . : Högre. skola, 1985. - S. 168. - 416 sid.
23. ↑ enligt "Priser för volfram"
24. ↑ Fedonkin M.A. Förträngning av den geokemiska grunden för livet och eukaryotisering av biosfären: ett orsakssamband  // Paleontologisk tidskrift. - 2003. - Nr 6 . - S. 33-40 . (ryska)
25. ↑ 1 2 Audi G. , Kondev FG , Wang M. , Huang WJ , Naimi S. Nubase2016-utvärderingen av nukleära egenskaper  // Kinesisk fysik  C. - 2017. - Vol. 41 , iss. 3 . - P. 030001-1-030001-138 . - doi : 10.1088/1674-1137/41/3/030001 . - .
26. ↑ Danevich F. A. et al. α-aktivitet av naturliga volframisotoper  (engelska)  // Phys. Varv. C. _ - 2003. - Vol. 67 . — S. 014310 . - doi : 10.1103/PhysRevC.67.014310 . - arXiv : nucl-ex/0211013 .
27. ↑ Cozzini C. et al. Detektion av det naturliga α-sönderfallet av volfram  (engelska)  // Phys. Varv. C. _ - 2004. - Vol. 70 . — S. 064606 . - doi : 10.1103/PhysRevC.70.064606 . - arXiv : nucl-ex/0408006 .

Länkar

• Tungsten på Popular Library of Chemical Elements
• Världspriser på volfram  (eng.) . metalprices.com. Hämtad 17 augusti 2013. Arkiverad från originalet 18 augusti 2013.

Ordböcker och uppslagsverk	Stor dansk Stor katalanska stor kines Stor norsk Stor ryss Brockhaus och Efron kanadensisk runt världen Litet Brockhaus och Efron Britannica (online) Brockhaus Treccani Universalis
I bibliografiska kataloger BNF : 119624073 GND : 4066862-9 J9U : 987007556048605171 LCCN : sh85138607 NDL : 00572649 NKC : ph127499