WOLFRAM: HISTORIE, VLASTNOSTI, STRUKTURA, POUŽITÍ - CHEMIE - 2025

Wolframu, wolfram nebo wolfram těžký kov je přechodný, jehož chemická značka je W. Nachází se v období 6 skupina 6 periodické tabulky, a atomové číslo 74. Jeho název má dva etymologické významy: pevný kámen a vlčí pěna; Druhým je, že tento kov je také známý jako wolfram.

Je to stříbrošedý kov a přestože je křehký, má velkou tvrdost, hustotu a vysoké teploty tání a teploty varu. Proto byl použit ve všech aplikacích, které vyžadují vysoké teploty, tlaky nebo mechanické síly, jako jsou vrtáky, projektily nebo vlákna emitující záření.

Wolframová tyč s částečně oxidovaným povrchem. Zdroj: Hi-Res obrázky chemických prvků

Nejznámější použití tohoto kovu na kulturní a populární úrovni je ve vláknech elektrických žárovek. Každý, kdo s nimi zachází, si uvědomí, jak křehký jsou; nejsou však vyrobeny z čistého wolframu, který je tvárný a tažný. Navíc v kovových matricích, jako jsou slitiny, poskytuje vynikající odolnost a tvrdost.

Vyznačuje se a vyznačuje se tím, že je kovem s nejvyšším bodem tání a je také hustší než samotný olovo, překonaný pouze jinými kovy, jako je osmium a iridium. Stejně tak je to nejtěžší kov, o kterém je známo, že plní nějakou biologickou roli v těle.

Wolframan anion, WO ₄ ^2-, účastní většina jeho iontových sloučenin, které mohou polymerují do formy klastrů v kyselém prostředí. Na druhé straně může wolfram tvořit intermetalické sloučeniny nebo může být slinován s kovy nebo anorganickými solemi, takže jeho pevné látky získávají různé tvary nebo konzistence.

Není příliš hojný v zemské kůře, pouze 1,5 gramu tohoto kovu na tunu. Navíc, protože se jedná o těžký prvek, je jeho původ mezigalaktický; konkrétně z výbuchů supernovy, které musely během své formace vrhnout „trysky“ atomů wolframu na naši planetu.

Dějiny

Etymologie

Historie wolframu nebo wolframu má dvě tváře stejně jako jejich jména: jedna Švýcarka a druhá němčina. V 1600s, v regionech nyní obsazených Německem a Rakouskem, horníci pracovali na těžbě mědi a cínu pro výrobu bronzů.

Do té doby se horníci ocitli v procesu s trnem: roztavil se extrémně obtížný minerál; minerál sestávající z wolframitu, (Fe, Mn, Mg) WO ₄, který zadržel nebo „pohltil“ cín, jako by to byl vlk.

Proto etymologie pro tento prvek, „vlk“ pro vlka ve španělštině, vlk, který jedl cín; a „beran“ z pěny nebo smetany, jejíž krystaly připomínaly dlouhou černou srst. Na základě těchto prvních pozorování tak vzniklo jméno „wolfram“ nebo „wolfram“.

V roce 1758 byl na švýcarské straně podobný minerál, scheelit, CaWO ₄, pojmenován „tung sten“, což znamená „tvrdý kámen“.

Oba názvy, wolfram a wolfram, jsou široce používány zaměnitelně, záleží pouze na kultuře. Například ve Španělsku a v západní Evropě je tento kov nejlépe známý jako wolfram; zatímco na americkém kontinentu převládá název wolfram.

Uznávání a objevování

Tehdy bylo známo, že mezi sedmnáctým a osmnáctým stoletím existovaly dva minerály: wolframit a scheelit. Ale kdo viděl, že v nich je kov odlišný od ostatních? Lze je charakterizovat pouze jako minerály a v roce 1779 irský chemik Peter Woulfe pečlivě analyzoval wolfram a odvodil existenci wolframu.

Na švýcarské straně byl Carl Wilhelm Scheele v roce 1781 schopen izolovat wolfram jako WO ₃; a ještě více, získal wolframová (nebo wolframové) kyselina, H _2, WO ₄ a další sloučeniny.

To však nestačilo na to, aby se dostal k čistému kovu, protože bylo nutné tuto kyselinu redukovat; to znamená, že se podrobí procesu, který se oddělí od kyslíku a krystalizuje jako kov. Carl Wilhelm Scheele neměl vhodné pece ani metodiku pro tuto chemickou redukční reakci.

Právě zde začali ve městě Bergara působit španělští bratři d'Elhuyar, Fausto a Juan José, kteří redukovali oba minerály (wolframit a scheelite) uhlím. Tito dva jsou oceněni zásluhou a ctí, že jsou objeviteli kovového wolframu (W).

Ocele a žárovky

Jakákoli žárovka s wolframovým vláknem. Zdroj: Pxhere.

Stejně jako ostatní kovy, jeho použití definuje jeho historii. Koncem 19. století patřily mezi nejvýznamnější slitiny ocel-wolfram a wolframová vlákna, která nahradila uhlíková vlákna uvnitř elektrických žárovek. Dá se říci, že první žárovky, jak je známe, byly uvedeny na trh v letech 1903-1904.

Vlastnosti

Fyzický vzhled

Je to lesklý stříbrně šedý kov. Křehký, ale velmi tvrdý (nesmí být zaměňován s houževnatostí). Pokud je kus vysoce čistý, stává se kujným a tvrdým, stejně jako více ocelí.

Protonové číslo

74.

Molární hmotnost

183,85 g / mol.

Bod tání

3422 ° C

Bod varu

5930 ° C

Hustota

19,3 g / ml.

Teplo fúze

52,31 kJ / mol.

Odpařovací teplo

774 kJ / mol.

Molární tepelná kapacita

24,27 kJ / mol.

Mohova tvrdost

7.5.

Elektronegativita

2,36 v Paulingově stupnici.

Atomové rádio

139 hodin

Elektrický odpor

52,8 nΩ · m při 20 ° C

Izotopy

Vyskytuje se převážně v přírodě jako pět izotopů: ¹⁸² W, ¹⁸³ W, ¹⁸⁴ W, ¹⁸⁶ W a ¹⁸⁰ W. Podle molární hmotnosti 183 g / mol, která průměruje atomové hmotnosti těchto izotopů (a dalších třicet radioizotopů), každý atom wolframu nebo wolframu má asi sto a deset neutronů (74 + 110 = 184).

Chemie

Je to kov vysoce odolný vůči korozi, protože jeho tenká vrstva z WO ₃ ho chrání před napadením kyslíkem, kyselinami a zásadami. Po rozpuštění a vysrážení jinými činidly se získají jeho soli, které se nazývají wolframany nebo wolframáty; v nich má wolfram obvykle oxidační stav +6 (za předpokladu, že existují kationty W ⁶⁺).

Kyselina shlukování

Decatungstate, příklad polyoxometalátů wolframu. Zdroj: Scifanz

Chemicky wolfram je docela zvláštní, protože jeho ionty mají tendenci se shlukovat dohromady a vytvářet heteropolykyseliny nebo polyoxometaláty. Co jsou? Jsou to skupiny nebo shluky atomů, které se spojují, aby definovaly trojrozměrné tělo; Hlavně jeden s kulovitou klecovitou strukturou, ve které „uzavírají“ další atom.

Všechno to začíná od wolframanového aniontu, WO ₄ ^2-, který v kyselém médiu rychle protonuje (HWO ₄ ^-) a váže se sousedním aniontem za vzniku ^2-; a to se zase spojí s dalším ^2- a vznikne ^4-. Takže až do vyřešení několika politungstatů.

Paratungstates A a B, ⁶ a H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ^10-, v daném pořadí, jsou jedním z nejvýznamnějších těchto polyanionty.

Může být náročné přijít s Lewisovou skici a strukturami; ale v zásadě je stačí vizualizovat jako sady oktaedry WO ₆ (horní obrázek).

Všimněte si, že tyto šedivé oktaedry nakonec definují dekatungstát, politungstat; Pokud by v něm byl obsažen heteroatom (například fosfor), pak by to byl polyoxometalát.

Struktura a elektronická konfigurace

Krystalické fáze

Atomy wolframu definují krystal s kubickou strukturou soustředěnou na tělo (bcc). Tato krystalická forma je známa jako a fáze; zatímco β fáze je také krychlová, ale o něco hustší. Obě fáze nebo krystalické formy, a a p, mohou koexistovat v rovnováze za normálních podmínek.

Krystalická zrna a fáze jsou izometrická, zatímco zrna β fáze se podobají kolonám. Bez ohledu na krystal se řídí kovovými vazbami, které pevně drží atomy W. Jinak nelze vysvětlit vysoké teploty tání a teploty varu nebo vysokou tvrdost a hustotu wolframu.

Kovová vazba

Atomy wolframu musí být nějak pevně vázány. Chcete-li provést dohad, musí být nejprve pozorována elektronová konfigurace tohoto kovu:

4f ¹⁴ 5d ⁴ 6s ²

5d orbitaly jsou velmi velké a nejasné, což by znamenalo, že mezi dvěma blízkými atomy W jsou účinné orbitální přesahy. Rovněž 6bitové orbity přispívají k výsledným pásmům, ale v menší míře. Zatímco 4f orbitaly jsou „hluboko v pozadí“, a proto je jejich podíl na kovové vazbě menší.

Toto, velikost atomů a krystalická zrna jsou proměnné, které určují tvrdost wolframu a jeho hustotu.

Oxidační stavy

V kovovém wolframu nebo wolframu mají atomy W nulový oxidační stav (W ⁰). Při návratu do elektronické konfigurace mohou být 5d a 6s orbitaly „vyprázdněny“ elektronů v závislosti na tom, zda je W ve společnosti vysoce elektronegativních atomů, jako je kyslík nebo fluor.

Když jsou ztraceny dva elektrony 6s, má wolfram oxidační stav +2 (W ²⁺), což způsobuje smrštění jeho atomu.

Pokud také ztratí všechny elektrony ve svých 5d orbitálech, jeho oxidační stav se stane +6 (W ⁶⁺); Od této chvíle se nemůže stát více pozitivním (teoreticky), protože 4f orbitaly, jako vnitřní, by vyžadovaly velké energie, aby odstranily své elektrony. Jinými slovy, nejpozitivnějším oxidačním stavem je +6, kde je wolfram ještě menší.

Tento wolfram (VI) je velmi stabilní v kyselých podmínkách nebo v mnoha okysličených nebo halogenovaných sloučeninách. Další možné a pozitivní oxidační stavy jsou: +1, +2, +3, +4, +5 a +6.

Wolfram může také získat elektrony, pokud se kombinuje s atomy méně elektronegativními než on sám. V tomto případě se jeho atomy zvětšují. Může získat maximálně čtyři elektrony; to znamená, že mají oxidační stav -4 (W ^4-).

Získání

Již bylo zmíněno, že wolfram se nachází v minerálech wolframitu a scheelitu. V závislosti na procesu, dvě sloučeniny se získají z nich: oxid wolframu, WO ₃, nebo parawolframan amonný, (NH ₄) ₁₀ (H ₂ W ₁₂ O ₄₂) · 4H ₂ O (nebo ATP). Každá z nich může být redukována na kov W s uhlíkem nad 1050 ° C.

Není ekonomicky výhodné vyrábět wolframové ingoty, protože k jejich roztavení by potřebovaly hodně tepla (a peněz). To je důvod, proč je výhodné jej vyrábět v práškové formě, aby byla zpracována současně s jinými kovy za účelem získání slitin.

Za zmínku stojí, že Čína je zemí s největší produkcí wolframu na světě. A na americkém kontinentu zaujímá také Kanada, Bolívie a Brazílie seznam největších výrobců tohoto kovu.

Aplikace

Prsten z karbidu wolframu - příklad toho, jak lze tvrdost tohoto kovu použít k imortalizaci a vytvrzení materiálů. Zdroj: SolitaryAngel (SolitaryAngel)

Zde jsou některá známá použití tohoto kovu:

-Její soli byly použity k barvení bavlny ze starých divadelních oděvů.

-Kombinovaná s ocelí ji ještě více ztvrdne a je schopna odolávat mechanickým řezům při vysokých rychlostech.

- Slinutá wolframová vlákna se používají více než sto let v elektrických žárovkách a halogenových žárovkách. Také díky svému vysokému bodu tání sloužil jako materiál pro trubice katodových paprsků a pro trysky raketových motorů.

-Relly vedou ve výrobě střely a radioaktivních štítů.

-Volfrámové nanovlákna mohou být použity v nanovláknech citlivých na pH a plyny.

- Wolframové katalyzátory byly použity k řešení výroby síry v ropném průmyslu.

- Karbid wolframu je nejrozšířenější ze všech jeho sloučenin. Od vyztužování řezných a vrtacích nástrojů nebo výroby kusů vojenské výzbroje až po obrábění dřeva, plastů a keramiky.

Rizika a bezpečnostní opatření

Biologický

Jelikož je v zemské kůře relativně vzácným kovem, její negativní účinky jsou vzácné. V kyselých půdách polyungstáty nemusí ovlivňovat enzymy, které používají molybdenanové anionty; ale v základních půdách WO ₄ ^2- zasahuje (pozitivně nebo negativně) do metabolických procesů MoO ₄ ^2- a mědi.

Rostliny například mohou absorbovat rozpustné sloučeniny wolframu, a když je zvíře požije a poté po konzumaci masa, atomy W vstupují do našich těl. Většina z nich je vyloučena močí a stolicí a málo je známo, co se stane ostatním.

Studie na zvířatech ukázaly, že když vdechují vysoké koncentrace práškového wolframu, vyvinou se příznaky podobné příznakům rakoviny plic.

Při požití by dospělý člověk musel vypít tisíce galonů vody obohacené wolframovými solemi, aby projevil značnou inhibici enzymů cholinesterázy a fosfatázy.

Fyzický

Obecně je wolfram málo toxický prvek, a proto existuje jen malé riziko pro životní prostředí poškození zdraví.

Pokud jde o kovový wolfram, vyvarujte se vdechnutí jeho prachu; a pokud je vzorek pevný, je třeba mít na paměti, že je velmi hustý a že může spadnout nebo spadnout na jiné povrchy, může způsobit fyzické poškození.

Reference

1. Bell Terence. (sf). Tungsten (Wolfram): Vlastnosti, výroba, aplikace a slitiny. Rovnováha. Obnoveno z: thebalance.com
2. Wikipedia. (2019). Wolfram. Obnoveno z: en.wikipedia.org
3. Lenntech BV (2019). Wolfram. Obnoveno z: lenntech.com
4. Jeff Desjardins. (1. května 2017). Historie wolframu, nejsilnějšího přírodního kovu na Zemi. Obnoveno z: visualcapitalist.com
5. Doug Stewart. (2019). Fakta o volfrámu. Obnoveno z: chemicool.com
6. Art Fisher a Pam Powell. (sf). Wolfram. University of Nevada. Obnoveno z: unce.unr.edu
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2. března 2019). Tungsten nebo Wolfram fakta. Obnoveno z: thinkco.com