Какие физические свойства вольфрама лежат в основе его
Главная
Справочник
- Свойства вольфрама
Вольфрам (W) – удивительный металл с прекрасными физическими и химическими характеристиками. Его активно применяют практически во всех отраслях промышленности.
Физические свойства вольфрама
- твердый тугоплавкий и тяжелый металл (вес вольфрама почти в 2 раза больше, чем у свинца);
- масса вольфрама составляет 184 г/моль;
- сплавы W отличаются прочностью, твердостью и высоким сопротивлением к высоким температурам;
- цвет зависит от способа получения (порошок имеет серый, темно-серый или черный цвет, сплавленный W – серый оттенок, напоминающий цвет платины);
- плотность вольфрама при нормальних условиях равна 19, 25 г/м3.
Температура плавления вольфрама составляет 3410 °C – соизмерима с температурой на поверхности Солнца – 6690 °C. Высокая твердость вольфрама позволяет применять его в химической промышленности и металлургии. При этом сопротивление вольфрама зависит только от температуры.
Химические свойства вольфрама
- в природе состоит из стабильных изотопов (5 штук), массовые числа которых находятся в пределах 180-186;
- отделение 74 электронов атома W происходит легко;
- обладает 6 валентностью, в соединениях может иметь 0, 2, 3, 4 и 5-валентным;
- орбита элемента включает 2 яруса, что позволяет образовать крепкую химическую связь.
Наука относит вольфрам к химически активным элементам. Он может вступать в различные реакции и образовывать как простые, так и сложные соединения. В сплавах W чаще всего остается химически связанным. При этом с окислителями (например, с кислородом) он реагирует быстрее, чем другие металлы рода «тяжеловесов».
В случае нагревания элемента он еще быстрее вступает в реакцию с кислородом. Если в реакции участвуют водные пары, реакция протекает гораздо быстрее. Ученые выяснили: при нагреве элемента до 500 °C получается WO2 – низкий окислитель с высокой устойчивочтью. Он затягивает поверхность металла коричневой пленкой.
Если повышать температуру – можно получить еще один окислитель, который называют промежуточным (W4O11). Он имеет синюю окраску, а если продолжить нагрев до температуры в 923°C, она изменится на лимонно-желтую. Этому будет способствовать WO3.
Если с вольфрамом смешивают сухой фтор, то даже при небольшом подогреве можно получить вещество WF6. Его именуют гексафторидом. Оно может плавиться даже при 2,5 градусах, а кипеть при 19,5. Такое же соединение можно получить и при использовании хлора. Однако для этой реакции потребуется высокая температура – около 600 °C.
Также вольфрам легко вступает в реакции с йодом и бромом. С ними он образовывает такие малоустойчивые соединения как дибромид, ментамид, а также дииодид и тетрадид. При высоких температурах вольфрам соединяется с селеном, азотом, серой, а также с кремнием и углеродом.
Одним из интересных соединений считают карбонил. В этой реакции вольфрам реагирует на окись углерода. Именно здесь и проявляется его нулевая валентность. Однако это вещество сложно назвать устойчивым. Поэтому его можно получить только при создании специальных условий. Из карбонила получают плотные и ультратонкие покрытия чистого вольфрама.
Нужно уделить внимание и вольфрамовым соединениям. Некоторые из них поддаются полимеризации, в частности окись вольфрама.
Свойства атома
- Имя, символ, номер – Вольфрам/Wolframium (W), 74
- Атомная масса (молярная масса), г/моль – 183,84 а. е. м.
- Электронная конфигурация – [Xe] 4f14 5d4 6s2
- Радиус атома, пм – 141
Химические свойства
- Ковалентный радиус, пм – 170
- Радиус иона, пм – (+6e) 62 (+4e) 70
- Электроотрицательность, шкала Полинга – 2.3
- Электродный потенциал, В – W < W3+ 0,11
- W < W6+ 0,68
- Степени окисления – 6, 5, 4, 3, 2, 0
- Энергия ионизации, кДж/моль(1-й ионизац. потенциал, эВ) – 769,7 (7,98)
Термодинамические свойства простого вещества
- Плотность, кг/м3 (при н. у., г/см3) – 19300 (19,3)
- Температура плавления, °C, K – 3422, 3695
- Температура кипения, °C, K – 5555, 5828
- Теплота плавления, кДж/кг, кДж/моль – 191, 35
- Теплота испарения, кДж/кг, кДж/моль – 4482, 824
- Теплоемкость, кДж/(кг·°С) – 0,134
- Молярная теплоемкость, Дж/(K·моль) – 24,27
- Молярный объем, см3/моль – 9,53
Кристаллическая решетка простого вещества
- Структура решетки – кубическая объемноцентрированая
- Параметры решетки, A – 3,160
- Температура Дебая, K – 310,00
Прочие характеристики
- Теплопроводность, K, Вт/(м·К) – 300, 173
- Удельное электросопротивление при 20°С, ом·мм2/м – 5,03
- Коэффициент теплопроводности при 20°С, кал/ (см·сек·град) – 0,4
- Коэффициент линейного расширения, 1/град – 43·10-6
- Временное сопротивление при растяжении, кг/мм2 – 35
Источник
Вольфрам (W) – 74-й элемент периодической системы химических элементов Менделеева. Это уникальный металл, отличающийся хорошими механическими и химическими свойствами, а также высокими эксплуатационными показателями. Благодаря этому компонент применяется во многих промышленных сферах.
Сегодня трудно встретить человека, который не слышал о вольфраме. Он был известен еще в далеком 16 веке. Самое простое изделие, в котором присутствует данный элемент – лампочка накаливания. Здесь вольфрамовая нить играет роль проводника электрического тока, за счет чего она накаливается до появления оптического излучения. На этом и построен принцип работы обыкновенной лампы.
В сегодняшней статье обсудим свойства вольфрама, поговорим об особенностях и применении металлического компонента, а также разберем историю происхождения. Приступим!
История появления
Наименование химического элемента Wolframium произошло от названия минерала вольфрамит. Как говорилось, о нем начали говорить в начале – середине 16 века. Но тогда минерал назывался иначе – spuma lupi, что в переводе с латинского означает «волчья пена». На немецком языке компонент называли Wolf Rahm – «волчья пасть».
Обуславливались данные названия следующим: если в оловянной руде находились вольфрамовые соединения, число исходящего олова существенно уменьшалось. Вольфрам «съедал» олово, из-за чего получил такое название.
Вольфрам химические свойства
Современная наука поместила элемент в группу химически активных металлов. Вольфрам участвует в разных реакциях, формируя сложные и простые соединения. Если его сплавить, он также останется химически связанным. Наряду с этим с окислителями W реагирует быстрее, нежели иные металлические вещества.
Ниже приведен список, где вы найдете главные химические свойства вольфрама:
- встречается из изотопов, массовые количества равняются 183;
- 74 электрона без труда отделяются от атома;
- имеет 6 валентностей при различных соединениях с веществами;
- орбита содержит 2 яруса, из-за чего появляется надежная связь.
Интересный факт! Если запустить реакцию, в которой будут участвовать W и сухой фтор, получится уникальное вещество под названием гексафторидом (WF6). Несмотря на высокую температуру самого вольфрама, WF6 плавится при температуре 2,5 градуса по Цельсию, а кипит уже при комнатных условиях.
Вольфрам физические свойства
В чистом виде металл представляет собой блестящее вещество серебристого оттенка. Сегодня W является одним из самых прочных, тяжелых и тугоплавких металлов. Его минимальная температура плавления составляет 3 410 градусов. Пожалуй, в этом он уступает только углероду, который относится к группе неметаллов. Многие вещества не только плавятся, но и кипят при таком температурном режиме. Если довести температурные условия до 5 550 градусов, элемент начинает плавиться. Он с легкостью поддается ковке, в процессе которой возможно получить тонкую нить.
А вот таблица, характеризующая металл еще больше.
| Масса | 184 г/моль |
| Плотность | 19,25 г/м3 |
| Твердость по шкале Мооса | 7,5 |
| Излом | Зазубренный |
| Магнетизм | Парамагнетик |
Получение
При добыче вольфрама из руд образуется оксид WO3, который впоследствии восстанавливается с помощью водорода при нагреве до металлического порошкообразного вещества. Ввиду высоких температурных условий плавления получить небольшие размеры металла довольно затруднительно. А потому полученный порошок спрессовывают и спекают в атмосфере водорода. Затем через него проходит мощное напряжение, из-за чего W накаливается до 3 000 градусов. Таким образом, вольфрам поддается плавлению.
Сам же элемент достаточно редко встречается в природе. После всех веществ он занимает лишь 57-е место. Находят его, как правило, в подземных водах в виде своего иона или различных соединений.
Вольфрам свойства и применение
Как говорилось, наибольшую популярность вольфрам получил в производстве обычных лампочек накаливания. Впервые ее изобрели в начале 19 века. Помимо примитивных изделий W участвует в изготовлении трубок для рентгеновского оборудования, составляющих вакуумных печек и других устройств, использующихся при высоких температурах.
Интересный факт! Сталь включает в свой состав вольфрамовые соединения. Благодаря этому она может похвастаться прочностью и надежностью. Подобные сплавы хорошо зарекомендовали себя в производстве оборудования для бурения скважин, а также в медицинской отрасли и машиностроении.
Самый износоустойчивый сплав, полученный из вольфрама, называется победит. Его нередко применяют в химической сфере, где изготавливают краски и пигменты.
Вольфрамовый карбид
Примерно половина добываемого вольфрама используется в производстве твердых металлических веществ. Сюда же входит карбид, температура плавления которого достигает почти 3 000 градусов. Данный металл выглядит как химическое соединение, в состав которого входит одинаковое число атомов вольфрама и углерода. Такой сплав обладает особенными показателями. Сам же W делает его настолько прочным и твердым, что по характеристикам он превосходит сталь в несколько раз.
Наиболее распространенной продукцией, которую делают из карбида, являются режущие предметы. Некоторые из них имеют высокие требования к температурной устойчивости, а потому этот сплав оптимален для изготовления. Помимо этого соединение хорошо зарекомендовало себя в производстве:
- частей воздушных судов и легковых авто;
- деталей для космических аппаратов;
- медицинских хирургических приборов;
- украшений (кольца, серьги, колье);
- шариков для ручек премиум-сегмента.
Мединструменты, включающие в себя сплав, используются в области полостной хирургии. Они превосходят в цене приборы из стали, но отличаются более высокими показателями. То же самое относится к ювелирным изделиям: отполированный металл долгие годы сохраняет блестящий и изысканный вид.
Вольфрам имеет одни из самых высоких характеристик. У него уникальные физические и химические параметры, похвастаться которыми сможет далеко не каждый металл. Несмотря на маленькую распространенность, он встречается в быту и производстве. Для укрепления других компонентов из него нередко делают сплавы.
Надеемся, статья была интересной и познавательной. Читайте предыдущие статьи и ждите новых полезных публикаций на нашем сайте!
Источник
Вольфрам — самый тугоплавкий из металлов. Более высокую температуру плавления имеет только неметаллический элемент — углерод. При стандартных условиях химически стоек. Название Wolframium перешло на элемент с минерала вольфрамит, известного ещё в XVI в. под названием лат. Spuma lupi («волчья пена») или нем. Wolf Rahm («волчьи сливки», «волчий крем»). Название было связано с тем, что вольфрам, сопровождая оловянные руды, мешал выплавке олова, переводя его в пену шлаков («пожирает олово как волк овцу»).
СТРУКТУРА
Кристалл вольфрама имеет объемноцентрированную кубическую решетку. Кристаллы вольфрама на холоду отличаются малой пластичностью, поэтому в процессе прессования порошка они практически почти не изменяют своей основной формы и размеров и уплотнение порошка происходит главным образом путем относительного перемещения частиц.
В объемно-центрированной кубической ячейке вольфрама атомы располагаются по вершинам и в центре ячейки, т.е. на одну ячейку приходится два атома. ОЦК-структура не является плотнейшей упаковкой атомов. Коэффициент компактности равен 0,68. Пространственная группа вольфрама Im3m.
СВОЙСТВА
Вольфрам — блестящий светло-серый металл, имеющий самые высокие доказанные температуры плавления и кипения (предполагается, что сиборгий ещё более тугоплавок, но пока что об этом твёрдо утверждать нельзя — время существования сиборгия очень мало). Температура плавления — 3695 K (3422 °C), кипит при 5828 K (5555 °C). Плотность чистого вольфрама составляет 19,25 г/см³. Обладает парамагнитными свойствами (магнитная восприимчивость 0,32·10−9). Твердость по Бринеллю 488 кг/мм², удельное электрическое сопротивление при 20 °C — 55·10−9 Ом·м, при 2700 °C — 904·10−9 Ом·м. Скорость звука в отожжённом вольфраме 4290 м/с. Является парамагнетиком.
Вольфрам является одним из наиболее тяжелых, твердых и самых тугоплавких металлов. В чистом виде представляет собой металл серебристо-белого цвета, похожий на платину, при температуре около 1600 °C хорошо поддается ковке и может быть вытянут в тонкую нить.
ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА
Кларк вольфрама земной коры составляет (по Виноградову) 1,3 г/т (0,00013 % по содержанию в земной коре). Его среднее содержание в горных породах, г/т: ультраосновных — 0,1, основных — 0,7, средних — 1,2, кислых — 1,9.
Процесс получения вольфрама проходит через подстадию выделения триоксида WO3 из рудных концентратов и последующем восстановлении до металлического порошка водородом при температуре около 700 °C. Из-за высокой температуры плавления вольфрама для получения компактной формы используются методы порошковой металлургии: полученный порошок прессуют, спекают в атмосфере водорода при температуре 1200—1300 °C, затем пропускают через него электрический ток. Металл нагревается до 3000 °C, при этом происходит спекание в монолитный материал. Для последующей очистки и получения монокристаллической формы используется зонная плавка.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ
Вольфрам встречается в природе главным образом в виде окисленных сложных соединений, образованных трехокисью вольфрама WO3 с оксидами железа и марганца или кальция, а иногда свинца, меди, тория и редкоземельных элементов. Промышленное значение имеют вольфрамит (вольфрамат железа и марганца nFeWO4 * mMnWO4 — соответственно, ферберит и гюбнерит) и шеелит (вольфрамат кальция CaWO4). Вольфрамовые минералы обычно вкраплены в гранитные породы, так что средняя концентрация вольфрама составляет 1—2 %.
Наиболее крупными запасами обладают Казахстан, Китай, Канада и США; известны также месторождения в Боливии, Португалии, России, Узбекистане и Южной Корее. Мировое производство вольфрама составляет 49—50 тысяч тонн в год, в том числе в Китае 41, России 3,5; Казахстане 0,7, Австрии 0,5. Основные экспортёры вольфрама: Китай, Южная Корея, Австрия. Главные импортёры: США, Япония, Германия, Великобритания.
Также есть месторождения вольфрама в Армении и других странах.
ПРИМЕНЕНИЕ
Тугоплавкость и пластичность вольфрама делают его незаменимым для нитей накаливания в осветительных приборах, а также в кинескопах и других вакуумных трубках.
Благодаря высокой плотности вольфрам является основой тяжёлых сплавов, которые используются для противовесов, бронебойных сердечников подкалиберных и стреловидных оперенных снарядов артиллерийских орудий, сердечников бронебойных пуль и сверхскоростных роторов гироскопов для стабилизации полёта баллистических ракет (до 180 тыс. об/мин).
Вольфрам используют в качестве электродов для аргоно-дуговой сварки. Сплавы, содержащие вольфрам, отличаются жаропрочностью, кислотостойкостью, твердостью и устойчивостью к истиранию. Из них изготовляют хирургические инструменты (сплав «амалой»), танковую броню, оболочки торпед и снарядов, наиболее важные детали самолетов и двигателей, контейнеры для хранения радиоактивных веществ. Вольфрам — важный компонент лучших марок инструментальных сталей. Вольфрам применяется в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления в качестве нагревательных элементов. Сплав вольфрама и рения применяется в таких печах в качестве термопары.
Для механической обработки металлов и неметаллических конструкционных материалов в машиностроении (точение, фрезерование, строгание, долбление), бурения скважин, в горнодобывающей промышленности широко используются твёрдые сплавы и композитные материалы на основе карбида вольфрама (например, победит, состоящий из кристаллов WC в кобальтовой матрице; широко применяемые в России марки — ВК2, ВК4, ВК6, ВК8, ВК15, ВК25, Т5К10, Т15К6, Т30К4), а также смесей карбида вольфрама, карбида титана, карбида тантала (марки ТТ для особо тяжёлых условий обработки, например, долбление и строгание поковок из жаропрочных сталей и перфораторное ударно-поворотное бурение крепкого материала). Широко используется в качестве легирующего элемента (часто совместно с молибденом) в сталях и сплавах на основе железа. Высоколегированная сталь, относящаяся к классу «быстрорежущая», с маркировкой, начинающейся на букву Р, практически всегда содержит вольфрам. ( Р18, Р6М5. от rapid — быстрый, скорость).
Сульфид вольфрама WS2 применяется как высокотемпературная (до 500 °C) смазка. Некоторые соединения вольфрама применяются как катализаторы и пигменты. Монокристаллы вольфраматов (вольфраматы свинца, кадмия, кальция) используются как сцинтилляционные детекторы рентгеновского излучения и других ионизирующих излучений в ядерной физике и ядерной медицине.
Дителлурид вольфрама WTe2 применяется для преобразования тепловой энергии в электрическую (термо-ЭДС около 57 мкВ/К). Искусственный радионуклид 185W используется в качестве радиоактивной метки при исследованиях вещества. Стабильный 184W используется как компонент сплавов с ураном-235, применяемых в твердофазных ядерных ракетных двигателях, поскольку это единственный из распространённых изотопов вольфрама, имеющий низкое сечение захвата тепловых нейтронов (около 2 барн).
Вольфрам (англ. Tungsten) — W
| Молекулярный вес | 183,84 г/моль |
| Происхождение названия | лат. Spuma lupi («волчья пена») или нем. Wolf Rahm («волчьи сливки», «волчий крем») |
| IMA статус | подтвержден в 2011 году |
КЛАССИФИКАЦИЯ
| Nickel-Strunz (10-ое издание) | 1.AE.05 |
| Dana (7-ое издание) | 1.1.38.1 |
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
| Цвет минерала | серый |
| Цвет черты | белый |
| Прозрачность | непрозрачный |
| Блеск | металлический |
| Спайность | нет |
| Твердость (шкала Мооса) | 7,5 |
| Прочность | ковкий |
| Излом | зазубренный |
| Плотность (измеренная) | 19.3 г/см3 |
| Радиоактивность (GRapi) | |
| Магнетизм | парамагнетик |
ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
| Тип | изотропный |
| Плеохроизм | не плеохроирует |
| Люминесценция в ультрафиолетовом излучении | не флюоресцентный |
КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
| Точечная группа | m3m (4/m 3 2/m) — гексаоктаэдральный |
| Пространственная группа | Im3m |
| Сингония | кубическая |
mineralpro.ru
13.07.2016
Источник
| Вольфрам | |
|---|---|
| Тугоплавкий прочный металл, стального цвета или белый | |
 | |
| Название, символ, номер | Вольфрам / Wolframium (W), 74 |
| Атомная масса (молярная масса) | 183,84(1) а. е. м. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | [Xe] 4f14 5d4 6s2 |
| Радиус атома | 141 пм |
| Ковалентный радиус | 170 пм |
| Радиус иона | (+6e) 62 (+4e) 70 пм |
| Электроотрицательность | 2,3 (шкала Полинга) |
| Электродный потенциал | W ← W3+ 0,11 В W ← W6+ 0,68 В |
| Степени окисления | 6, 5, 4, 3, 2, 0 |
| Энергия ионизации (первый электрон) | 769,7 (7,98) кДж/моль (эВ) |
| Плотность (при н. у.) | 19,25 г/см³ |
| Температура плавления | 3695 K (3422 °C, 6192 °F) |
| Температура кипения | 5828 K (5555 °C, 10031 °F) |
| Уд. теплота плавления | 285,3 кДж/кг 52,31 кДж/моль |
| Уд. теплота испарения | 4482 кДж/кг 824 кДж/моль |
| Молярная теплоёмкость | 24,27 Дж/(K·моль) |
| Молярный объём | 9,53 см³/моль |
| Структура решётки | кубическая объёмноцентрированная |
| Параметры решётки | 3,160 Å |
| Температура Дебая | 310 K |
| Теплопроводность | (300 K) 162,8 Вт/(м·К) |
| Номер CAS | 7440-33-7 |
Вольфрам — химический элемент с атомным номером 74 в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, обозначается символом W (лат. Wolframium). При нормальных условиях представляет собой твёрдый блестящий серебристо-серый переходный металл.
Вольфрам — самый тугоплавкий из металлов. Более высокую температуру плавления имеет только неметаллический элемент — углерод, но он существует в жидком виде только при высоких давлениях. При стандартных условиях вольфрам химически стоек.
История и происхождение названия
Название Wolframium перешло на элемент с минерала вольфрамит, известного ещё в XVI в. под названием «волчья пена» – лат. spuma lupi или нем. Wolf Rahm. Название было связано с тем, что вольфрам, сопровождая оловянные руды, мешал выплавке олова, переводя его в пену шлаков («пожирал олово как волк овцу»).
В английском и французском языках вольфрам называется tungsten (от швед. tung sten — «тяжёлый камень»). В 1781 году знаменитый шведский химик Карл Шееле, обрабатывая азотной кислотой минерал шеелит, получил жёлтый «тяжёлый камень» (триоксид вольфрама). В 1783 году испанские химики братья Элюар сообщили о получении из саксонского минерала вольфрамита как растворимой в аммиаке жёлтой окиси нового металла, так и самого металла. При этом один из братьев, Фаусто, был в Швеции в 1781 году и общался с Шееле. Шееле не претендовал на открытие вольфрама, а братья Элюар не настаивали на своём приоритете.
Нахождение в природе
Кларк вольфрама земной коры составляет (по Виноградову) 1,3 г/т (0,00013 % по содержанию в земной коре). Его среднее содержание в горных породах, г/т: ультраосновных — 0,1, основных — 0,7, средних — 1,2, кислых — 1,9.
Основная статья: Вольфрамовые руды
Вольфрам встречается в природе главным образом в виде окисленных сложных соединений, образованных трёхокисью вольфрама WO3 с оксидами железа и марганца или кальция, а иногда свинца, меди, тория и редкоземельных элементов. Промышленное значение имеют вольфрамит (вольфрамат железа и марганца nFeWO4 · mMnWO4 — соответственно, ферберит и гюбнерит) и шеелит (вольфрамат кальция CaWO4). Вольфрамовые минералы обычно вкраплены в гранитные породы, так что средняя концентрация вольфрама составляет 1—2 %.
Месторождения
Наиболее крупными запасами обладают Казахстан, Китай, Канада и США; известны также месторождения в Боливии, Португалии, России, Узбекистане и Южной Корее. Мировое производство вольфрама составляет 49—50 тысяч тонн в год, в том числе в Китае 41, России 3,5; Казахстане 0,7, Австрии 0,5. Основные экспортёры вольфрама: Китай, Южная Корея, Австрия. Главные импортёры: США, Япония, Германия, Великобритания.
Также есть месторождения вольфрама в Армении и других странах.
Получение
Процесс получения вольфрама проходит через подстадию выделения триоксида WO3 из рудных концентратов и последующем восстановлении до металлического порошка водородом при температуре ок. 700 °C. Из-за высокой температуры плавления вольфрама для получения компактной формы используются методы порошковой металлургии: полученный порошок прессуют, спекают в атмосфере водорода при температуре 1200—1300 °C, затем пропускают через него электрический ток. Металл нагревается до 3000 °C, при этом происходит спекание в монолитный материал. Для последующей очистки и получения монокристаллической формы используется зонная плавка.
Физические свойства
Вольфрам — блестящий светло-серый металл, имеющий самые высокие доказанные температуры плавления и кипения (предполагается, что сиборгий ещё более тугоплавок, но пока что об этом твёрдо утверждать нельзя — время существования сиборгия очень мало). Температура плавления — 3695 K (3422 °C), кипит при 5828 K (5555 °C). Плотность чистого вольфрама составляет 19,25 г/см³. Обладает парамагнитными свойствами (магнитная восприимчивость 0,32⋅10−9). Твёрдость по Бринеллю 488 кг/мм², удельное электрическое сопротивление при 20 °C — 55⋅10−9 Ом·м, при 2700 °C — 904⋅10−9 Ом·м. Скорость звука в отожжённом вольфраме 4290 м/с.
Вольфрам является одним из наиболее тяжёлых, твёрдых и самых тугоплавких металлов. В чистом виде представляет собой металл серебристо-белого цвета, похожий на платину, при температуре около 1600 °C хорошо поддаётся ковке и может быть вытянут в тонкую нить. Металл обладает высокой устойчивостью в вакууме.
Химические свойства
Проявляет валентность от 2 до 6. Наиболее устойчив 6-валентный вольфрам. 3- и 2-валентные соединения вольфрама неустойчивы и практического значения не имеют.
Вольфрам имеет высокую коррозионную стойкость: при комнатной температуре не изменяется на воздухе; при температуре красного каления медленно окисляется в оксид вольфрама (VI). Вольфрам в ряду напряжений стоит сразу после водорода, и в соляной, разбавленной серной и плавиковой кислотах почти нерастворим. В азотной кислоте и царской водке окисляется с поверхности. Растворяется в перекиси водорода.
Легко растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот:
2W + 4HNO3 + 10HF ⟶ WF6 + WOF4 + 4NO ↑ + 7H2O
Реагирует с расплавленными щелочами в присутствии окислителей:
2W + 4NaOH + 3O2 ⟶ 2Na2WO4 + 2H2O W + 2NaOH + 3NaNO3 ⟶ Na2WO4 + 3NaNO2 + H2O
Поначалу данные реакции идут медленно, однако при достижении 400 °C (500 °C для реакции с участием кислорода) вольфрам начинает саморазогреваться, и реакция протекает достаточно бурно, с образованием большого количества тепла.
Растворяется в смеси азотной и плавиковой кислоты, образуя гексафторвольфрамовую кислоту H2[WF6]. Из соединений вольфрама наибольшее значение имеют: триоксид вольфрама или вольфрамовый ангидрид, вольфраматы, перекисные соединения с общей формулой Me2WOX, а также соединения с галогенами, серой и углеродом. Вольфраматы склонны к образованию полимерных анионов, в том числе гетерополисоединений с включением других переходных металлов.
Применение
Главное применение вольфрама — как основа тугоплавких материалов в металлургии.
Металлический вольфрам
- Тугоплавкость и пластичность вольфрама делают его незаменимым для нитей накаливания в осветительных приборах, а также в кинескопах и других вакуумных трубках.
- Благодаря высокой плотности вольфрам является основой тяжёлых сплавов, которые используются для противовесов, бронебойных сердечников подкалиберных и стреловидных оперенных снарядов артиллерийских орудий, сердечников бронебойных пуль и сверхскоростных роторов гироскопов для стабилизации полёта баллистических ракет (до 180 тыс. об/мин).
- Вольфрам используют в качестве электродов для аргонно-дуговой сварки.
- Сплавы вольфрама, ввиду его высокой температуры плавления, получают методом порошковой металлургии. Сплавы, содержащие вольфрам, отличаются жаропрочностью, кислотостойкостью, твердостью и устойчивостью к истиранию. Из них изготовляют хирургические инструменты (сплав «амалой»), танковую броню, оболочки торпед и снарядов, наиболее важные детали самолетов и двигателей, контейнеры для хранения радиоактивных веществ. Вольфрам — важный компонент лучших марок инструментальных сталей.
- Вольфрам применяется в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления в качестве нагревательных элементов. Сплав вольфрама и рения применяется в таких печах в качестве термопары.
- Высокая плотность вольфрама делает его удобным для защиты от ионизирующего излучения. Несмотря на бо́льшую плотность по сравнению с традиционным и более дешёвым свинцом, защита из вольфрама оказывается менее тяжёлой при равных защитных свойствах или более эффективной при равном весе. Из-за тугоплавкости и твёрдости вольфрама, затрудняющих его обработку, в таких случаях используются более пластичные сплавы вольфрама с добавлением никеля, железа, меди и др. либо взвесь порошкообразного вольфрама (или его соединений) в полимерной основе.
Соединения вольфрама
- Для механической обработки металлов и неметаллических конструкционных материалов в машиностроении (точение, фрезерование, строгание, долбление), бурения скважин, в горнодобывающей промышленности широко используются твёрдые сплавы и композитные материалы на основе карбида вольфрама (например, победит, состоящий из кристаллов WC в кобальтовой матрице; широко применяемые в России марки — ВК2, ВК4, ВК6, ВК8, ВК15, ВК25, Т5К10, Т15К6, Т30К4), а также смесей карбида вольфрама, карбида титана, карбида тантала (марки ТТ для особо тяжёлых условий обработки, например, долбление и строгание поковок из жаропрочных сталей и перфораторное ударно-поворотное бурение крепкого материала). Широко используется в качестве легирующего элемента (часто совместно с молибденом) в сталях и сплавах на основе железа. Высоколегированная сталь, относящаяся к классу «быстрорежущая», с маркировкой, начинающейся на букву Р, практически всегда содержит вольфрам.
- Сульфид вольфрама WS2 применяется как высокотемпературная (до 500 °C) смазка.
- Некоторые соединения вольфрама применяются как катализаторы и пигменты.
- Монокристаллы вольфраматов (вольфраматы свинца, кадмия, кальция) используются как сцинтилляционные детекторы рентгеновского излучения и других ионизирующих излучений в ядерной физике и ядерной медицине.
- Дителлурид вольфрама WTe2 применяется для преобразования тепловой энергии в электрическую (термо-ЭДС около 57 мкВ/К).
Другие сферы применения
Искусственный радионуклид 185W используется в качестве радиоактивной метки при исследованиях вещества. Стабильный 184W используется как компонент сплавов с ураном-235, применяемых в твердофазных ядерных ракетных двигателях, поскольку это единственный из распространённых изотопов вольфрама, имеющий низкое сечение захвата тепловых нейтронов (около 2 барн).
Рынок вольфрама
Цены на металлический вольфрам (содержание элемента порядка 99 %) на конец 2010 года составляли около 40—42 долларов США за килограмм, в мае 2011 года составляли около 53—55 долларов США за килограмм. Полуфабрикаты от 58 USD (прутки) до 168 (тонкая полоса). В 2014 году цены на вольфрам колебались в диапазоне от 55 до 57 USD.
Биологическая роль
Вольфрам не играет значительной биологической роли. У некоторых архебактерий и бактерий имеются ферменты, включающие вольфрам в своем активном центре. Существуют облигатно-зависимые от вольфрама формы архебактерий-гипертермофилов, обитающие вокруг глубоководных гидротермальных источников. Присутствие вольфрама в составе ферментов может рассматриваться как физиологический реликт раннего архея — существуют предположения, что вольфрам играл роль в ранних этапах возникновения жизни.
Пыль вольфрама, как и большинство других видов металлической пыли, раздражает органы дыхания.
Изотопы
Основная статья: Изотопы вольфрама
Известны изотопы вольфрама с массовыми числами от 158 до 192 (количество протонов 74, нейтронов от 84 до 118), и более 10 ядерных изомеров.
Природный вольфрам состоит из смеси пяти изотопов (180W — 0,12(1)%, 182W — 26,50(16) %, 183W — 14,31(4) %, 184W — 30,64(2) % и 186W — 28,43(19) %). В 2003 открыта чрезвычайно слабая радиоактивность природного вольфрама (примерно два распада на грамм элемента в год), обусловленная α-активностью 180W, имеющего период полураспада 1,8⋅1018 лет.
Соединения вольфрама | |
|---|---|
| |