VOLFRAMS: VĒSTURE, ĪPAŠĪBAS, STRUKTŪRA, LIETOJUMI - ĶĪMIJA - 2025

Volframa , volframa vai volframa smago metālu ir pāreja, kura ķīmiskais simbols tiek W. atrodas periodā 6. grupas 6 periodiskās tabulas, un atomu skaitu 74. Tā nosaukums ir divas etimoloģiskie nozīmes: cietā akmens un vilku putas; Otrais iemesls ir tas, ka šo metālu sauc arī par volframu.

Tas ir sudrabpelēks metāls, un, kaut arī tas ir trausls, tam ir liela cietība, blīvums un augsta kušanas un viršanas temperatūra. Tāpēc tas ir izmantots visos gadījumos, kad ir saistīta augsta temperatūra, spiediens vai mehāniskie spēki, piemēram, urbji, šāviņi vai starojumu izstarojoši pavedieni.

Volframa stienis ar daļēji oksidēto virsmu. Avots: Ķīmisko elementu Hi-Res attēli

Visizplatītākais šī metāla pielietojums kultūras un tautas līmenī ir elektrisko spuldžu kvēldiegi. Tas, kurš viņus ir apstrādājis, sapratīs, cik viņi ir trausli; tomēr tie nav izgatavoti no tīra volframa, kas ir kaļams un kaļams. Turklāt metāliskās matricās, piemēram, sakausējumos, tā nodrošina lielisku pretestību un cietību.

To raksturo un izceļas ar to, ka tas ir metāls ar augstāko kušanas temperatūru, un tas ir arī blīvāks nekā pats svins, kuru pārspēj tikai citi metāli, piemēram, osmijs un irīdijs. Tāpat tas ir smagākais metāls, kas, kā zināms, pilda noteiktu bioloģisko lomu organismā.

Volframāta anjons WO ₄ ² piedalās lielākajā daļā savu jonu savienojumu , kas var polimerizēties, veidojot kopas skābā vidē. No otras puses, volframs var veidot metālu savienojumus vai saķepināt ar metāliem vai neorganiskiem sāļiem, lai tā cietās vielas iegūtu dažādas formas vai konsistences.

Zemes garozā tas nav ļoti bagātīgs - šajā tonnā ir tikai 1,5 grami šī metāla. Turklāt, tā kā tas ir smags elements, tā izcelsme ir starpgalaktiska; īpaši no supernovas sprādzieniem, kuru veidošanās laikā uz mūsu planētu bija jāizmet volframa atomu “strūklas”.

Vēsture

Etimoloģija

Volframa vai volframa vēsturei ir divas sejas tāpat kā to nosaukumiem: viena Šveices, bet otra vācu. 1600. gados reģionos, kurus šobrīd okupēja Vācija un Austrija, kalnračnieki strādāja, lai iegūtu varu un alvu, lai iegūtu bronzas.

Līdz tam kalnračiem šajā procesā bija ērkšķis: bija ārkārtīgi grūti izkausēt minerālu; minerāls, kas sastāv no wolframite, (Fe, Mn, Mg) WO ₄ , kurš saglabāja vai "ņēma" alvu tā, it kā tas būtu vilks.

No tā izrietēja šī elementa etimoloģija: “vilks” vilkam spāņu valodā, vilks, kurš ēda alvu; un putu vai krējuma “auns”, kura kristāli atgādināja garu, melnu kažokādu. Tādējādi par godu šiem pirmajiem novērojumiem radās nosaukums “wolfram” vai “wolfram”.

1758. gadā Šveices pusē līdzīgs minerāls, scheelīts, CaWO ₄ , tika nosaukts par “tung sten”, kas nozīmē “cietais akmens”.

Abi nosaukumi, volframa un volframa, tiek plaši izmantoti savstarpēji aizstājami, tikai atkarībā no kultūras. Piemēram, Spānijā un Rietumeiropā šo metālu vislabāk pazīst kā volframu; savukārt Amerikas kontinentā dominē nosaukums volframs.

Atzīšana un atklāšana

Tad bija zināms, ka starp septiņpadsmito un astoņpadsmito gadsimtu bija divi minerāli: wolframite un scheelite. Bet kurš redzēja, ka tajos ir metāls, kas atšķiras no citiem? Tos varēja raksturot tikai kā minerālus, un tieši 1779. gadā īru ķīmiķis Pīters Vulfs rūpīgi analizēja volframu un secināja par volframa esamību.

Šveices pusē atkal Karls Vilhelms Šēle 1781. gadā spēja izolēt volframu kā WO ₃ ; un vēl vairāk, viņš ieguva volframa (vai volframa) skābi, H ₂ WO ₄ un citus savienojumus.

Tomēr ar to nepietika, lai nonāktu līdz tīram metālam, jo ​​bija nepieciešams samazināt šo skābi; tas ir, pakļaujot to procesam, kas atdalās no skābekļa un kristalizējas kā metāls. Karlam Vilhelmam Shēēlim nebija atbilstošu krāsniņu vai metodoloģijas šai ķīmiskās reducēšanas reakcijai.

Tieši šeit Bergaras pilsētā sāka darboties spāņu brāļi d'Elhuyar, Fausto un Huans Hosē, kuri ar oglēm reducēja abus minerālus (wolframite un scheelite). Diviem no viņiem tiek piešķirta nopelna un gods būt par metāliskā volframa (W) atklājējiem.

Tēraudi un spuldzes

Jebkura spuldze ar volframa kvēldiegu. Avots: Pxhere.

Tāpat kā citi metāli, tā izmantošanas veidi nosaka tā vēsturi. Starp visizcilākajiem 19. gadsimta beigās varēja minēt tērauda un volframa sakausējumus un volframa pavedienus, kas aizstāja oglekļa atomus elektrisko spuldžu iekšpusē. Var teikt, ka pirmās spuldzes, kā mēs tās zinām, tika tirgotas 1903.-1904.

Īpašības

Ārējais izskats

Tas ir spožs sudrabpelēks metāls. Trausls, bet ļoti grūts (nejaukt ar stingrību). Ja gabals ir augstas tīrības pakāpes, tas kļūst kaļams un ciets tikpat daudz vai vairāk kā vairāki tēraudi.

Atomu skaitlis

74.

Molārā masa

183,85 g / mol.

Kušanas punkts

3422 ° C.

Vārīšanās punkts

5930 ° C.

Blīvums

19,3 g / ml.

Saplūšanas karstums

52,31 kJ / mol.

Iztvaikošanas siltums

774 kJ / mol.

Molārā siltuma jauda

24,27 kJ / mol.

Moha cietība

7.5.

Elektronegativitāte

2.36 pēc Polainga skalas.

Atomu radio

139 vakarā

Elektriskā pretestība

52,8 nΩ · m 20 ° C temperatūrā.

Izotopi

Dabā tas galvenokārt sastopams kā pieci izotopi: ¹⁸² W, ¹⁸³ W, ¹⁸⁴ W, ¹⁸⁶ W un ¹⁸⁰ W. Saskaņā ar molmasu 183 g / mol, kas nosaka šo izotopu (un pārējo atomu masas) vidējo. trīsdesmit radioizotopi), katram volframa vai volframa atomam ir aptuveni simts desmit neitronu (74 + 110 = 184).

Ķīmija

Tas ir metāls, kas ir ļoti izturīgs pret koroziju, jo tā plānais WO ₃ slānis aizsargā to pret skābekļa, skābes un sārmu uzbrukumiem. Pēc izšķīdināšanas un izgulsnēšanas ar citiem reaģentiem iegūst tā sāļus, kurus sauc par volframātiem vai volframātiem; tajos volframa oksidācijas stāvoklis parasti ir +6 (pieņemot, ka ir W ⁶⁺ katjoni ).

Skābju kopas

Decatungstate, volframa polioksometalātu piemērs. Avots: Scifanz

Ķīmiski volframs ir diezgan unikāls, jo tā joniem ir tendence sagrupēties, veidojot heteropolijskābes vai polioksometalatus. Kas viņi ir? Tās ir atomu grupas vai kopas, kas apvienojas, lai noteiktu trīsdimensiju ķermeni; Galvenokārt tādu, kam ir sfēriska būru veida struktūra, kurā tie “ieskauj” citu atomu.

Viss sākas no volframāta anjona WO ₄ ^2- , kas skābā vidē ātri protonējas (HWO ₄ ^- ) un saistās ar blakus esošo anjonu, veidojot ^2- ; un tas, savukārt, savienojas ar vēl ^{diviem 2,} lai iegūtu ^4- . Tātad, kamēr neatrodas vairākas politungstatas.

Paratungstates A un B, ^6- un H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ^10- , attiecīgi, ir vieni no redzamākajiem no šiem polianjoniem.

Var būt grūti nākt klajā ar jūsu Lūisa skici un konstrukcijām; bet principā ir pietiekami tos vizualizēt kā WO ₆ oktaedra kopas (augšējais attēls).

Ņemiet vērā, ka šie pelēcīgi oktaedri galu galā nosaka decatungstate - politungstat; Ja tajā esošais heteroatoms (piemēram, fosfors), tas būtu polioksometatāts.

Struktūra un elektroniskā konfigurācija

Kristāliskās fāzes

Volframa atomi nosaka kristālu ar uz ķermeni vērsta kubiskā (bcc) struktūru. Šī kristāliskā forma ir zināma kā α fāze; savukārt β fāze ir arī kubiska, bet nedaudz blīvāka. Abas un β fāzes vai kristāliskās formas normālos apstākļos var līdzāspastāvēt.

Α fāzes kristāliskie graudi ir izometriski, savukārt β fāzes graudi atgādina kolonnas. Neatkarīgi no kristāla, to regulē metāla saites, kas cieši satur W atomus, pretējā gadījumā nevarēja izskaidrot augsto kušanas un viršanas temperatūru, kā arī volframa augsto cietību un blīvumu.

Metāla saite

Volframa atomiem kaut kā jābūt cieši saistītiem. Lai izdarītu minējumus, vispirms jāievēro šī metāla elektronu konfigurācija:

4f ¹⁴ 5d ⁴ 6s ²

5.d orbitāles ir ļoti lielas un izplūdušas, kas nozīmē, ka starp diviem tuvumā esošajiem W atomiem ir efektīva orbitāla pārklāšanās. Arī 6s orbitāli dod ieguldījumu iegūtajās joslās, bet mazākā mērā. Kamēr 4f orbitāles atrodas "dziļi fonā", un tāpēc to ieguldījums metāliskajā saitē ir mazāks.

Tas, atomu lielums, un kristāliskie graudi, ir mainīgie lielumi, kas nosaka volframa cietību un tā blīvumu.

Oksidācijas stāvokļi

Metāliskā volframa vai volframa gadījumā W atomiem nav nulles oksidācijas stāvokļa (W ⁰ ). Atgriežoties pie elektroniskās konfigurācijas, 5d un 6s orbitāles var "iztukšot" elektronus atkarībā no tā, vai W atrodas ļoti elektronegatīvu atomu, piemēram, skābekļa vai fluora, uzņēmumā.

Kad tiek zaudēti divi 6s elektroni, volframam ir +2 oksidācijas stāvoklis (W ²⁺ ), kas izraisa tā atoma saraušanos.

Ja tā zaudē arī visus elektronus 5d orbitālēs, tā oksidācijas stāvoklis kļūst par +6 (W ⁶⁺ ); No šejienes tas nevar kļūt pozitīvāks (teorētiski), jo, lai 4f orbitāles būtu iekšējas, tām būtu vajadzīgas lielas enerģijas, lai noņemtu savus elektronus. Citiem vārdiem sakot, vispozitīvākais oksidācijas stāvoklis ir +6, kur volframs ir vēl mazāks.

Šis volframs (VI) ir ļoti stabils skābos apstākļos vai daudzos ar skābekli vai halogēnos savienojumos. Citi iespējamie un pozitīvie oksidācijas stāvokļi ir: +1, +2, +3, +4, +5 un +6.

Volframs var iegūt elektronus arī tad, ja tas apvienojumā ar atomiem ir mazāk elektronegatīvs nekā pats. Šajā gadījumā tā atomi kļūst lielāki. Tas var iegūt ne vairāk kā četrus elektronus; tas ir, oksidācijas stāvoklis ir -4 (W ⁴ ).

Iegūšana

Iepriekš tika minēts, ka volframs ir atrodams minerālos wolframite un scheelite. Atkarībā no procesa no tiem iegūst divus savienojumus: volframa oksīdu, WO ₃ vai amonija paratungstāvu, (NH ₄ ) ₁₀ (H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ) · 4H ₂ O (vai ATP). Jebkuru no tiem var reducēt līdz metāliskam W ar oglekli virs 1050 ° C.

Volframa lietņu ražošana nav ekonomiski izdevīga, jo to izkausēšanai būtu nepieciešams daudz siltuma (un naudas). Tāpēc ir vēlams to ražot pulvera veidā, lai to uzreiz apstrādātu ar citiem metāliem, lai iegūtu sakausējumus.

Ir vērts pieminēt, ka Ķīna ir valsts ar lielāko volframa ražošanu visā pasaulē. Un Amerikas kontinentā Kanāda, Bolīvija un Brazīlija arī aizņem šī metāla lielāko ražotāju sarakstu.

Lietojumprogrammas

Gredzens, kas izgatavots no volframa karbīda - piemērs, kā šī metāla cietību var izmantot, lai iemūžinātu un sacietētu materiālus. Avots: SolitaryAngel (SolitaryAngel)

Šeit ir daži no zināmajiem šī metāla izmantošanas veidiem:

-Tā sāļus izmantoja kokvilnas krāsošanai no veco teātru apģērba.

-Kombinēts ar tēraudu, tas vēl vairāk sacietē, spējot pat pretoties mehāniskiem griezumiem lielā ātrumā.

-Viegli sadedzinātie volframa pavedieni jau vairāk nekā simts gadus tiek izmantoti elektriskajās spuldzēs un halogēna lampās. Arī augstās kušanas temperatūras dēļ tas ir kalpojis par materiālu katodstaru lampām un raķešu dzinēju sprauslām.

-Aizvieto svins lādiņu un radioaktīvo vairogu ražošanā.

-Volframa nanovadus var izmantot nanoierīcēs ar pH un gāzi.

-Volframa katalizatori tika izmantoti, lai apstrādātu sēra ražošanu naftas rūpniecībā.

-Volframa karbīds ir visplašāk izmantotais no visiem tā savienojumiem. Sākot ar griešanas un urbšanas instrumentu nostiprināšanu vai no militārā bruņojuma gabalu izgatavošanu līdz koka, plastmasas un keramikas apstrādei.

Riski un piesardzības pasākumi

Bioloģiskā

Tā kā zemes garozā ir salīdzinoši reti sastopams metāls, tā negatīvā ietekme ir niecīga. Skābās augsnēs polineungātes var neietekmēt fermentus, kas izmanto molibdāta anjonus; bet pamata augsnēs WO ₄ ² iejaucas (pozitīvi vai negatīvi) MoO ₄ ^2- un vara metabolisma procesos .

Piemēram, augi var absorbēt šķīstošos volframa savienojumus, un, kad dzīvnieks tos ēd, un pēc tam, kad patērē savu gaļu, W atomi nonāk mūsu ķermenī. Lielākā daļa tiek izvadīta ar urīnu un fekālijām, un maz ir zināms, kas notiek ar pārējo.

Pētījumi ar dzīvniekiem parādīja, ka, ieelpojot lielu pulvera volframa koncentrāciju, viņiem rodas simptomi, kas līdzīgi plaušu vēža simptomiem.

Norijot, pieaugušam cilvēkam būtu jāizdzer tūkstošiem galonu ūdens, kas bagātināts ar volframa sāļiem, lai parādītu ievērojamu fermentu holīnesterāzes un fosfatāzes nomākumu.

Fiziskā

Vispārīgi runājot, volframs ir maz toksisks elements, un tāpēc kaitējuma veselībai risks videi ir maz.

Metāliskā volframa gadījumā izvairieties no tā putekļu ieelpošanas; un, ja paraugs ir ciets, jāpatur prātā, ka tas ir ļoti blīvs un ka tas var nodarīt fiziskus zaudējumus, ja tas tiek nolaists vai skāris citas virsmas.

Atsauces

1. Bells Terence. (sf). Volframs (Wolfram): Īpašības, ražošana, pielietojumi un sakausējumi. Balanss. Atgūts no: thebalance.com
2. Wikipedia. (2019. gads). Volframs. Atgūts no: en.wikipedia.org
3. Lenntech BV (2019). Volframs. Atgūts no: lenntech.com
4. Džefs Desjardins. (2017. gada 1. maijs). Volframa, kas ir spēcīgākais dabīgais metāls uz Zemes, vēsture. Atgūts no: Visualcapitalist.com
5. Doug Stewart. (2019. gads). Volframa elementa fakti. Atgūts no: chemicool.com
6. Art Fisher un Pam Powell. (sf). Volframs. Nevada universitāte. Atgūts no: unce.unr.edu
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2019. gada 2. marts). Volframa vai Volframa fakti. Atgūts no: domaco.com