Валентность вольфрама. Свойства и применение вольфрама

Ознакомление со статьей позволит ознакомиться с физическими и химическими свойствами вольфрама, узнать особенности его нахождения в природе, места добычи, историю открытия и многое другое.

Вольфрам (W)

Вольфрам – это элемент периодической таблицы Д. И. Менделеева, имеет семьдесят четвертый атомный номер, соответствует латинскому символу W. В обычных условиях имеет серо-серебристый цвет, блестит, твердый. Из всех известных металлов вольфрам считается самым тугоплавким. Выше, чем у W, температура плавления только у неметалла – углерода. Имеет высокую химическую стойкость. Валентность вольфрама – переменная.

История открытия

Химик из Швеции Карл Вильгельм Шееле в 1781 г., занимаясь обработкой шеелита азотной кислотой, смог добыть триоксид вольфрама – «тяжелый камень» желтого цвета. Спустя два года, уже в 1783-м, два брата Элюар, ученые-химики родом из Испании, сообщили общественности о том, что смогли получить из вольфрамита новый металл и его окись – вольфрам.

Современные США, Франция и Великобритания используют наименование tungsten для вольфрама, что переводится со шведского как "тяжелый камень". Изначально слово wolframium обозначало минерал вольфрамит. Позже оно перешло к самому металлу.

Вольфрам в природе

По расчетам Виноградова, кларковое число вольфрама в коре земли равно приблизительно 1,3 г/т. Средний показатель содержания в породах горных массивов, г/т: кислые породы – 1,9, средние – 1,2, основные - 0,7, ультраосновные - 0,1.

Самые крупные запасы этого металла сосредоточены в Китае, США, Канаде и Казахстане, а такие страны, как Боливия, Португалия, Узбекистан, Россия и Южная Корея, имеют более маленькие в сравнении с вышеупомянутыми государствами запасы. В год производится около 49-50 тысяч тонн, из них 41 добывается Китаем, доля России соответствует 3,5 тонны, Казахстана - 0,7 и Австралии - 0,5 т.

В промышленности основные роли отдаются вольфрамиту и шеелиту. Минералы вольфрамита чаще всего сосредоточены в гранитных породах, а их средняя концентрация соответствует одному-двум процентам. Большинство добывающих стран экспортируют вольфрам. Цена этого металла довольно высока и может варьироваться в зависимости от его марки и вида, в котором он продается (от 2172 до 6 250 560 руб.). Главными экспортерами вольфрама считаются ЮК, Китай и Австралия. Импортируют его в больших количествах Соединенные Штаты Америки, Германия, Англия и Япония.

Способы получения

Получение вольфрама – это процесс, состоящий из нескольких поэтапных стадий. Сначала выделяют триоксид WO₃ из концентратов руды с идущим следом процессом восстановления до порошка металла при помощи водорода в условиях около 700 °C. В связи с чрезвычайно высокой температурой плавления лучшим способом для получения этого металла являются средства порошковой металлургии. На первой стадии порошок вольфрама прессуют, затем помещают в водородную атмосферу и спекают в условиях около 1200-1300 °C. Далее подвергают воздействию электрического тока и разгоняют температуру нагревания до трех тысяч градусов, этот процесс сопровождается спеканием, и металл превращается в монолит. Последующее получение вольфрама и его очистка из полученных монолитных материалов протекают в условиях зонной плавки. Однако порошок вольфрама – это не единственная форма получения этого металла. При получении W методом пиролиза из хлоридов можно получить его уже в металлической форме, а не в компактной и порошковой.

Химические качественные характеристики

Валентность вольфрама носит переменный характер, от двух до шести. Самую устойчивую форму принимает при шестой валентности. Двух- и трехвалентные формы соединений являются неустойчивыми и не имеют особого значения, на практике не применяются. Вольфрам очень стойкий против коррозии металлов. Комнатная температура позволяет ему поддерживать постоянное положение, не подвергаясь коррозии; по достижении температуры каления начинает окисляться, образовывая вольфрама оксид (VI). Занимает второе место в ряду напряжений и стоит следом за водородом. Практически нерастворим в плавиковой и разбавленной серной кислоте. Азотная кислота и царская водка вызывают процесс окисления поверхности. Растворение возможно в водородной перекиси.

Смесь плавиковой и азотной кислоты хорошо растворяет вольфрам:

2W + 4HNO₃ + 10HF à WF₆ + WOF₄ + 4NO (выделение газа) + 7H₂O.

При наличии окислителей может реагировать с расплавленной щелочью:

2W + 4NaOH₃ + 3O₂ à 2Na₂WO₄ + 2H₂O.

Вышеприведенные примеры реакций протекают очень медленно, но по достижении отметки в 400 °C вольфрам саморазогревается и процесс реакции ускоряется, попутно образовывая большое количество тепла. Реакции при участии кислорода требуют достижения отметки в 500 °C, для того чтобы металл начал самостоятельно нагреваться.

Растворение в смеси из плавиковой и азотной кислот приводит к образованию гексафторвольфрамовой кислоты – H₂[WF₆]. Из всех известных вольфрамовых соединений самыми важными считаются ангидрид вольфрама или триоксид вольфрама, вольфрамат, перекисное соединение с Me₂WO_X, вещества, образованные с S, C и элементами группы галогенов.

Свойства физического характера

Вольфрам представляет собой светло-серый блестящий металл. Температура вольфрама при плавлении и кипении достигает самых высоких отметок по Цельсию в сравнении с другими металлами. Существует предположение о том, что сиборгий имеет еще большие показатели температур плавления и кипения, но в силу того что он «живет» очень мало, этого нельзя утверждать с уверенностью, так как это не доказано экспериментальным путем. Плавиться вольфрам начинает при 3695 K, а кипит, достигнув отметки в 5828 K. Чистый W по плотности близок к золоту – 19,25 грамма на сантиметр кубический. Ему свойственны парамагнитные качества. В соответствии с параметрами измерения по Бринеллю твердость равна 488 кг/мм². При двадцати градусах по Цельсию имеет УЭС 55*10^-9 Ом*м, а в условиях температуры в 2700 °C показатель УЭС возрастает до 904*10^-9 Ом*м. Отраженный от вольфрама звук движется при скорости 4290 м/c.

Одним из самых тяжелых металлов с высоким показателем твердости и огромной температурой плавления по праву считается вольфрам. Свойства, которые ему присущи, обусловливают его ценность на мировом рынке и позволяют широко использовать. Способность выдерживать большие температуры позволяет широкомасштабно применять вольфрам. Проволока, листы и многое другое позволяют создавать механизмы, служащие долгие и долгие годы. Внешне похож на платину. В чистом виде при нагреве до 1600 °C может хорошо коваться.

Применение чистого металла

Основной способ применения вольфрама – это основа в качестве тугоплавкого материала в металлургической промышленности.

Пластические и тугоплавкие свойства – это то, чем славится вольфрам. Проволока из этого металла незаменима в приборах, предназначенных для освещения. Кинескопы и прочие трубки с вакуумом также широко используют W.

Аргонно-дуговая сварка не может обойтись без электродов, изготовленных с участием вольфрама. Вакуумные печи сопротивления также используют его как нагревательный элемент, а сплав этого металла с рением используется как термопара.

Высокая плотность позволяет его применять как основу для сплавов тяжелого типа, используемых в качестве противовеса, бронебойного сердечника для подкалиберного и стреловидного снаряда артиллерийского орудия, сердечника для бронебойных патронов и даже гироскопов, стабилизирующих полет баллистической ракеты.

Вольфрам может послужить отличным средством от излучения ионизирующего типа. Хоть он и имеет большую плотность, особенно в сравнении с традиционным свинцом, по весу при равном уровне оказании защиты одежда или приборы с его применением выходят легче. Свойства тугоплавкости и твердости затрудняют процесс обработки, а потому чаще в подобных случаях пользуются сплавами вольфрама и никеля, а также железа, меди и других металлов.

В промышленности для создания разнообразной прочной продукции используют вольфрам. Лист, порошок вольфрама, электроды и штабик – одни из наиболее распространенных форм выпуска продукции из W.

Применение соединений

Механическая обработка разнообразных металлов, а также материалов, входящих в состав машиностроительных конструкций неметаллической природы, процесс бурения скважины и горнодобывающая промышленность используют прочные сплавы и материалы композитного типа, основанные на карбиде вольфрама, смеси карбид титана, карбид тантала и карбид вольфрама. Марки вольфрама, изготовленные из этих материалов, делятся на Т30К4, Т5К10, ВК25, ВК8, ВК 15, Т15К4, ВК2, ВК6 и ВК4. Марки группы ТТ используются лишь для очень сложной обработки в условиях повышенной сложности. Ярким примером могут послужить ударно-поворотный процесс бурения прочного материала перфоратором или изготовление поковки из стали с высокой жаропрочностью. Используется W как легирующий элемент для стали и в сплавах, основанных на железе. «Быстрорежущая» сталь с буквенной маркировкой, начинающейся с P, более чем в 90 % случаев содержит долю вольфрама.

Иногда различные соединения вольфрама применяют в качестве катализаторов или пигментов, высокотемпературной смазки, для перехода теплового вида энергии в электрическую.

Вольфрам и биология

Вольфрам не считается значительным металлом в биологии, однако некоторые бактерии и архебактерии в составе своих ферментов имеют этот компонент, находящийся в активном центре. Около глубоководных источников гидротермального типа обитают архебактерии-гипертермофилы, которые считаются облигатно-зависимыми от вольфрама. Наличие этого металла в ферментативном составе рассматривается как реликт архея раннего периода, иначе говоря, это может позволить предполагать, что раннее возникновение жизни на земле проходило с участием W.

Как и преобладающая часть других металлов, пыль вольфрама вызывает раздражение органов дыхания.

Формы изотопов

Вольфрам природного происхождения включает в себя смесь пяти различных форм изотопов, а именно: ¹⁸⁰W (0,135 масс. %), ¹⁸²W (26,41 %), ¹⁸³W (14,4 %), ¹⁸⁴W (30,64 %) и ¹⁸⁶W (28,41 %). Валентность вольфрама переменная и всегда соответствует числу от 2 до 6 в любой форме изотопа.

К 2016 году уже было известно тридцать шесть созданных человеком искусственных форм идентифицированных вольфрамовых радионуклидов с массовыми числами: 157…179, 181, 185, 187… 197. Открыта радиоактивность вольфрама природного происхождения была в 2003 году, однако ее показатель чрезвычайно мал, что соответствует приблизительно двум распадам на один грамм в год, а условием этого распада служит α-активность металла.

В заключение

Самым тугоплавким из ныне существующих металлов является вольфрам. Свойства, присущие ему, позволяют находить свое место в широком спектре индустриальной деятельности человека, начиная с машиностроения и заканчивая защитой от облучения. Металл был открыт, грубо говоря, дважды, с разницей в два года, но ни Шееле, ни братья Элюар не особо претендовали на заслуги в честь его обнаружения. Валентность вольфрама является переменной и принимает значение от двух до шести, но, как и говорилось ранее, самая устойчивая форма имеет шестую валентность. Очень устойчив к воздействию коррозии, может реагировать со щелочами и растворяться в смеси плавиковых и азотных кислот.

Марки вольфрама делятся на огромное количество видов в соответствии со способом исполнения, формой, в которой находится металл, и областью его применения. Существует множество форм его изотопа, а сам элемент в природе имеет слабо выраженное радиоактивное свойство и чрезвычайно медленно распадается. Основой для множества деталей и запчастей, самой разнообразной техники и аппаратуры, используемой человеком, служит именно вольфрам. Цена даже за килограмм металла довольно высока, но тем не менее это не снижает спрос на него, ведь его качества соответствуют той стоимости, которую за него просят.