Вольфрам - это что такое? Степень окисления вольфрама. Сферы применения вольфрама

Вольфрам – химический элемент, атомный номер которого равен 74. Этот тяжелый металл от серо-стального до белого цвета, отличающийся высокой прочностью, что делает его во многих случаях просто незаменимым. Температура плавления у него выше, чем у любого другого металла, и поэтому он используется в качестве нитей в лампах накаливания и нагревательных элементов в электрических печах (например, сплав цирконий-вольфрам). Химия элемента позволяет применять его в качестве катализатора. Исключительная твердость делает его пригодным для использования в «быстрорежущей стали», которая позволяет резать материалы с более высокой скоростью, чем углеродистые стали, и в жаропрочных сплавах. Карбид вольфрама, соединение элемента с углеродом, является одним из самых твердых известных веществ и применяется для изготовления фрезерных и токарных инструментов. Вольфраматы кальция и магния широко используются в люминесцентных лампах, а оксиды вольфрама – в красках и керамической глазури.

История открытия

Предположение о существовании этого химического элемента впервые было высказано в 1779 году Питером Вульфом, когда он исследовал минерал вольфрамит и пришел к заключению, что он должен содержать новое вещество. В 1781 году Карл Вильгельм Шееле установил, что из тунгстенита может быть получена новая кислота. Шееле и Торберн Бергман предложили рассмотреть возможность получения нового металла путем восстановления этой кислоты, получившей название тунгстеновой. В 1783 году два брата, Хосе и Фаусто Эльгуяр, нашли в вольфрамите кислоту, которая была идентична тунгстеновой. В том же году братьям удалось выделить из нее вольфрам, используя древесный уголь.

Во время Второй мировой войны этот химический элемент сыграл огромную роль. Устойчивость металла к высоким температурам, а также экстремальная прочность его сплавов сделала вольфрам важнейшим сырьем для военной промышленности. Воюющие стороны оказывали давление на Португалию как на главный источник вольфрамита в Европе.

Нахождение в природе

В природе элемент встречается в вольфрамите (FeWO₄/MnWO₄), шеелите (CaWO₄), ферберите и гюбнерите. Важные месторождения этих полезных ископаемых найдены в США в Калифорнии и Колорадо, в Боливии, Китае, Южной Корее, России и Португалии. В Китае сосредоточено около 75 % мирового производства вольфрама. Металл получают путем восстановления его оксида водородом или углеродом.

Мировые запасы оцениваются в 7 млн т. Предполагается, что 30 % из них – залежи вольфрамита и 70 % – шеелита. В данное время их разработка экономически не выгодна. При текущем уровне потребления этих запасов хватит только на 140 лет. Другим ценным источником вольфрама является переработка металлолома.

Основные характеристики

Вольфрам – химический элемент, который классифицируется как переходный металл. Его символ W происходит от латинского слова wolframium. В периодической таблице, он находится в VI группе между танталом и рением.

В чистом виде вольфрам – это твердый материал, цвет которого варьируется от серо-стального до оловянно-белого. С примесями металл становится хрупким и с ним трудно работать, но если их нет, то его можно резать ножовкой. Кроме того, его можно ковать, прокатывать и вытягивать.

Вольфрам – химический элемент, температура плавления которого является самой высокой среди всех металлов (3422 °C). Также у него самое низкое давление пара. Прочность на разрыв при T> 1650 °C у него также самая большая. Элемент чрезвычайно устойчив к коррозии и лишь немного поддается воздействию минеральных кислот. При контакте с воздухом на поверхности металла образуется защитный оксидный слой, но полностью вольфрам окисляется при высокой температуре. При его добавлении в небольших количествах в сталь ее твердость резко возрастает.

Изотопы

В природе вольфрам состоит из пяти радиоактивных изотопов, но у них такой длительный период полураспада, что их можно считать стабильными. Все они распадаются на гафний-72 с испусканием альфа-частиц (соответствующих ядрам гелия-4). Альфа-распад наблюдается только у ¹⁸⁰W, наиболее легком и редком из этих изотопов. В среднем, в 1 г природного вольфрама в год происходит два альфа-распада ¹⁸⁰W.

Кроме того, описаны 27 искусственных радиоактивных изотопов вольфрама. Наиболее стабильным из них является ¹⁸¹W с периодом полураспада 121,2 дня, ¹⁸⁵W (75,1 дня), ¹⁸⁸W (69,4 дня) и ¹⁷⁸W (21,6 дня). У всех других искусственных изотопов период полураспада не превышает суток, и большинство из них – менее 8 мин. Вольфрам также имеет четыре «метастабильных» состояния, из которых наиболее устойчивое – ^179mW (6,4 мин).

Соединения

В химических соединениях вольфрам степень окисления изменяет от +2 до +6, из которых наиболее распространенной является +6. Элемент, как правило, вступает в связь с кислородом, образуя желтый триоксид (WO₃), который растворяется в водных щелочных растворах в виде ионов вольфрамата (WO₄²⁻).

Применение

Так как вольфрам обладает очень высокой температурой плавления и пластичен (может быть вытянут в провод), он широко используется в качестве нитей ламп накаливания и вакуумных ламп, а также в нагревательных элементах электрических печей. Кроме того, материал выдерживает экстремальные условия. Одно из известных его применений – дуговая сварка вольфрамовым электродом в защитном газе.

Исключительно твердый вольфрам – это идеальный компонент тяжелых оружейных сплавов. Большая плотность используется в гирях, противовесах и балластных килях для яхт, а также в дартс (80–97 %). Быстрорежущая сталь, которая может резать материал на более высоких скоростях, чем углеродистая, содержит до 18 % этого вещества. В турбинных лопатках, износостойких деталях и покрытиях используются «суперсплавы», содержащих вольфрам. Это жаропрочные высокостойкие сплавы, которые функционируют при повышенных температурах.

Тепловое расширение химического элемента подобно боросиликатному стеклу, поэтому его применяют для изготовления уплотнения стекло-металл. Композиты, содержащие вольфрам, – это прекрасный заменитель свинца в пулях и дроби. В сплавах с никелем, железом или кобальтом из него делают снаряды ударного действия. Подобно пуле, для поражения цели используется его кинетическая энергия. В интегральных схемах из вольфрама делают соединения с транзисторами. Некоторые типы струн для музыкальных инструментов производятся из вольфрамовой проволоки.

Использование соединений

Исключительная твердость карбида вольфрама (W₂C, WC) делает его самым распространенным материалом для изготовления фрезерных и токарных инструментов. Он применяется в металлургической, горнодобывающей, нефтяной и строительной промышленности. Карбид вольфрама также используется при создании ювелирных изделий, так как он является гипоаллергенным и не склонен терять свой блеск.

Из его оксидов делают глазурь. Вольфрамовая «бронза» (называемая так из-за цвета оксидов) используются в красках. Вольфраматы магния и кальция применяются в люминесцентных лампах. Кристаллический вольфрамат служит сцинтилляционным детектором в ядерной медицине и физике. Соли находят применение в химической и кожевенной промышленности. Дисульфид вольфрама является высокотемпературной смазкой, выдерживающей 500 °C. Некоторые соединения, содержащие вольфрам, в химии используются как катализаторы.

Свойства

Основные физические свойства W следующие:

• Атомное число: 74.
• Атомная масса: 183,85.
• Температура плавления: 3410 °C.
• Точка кипения: 5660 °C.
• Плотность: 19,3 г/см³ при 20 °C.
• Состояния окисления: +2, +3, +4, +5, +6.
• Электронная конфигурация: [Xe]4f¹⁴5d⁴6s².