Вольфрам – удивительный металл, способный выдерживать температуру, близкую к температуре поверхности Солнца. Давайте познакомимся с его уникальными свойствами.
Открытие вольфрама
История открытия вольфрама началась в 1781 году, когда знаменитый шведский химик Карл Вильгельм Шееле, обрабатывая минерал шеелит азотной кислотой, получил «тяжелый желтый камень» – оксид вольфрама. Он назвал его тунгстеном, что в переводе с шведского означает «тяжелый камень».
В 1783 году два испанских химика братья Хосе и Фаусто Элюар, работая с минералом вольфрамитом, выделили новый металл – вольфрам. Один из братьев, Фаусто, был знаком с Карлом Шееле и посещал его лабораторию. Поэтому в открытии вольфрама есть вклад обеих сторон.
Вольфрам был открыт почти одновременно в Швеции и Испании в 1781-1783 годах.
Происхождение названия
У вольфрама есть два распространенных названия.
Немецкое название «вольфрам» произошло от старинного термина «волчья пена». Так называли минерал, который мешал выплавке олова, «пожирая» его.
Шведское название «тунгстен» означает «тяжелый камень» и связано с высокой плотностью этого элемента.
Физические свойства
Вольфрам – тяжелый блестящий металл серебристо-серого цвета. Он обладает рядом уникальных физических свойств:
- Самая высокая температура плавления среди металлов – 3422°C.
- Высокая плотность – 19,3 г/см3.
- Большая твердость по Моосу – 7,5.
- Высокое электрическое сопротивление.
- Хорошая теплопроводность.
Благодаря этим свойствам вольфрам широко используется в технике, особенно там, где нужны жаростойкость и твердость.
| Температура плавления вольфрама | 3422°C |
| Плотность вольфрама | 19,3 г/см3 |
Как видно из таблицы, температура плавления вольфрама впечатляет. Это рекордный показатель среди всех металлов!
Химические свойства
Химически вольфрам довольно инертен. Он устойчив к коррозии, медленно окисляется на воздухе при нагревании. Почти не взаимодействует с кислотами, кроме смеси азотной и плавиковой. Образует различные химические соединения, важнейшие из которых:
- Оксиды WO3
- Карбиды WC
- Вольфраматы Na2WO4
Эти соединения широко используются в промышленности благодаря жаропрочности, твердости и другим ценным свойствам.
Месторождения вольфрама
В земной коре содержится около 1,3 г/т вольфрама. Он встречается главным образом в виде минералов:
- Вольфрамит
- Шеелит
- Гюбнерит
Крупнейшие месторождения находятся в Китае, России, Португалии и США. В России добывают около 3400 тонн вольфрама в год на Урале и Дальнем Востоке.
Получение вольфрама
Существует несколько способов получения вольфрама:
- Восстановление оксида WO3 водородом при 700°C.
- Электролиз расплавленных вольфраматов.
- Порошковая металлургия с последующим спеканием.
- Очистка методом зонной плавки.
Полученный порошок вольфрама формуют и спекают при высокой температуре свыше 3000°C. Это позволяет получить плотный металл, устойчивый к такой невероятной температуре плавления.
История применения
Изначально вольфрам использовался только в виде соединений, например пигментов и красителей. В чистом виде его впервые получили братья Элюар в 1783 году.
В 19 веке стали применять вольфрамовую сталь, легированную вольфрамом для повышения износостойкости. Ее использовали для инструментов и оружия.
Во время войн спрос на вольфрам резко возрастал. Так, в Первую мировую войну Германия страдала от нехватки этого металла.
Сегодня вольфрам широко применяется в машиностроении, авиации, космонавтике, электронике. Его соединения используются как пигменты и катализаторы.
Вольфрам в технике
Благодаря жаропрочности и твердости, вольфрам незаменим в производстве:
- Режущего инструмента.
- Трубчатых электронагревателей.
- Электрических контактов.
- Термопар.
- Рентгеновских трубок.
Из вольфрама делают нити накала в лампах, контакты для сварки, оснастку для обработки жаропрочных материалов. Его температура плавления позволяет выдерживать огромные тепловые нагрузки.
Вольфрам и здоровье
Вольфрам считается умеренно токсичным металлом. При вдыхании его пыли возможно раздражение органов дыхания, бронхиты, пневмосклероз.
Наиболее опасны соединения вольфрама, особенно оксид WO3. Симптомы отравления этим веществом:
- Общая слабость.
- Головные боли.
- Тошнота.
- Повышенная утомляемость.
Поэтому при работе с вольфрамом необходимы защитные меры – маски, перчатки, вентиляция помещений.
Сплавы на основе вольфрама
Добавка вольфрама используется для создания жаропрочных и износостойких сплавов. Наиболее известные:
- Вольфрамокобальтовые твердые сплавы (WC-Co). Применяются для режущего инструмента.
- Жаропрочные никелевые сплавы с вольфрамом. Используются в авиакосмической промышленности.
- Вольфрамовая сталь. Повышает износостойкость инструмента и оружия.
Благодаря сочетанию свойств компонентов, такие сплавы способны сохранять высокую твердость и прочность при нагреве до 1000-1200°С.
Изделия из вольфрама
Из чистого вольфрама изготавливают различные детали, используемые при экстремально высоких температурах:
- Тигли и лодочки для плавки металлов.
- Нити накала в лампах.
- Электрические контакты и разъемы.
- Детали ракетных двигателей.
- Защитные экраны для сварки.
Высокая температура плавления вольфрама позволяет изготавливать такие детали, способные работать в условиях интенсивного нагрева.
Вольфрам в искусстве
Соединения вольфрама используются как пигменты для получения ярких, стойких красок. Например, желтый цвет придает оксид WO3.
В Китае оксид вольфрама применялся для создания фарфора уникального персикового оттенка, который был доступен только императору.
Карбид вольфрама WC используется в ювелирном деле. Из него делают вставки, имитирующие бриллианты.
Перспективы применения
Активно ведутся разработки новых областей использования вольфрама и его соединений:
- Сверхпроводящие материалы.
- Водородная энергетика.
- Ядерные реакторы.
- Наноэлектроника.
- 3D-печать функциональных деталей.
Уникальные свойства вольфрама открывают перспективы применения этого металла в самых разных сферах передовых технологий.
Добыча вольфрама в мире
Мировые запасы вольфрама оцениваются в 2,9 млн тонн. Основные страны-производители:
- Китай (83% мировой добычи)
- Россия
- Канада
- Боливия
- Португалия
Крупнейшее месторождение находится в Китае - Цзианьси. Его разработка обеспечивает 60% китайской добычи вольфрама.
Цены на вольфрам
Цены на вольфрам зависят от чистоты продукта:
- Металл чистотой 99% - 40-50 долларов за кг.
- Прутки - от 58 долларов за кг.
- Тонкая полоса - до 168 долларов за кг.
На цену влияет спрос со стороны военной промышленности и дефицит предложения. В 2014 году цена достигала 55-57 долларов за кг.
Вольфрам в природе
В земной коре содержится около 1,3 г/т вольфрама. Он встречается в виде минералов:
- Вольфрамит
- Шеелит
- Ферберит
- Гюбнерит
Эти минералы концентрируются в гранитах, среднее содержание вольфрама в них 1-2%.
Биологическая роль
Вольфрам практически не играет биологической роли. Лишь некоторые бактерии используют ферменты с его участием.
Считается, что в древности вольфрам мог участвовать в зарождении жизни в экстремальных условиях.
Радиоактивность
В 2003 году установлена слабая радиоактивность природного изотопа вольфрама-180. Его период полураспада составляет 1,8·1018 лет.
