Вольфрам - металл с уникальными свойствами. Он имеет самую высокую температуру кипения (5555 °C - такая же температура в фотосфере Солнца) и плавления (3422 °C) среди металлов, при этом - самый низкий коэффициент теплового расширения.
Кроме того, он - один самых твёрдых, тяжёлых, стабильных и плотных металлов: плотность вольфрама сравнима с плотностью и урана и в 1, 7 раза выше, чем у свинца.
Его электропроводность почти в 3 раза ниже, чем у меди, однако достаточно высока. В очищенном виде вольфрам - серебристо-белый, напоминает по внешнему виду сталь или платину, при значительном нагреве - до 1600 °C - отлично куётся.
История открытия и применения
Своё название металл получил от вольфрамита - минерала, название которого с латинского переводится как «волчья пена», а с немецкого - как «волчьи сливки». Такое странное наименование связано с поведением минерала: он мешал выплавлять олово, когда сопровождал добытую оловянную руду, превращая ценный в средние века материал в пену шлаков. Про него тогда говорили: «ест олово, словно овцу волк».
Открытие чистого вольфрама произошло в двух местах одновременно. В 1781 году химик Шееле (Швеция) получает «тяжёлый камень», воздействуя азотной кислотой на шеелит. А в 1783 году химики Элюар (Испания) также сообщают о выделении чистого вольфрама.
Главные запасы металла оказались в Казахстане, Канаде, Китае, США.
Применение вольфрама. Карбид вольфрама.
Примерно 50% вольфрама используется для производства твёрдых материалов, в особенности - карбида вольфрама с температурой плавления 2770 °С.
Карбид вольфрама - химическое соединение равных по числу атомов вольфрама и углерода. Он в 2 раза жёстче, чем сталь, имеет коэффициент жёсткости 9 по шкале Мооса ( коэффициент 10).
Карбид вольфрама применяют для изготовления:
— режущих инструментов, чрезвычайно устойчивых к истиранию и воздействию высоких температур;
— бронебойных боеприпасов;
— танковой брони;
— деталей самолётов и двигателей;
— деталей космических кораблей и ракет;
— оборудования для атомной промышленности;
— балластов , коммерческих воздушных судов, гоночных автомобилей;
— хирургических инструментов, предназначенных для открытой (полостной) хирургии и лапароскопической (ножницы, пинцеты, захваты, резаки и другие), - они дороже, чем медицинская сталь, однако обладают лучшей производительностью;
— ювелирных изделий, особенно свадебных колец: популярность вольфрама в обручальных кольцах вызвана физическими свойствами металла (прочностью, тугоплавкостью, словно символизирующими подобную же прочность отношений) и его внешним видом - отполированный, вольфрам неопределённо долго сохраняет сияющий, зеркальный вид, так как в обычной жизни поцарапать его чем-то невозможно;
— шарика в дорогих шариковых ручках;
— калибровочных блоков, используемых, в свою очередь, для производства прецизионных длин в размерной метрологии.
Другие случаи применения вольфрама
Вольфрам применяют в производстве нагревательных элементов для высокотемпературных вакуумных печей, нитей накаливания в разнообразных приборах освещения.
Сульфид вольфрама нашёл применение в качестве высокотемпературной смазки, выдерживающей нагрев до 500 °C. Монокристаллы вольфраматов используют в ядерной физике и медицине.
Мировое производство вольфрама – примерно 30 тыс. т в год. Из вольфрамовой стали и других сплавов, содержащих вольфрам или его карбиды, изготовляют танковую броню, оболочки торпед и снарядов, наиболее важные детали самолетов и двигателей.
Вольфрам – непременная составная часть лучших марок инструментальной стали. В целом металлургия поглощает почти 95% всего добываемого вольфрама. (Характерно, что она широко использует не только чистый вольфрам, но главным образом более дешевый ферровольфрам – сплав, содержащий 80% W и около 20% Fe; получают его в электродуговых печах).
Вольфрамовые сплавы обладают многими замечательными качествами. Так называемый тяжелый металл (из вольфрама, никеля и меди) служит для изготовления контейнеров, в которых хранят радиоактивные вещества. Его защитное действие на 40% выше, чем у свинца. Этот сплав применяют и при радиотерапии, так как он создает достаточную защиту при сравнительно небольшой толщине экрана.
Сплав карбида вольфрама с 16% кобальта настолько тверд, что может частично заменить алмаз при бурении скважин. Псевдосплавы вольфрама с медью и серебром – превосходный материал для рубильников и выключателей электрического тока высокого напряжения: они служат в шесть раз дольше обычных медных контактов.
Применение чистого металла и вольфрамсодержащих сплавов основано, главным образом, на их тугоплавкости, твердости и химической стойкости. Чистый вольфрам используется для изготовления нитей электрических ламп накаливания и электронно-лучевых трубок, в производстве тиглей для испарения металлов, в контактах автомобильных распределителей зажигания, в мишенях рентгеновских трубок; в качестве обмоток и нагревательных элементов электрических печей и как конструкционный материал для космических и других аппаратов, эксплуатируемых при высоких температурах. Быстрорежущие стали (17,5–18,5% вольфрама), стеллит (на основе кобальта с добавлением Cr, W, С), хасталлой (нержавеющая сталь на основе Ni) и многие другие сплавы содержат вольфрам. Основой при производстве инструментальных и жаропрочных сплавов является ферровольфрам (68–86% W, до 7% Mo и железо), легко получающийся прямым восстановлением вольфрамитового или шеелитового концентратов. «Победит» – очень твердый сплав, содержащий 80–87% вольфрама, 6–15% кобальта, 5–7% углерода, незаменим в обработке металлов, в горной и нефтедобывающей промышленности.
Вольфраматы кальция и магния широко используются во флуоресцентных устройствах, другие соли вольфрама используются в химической и дубильной промышленности. Дисульфид вольфрама представляет собой сухую высокотемпературную смазку, стабильную до 500° С. Вольфрамовые бронзы и другие соединения элемента применяются в изготовлении красок. Многие соединения вольфрама являются отличными катализаторами.
Незаменимость вольфрама в производстве электроламп объясняется не только его тугоплавкостью, но и пластичностью. Из одного килограмма вольфрама вытягивается проволока длиной 3,5 км, т.е. этого килограмма достаточно для изготовления нитей накаливания 23 тыс. 60-ваттных лампочек. Именно благодаря этому свойству мировая электротехническая промышленность потребляет всего около 100 т вольфрама в год.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Вольфрам - семьдесят четвертый элемент Периодической таблицы. Обозначение - W от латинского «wolframium». Расположен в шестом периоде, VIB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 74.
По распространенности в земной коре вольфрам уступает хрому, но превосходит молибден. Природные соединения вольфрама в большинстве случаев представляют собой вольфраматы - соли вольфрамовой кислоты H 2 WO 4 . Так, важнейшая вольфрамовая руда - вольфрамит - состоит из вольфраматов железа и марганца. Часто встречается также минерал шеелит CaWO 4 .
Вольфрам - тяжелый белый металл (рис. 1) плотностью 19,3 г/см 3 . Его температура плавления (около 3400 o С), выше, чем температура плавления всех других металлов. Вольфрам можно сваривать и вытягивать в тонкие нити.
Рис. 1. Вольфрам. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса вольфрама
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии вольфрам существует в виде одноатомных молекул W, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 183,84.
Изотопы вольфрама
Известно, что в природе вольфрам может находиться в виде пяти стабильных изотопов 180 W, 182 W, 183 W, 184 W и 186 W.Их массовые числа равны 180, 182, 183, 184 и 186 соответственно. Ядро атома изотопа вольфрама 180 W содержит семьдесят четыре протона и сто шесть нейтронов, а остальные отличаются от него только числом нейтронов.
Существуют искусственные нестабильные изотопы вольфрама с массовыми числами от 158-ми до 192-х, а также одиннадцать изомерных состояния ядер.
Ионы вольфрама
На внешнем энергетическом уровне атома вольфрама имеется шесть электронов, которые являются валентными:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 14 5s 2 5р 6 5d 4 6s 2 .
В результате химического взаимодействия вольфрам отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:
W o -2e → W 2+ ;
W o -3e → W 3+ ;
W o -4e → W 4+ ;
W o -5e → W 5+ ;
W o -6e → W 6+ .
Молекула и атом вольфрама
В свободном состоянии вольфрам существует в виде одноатомных молекул W. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу вольфрама:
Сплавы вольфрама
Большая часть добываемого вольфрама расходуется в металлургии для приготовления специальных сталей и сплавов. Быстрорежущая инструментальная сталь содержит до 20% вольфрама и обладает способностью самозакаливаться. Такая сталь не теряет своей твердости даже при нагревании докрасна.
Кроме быстрорежущих широко применяются другие вольфрамовые и хромовольфрамовые стали. Например, сталь, содержащая от 1 до 6% вольфрама и до 2% хрома, применяется для изготовления пил, фрез, штампов.
Как самый тугоплавкий металл вольфрам входит в состав ряда жаропрочных сплавов. В частности, его сплавы с кобальтом и хромом - стеллиты - обладают высокими твердостью, износоустойчивостью, жаростойкостью. Сплавы вольфрама с медью сочетают в себе высокие электрическую проводимость, теплопроводность и износоустойчивость. Они применяются для изготовления рабочих частей рубильников, выключателей, электродов для точечной сварки.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
Мировое производство вольфрама - примерно 32 тыс. т в год. С начала нашего века оно не раз испытывало резкие взлеты и столь же крутые спады. На диаграмме видно, что пики на кривой производства в точности отвечают кульминационным моментам первой и второй мировых войн. И сейчас вольфрам является сугубо стратегическим металломДиаграмма мирового производства вольфрама (в тыс. т) в первой половине XX в.
Из вольфрамовой стали и других сплавов, содержащих вольфрам или его карбиды, изготовляют танковую броню, оболочки торпед и снарядов, наиболее важные детали самолетов и двигателей.
Вольфрам - непременная составная часть лучших марок инструментальной стали. В целом металлургия поглощает почти 95% всего добываемого вольфрама. (Характерно, что она широко использует не только чистый вольфрам, но главным образом более дешевый ферровольфрам - сплав, содержащий 80% W и около 20% Fe; получают его в электродуговых печах).
Вольфрамовые сплавы обладают многими замечательными качествами. Так называемый тяжелый металл (из вольфрама, никеля и меди) служит для изготовления контейнеров, в которых хранят радиоактивные вещества. Его защитное действие на 40% выше, чем у свинца. Этот сплав применяют и при радиотерапии, так как он создает достаточную защиту при сравнительно небольшой толщине экрана.
Сплав карбида вольфрама с 16% кобальта настолько тверд, что может частично заменить алмаз при бурении скважин.
Псевдосплавы вольфрама с медью и серебром - превосходный материал для рубильников и выключателей электрического тока высокого напряжения: они служат в шесть раз дольше обычных медных контактов.
О применении вольфрама в волосках электроламп говорилось в начале статьи. Незаменимость вольфрама в этой области объясняется не только его тугоплавкостью, но и пластичностью. Из одного килограмма вольфрама вытягивается проволока длиной 3,5 км, т.е. этого килограмма достаточно для изготовления нитей накаливания 23 тыс. 60-ваттных лампочек. Именно благодаря этому свойству мировая электротехническая промышленность потребляет всего около 100 т вольфрама в год.
В последние годы важное практическое значение приобрели химические соединения вольфрама. В частности, фосфорно-вольфрамовая гетерополикислота применяется для производства лаков и ярких, устойчивых на свету красок. Раствор вольфрамата натрия Na2WO4 придает тканям огнестойкость и водонепроницаемость, а вольфраматы щелочноземельных металлов, кадмия и редкоземельных элементов применяются при изготовлении лазеров и светящихся красок.
Прошлое и настоящее вольфрама дают все основания считать его металлом-тружеником.
Свойства вольфрама
Вольфрам – это металл. Его нет в воде морей, нет в воздухе, да и в земной коре всего 0,0055%. Таков вольфрам, элемент , стоящий на 74-ой позиции в . Для промышленности его «открыла» Всемирная выставка во французской столице. Она состоялась в 1900-ом году. В экспозиции была представлена сталь с добавлением вольфрама .
Состав был настолько тверд, что мог разрезать любой материал. оставался «непобедимым» даже при температурах в тысячи градусов, поэтому был назван красностойким. Производители разных государств, посетившие выставку, взяли разработку на вооружение. Производство лигированной стали приобрело мировой масштаб.
Интересно, что сам элемент обнаружили еще в 18-ом веке. В 1781-ом Швед Шеелер проводил опыты с минералом тунгстен. Химик решил поместить его в азотную кислоту. В продуктах разложения ученый и обнаружил неизвестный металл серого цвета с серебристым отливом. Минерал, над которым проводились опыты, позже переименовали в шеелит, а новый элемент назвали вольфрам .
Однако, на изучение его свойств ушло немало времени, поэтому и достойное применение металлу нашли гораздо позже. Название же выбрали сразу. Слово вольфрам существовало и раньше. Испанцы называли так один из минералов, встречавшихся на месторождениях страны.
В состав камня, действительно входил элемент №74. Внешне металл порист, как будто вспенен. Поэтому пришлась кстати еще одна аналогия. В немецком языке вольфрам буквально означает «волчья пена».
Температура плавления металла соперничает с водородом, а он – самый стойкий к температурам элемент. Поэтому, и установить показатель размягчения вольфрама не могли целых сто лет. Не было печей, способных накаляться до нескольких тысяч градусов.
Когда же «выгоду» серебристо-серого элемента «раскусили», его начали добывать в промышленных масштабах. Для выставки 1900-го года, металл извлекли по старинке с помощью азотной кислоты. Впрочем, фольфрам и сейчас так добывают.
Добыча вольфрама
Чаще всего, сначала получают из отходов руд триоксид вещества. Его, при 700 градусах обрабатывают, получая чистый металл в виде пыли. Чтобы размягчить частицы приходится прибегать как раз к водороду. В нем-то вольфрам переплавляют при трех тысячах градусов Цельсия.
Сплав идет на резцы, труборезы, фрезы. для обработки металлов с применением вольфрама повышают точность изготовления деталей. При воздействии на металлические поверхности высоко трение, а это значит, что рабочие плоскости сильно нагреваются. Режущие и полирующие станки без элемента №74 могут и сами оплавится. Это делает срез неточным, несовершенным.
Вольфрам не только сложно расплавить, но и обработать. В шкале твердости металл занимает девятую позицию. Столько же баллов у корунда, из крошек которого делают, к примеру, нождачку. Тверже только алмаз. Поэтому, с его помощью вольфрам и обрабатывают.
Применение вольфрама
«Непоколебимость» 74-го элемента привлекает . Изделия из сплавов с серо-серебристым металлом невозможно поцарапать, согнуть, поломать, если, конечно, не скрести по поверхности или теми же бриллиантами.
У ювелирных украшений из фольфрама есть и еще один бесспорный плюс. Они не вызывают аллергических реакций, в отличие от золота, серебра, платины и, уж тем более, их сплавов с или . Для украшений используют карбид вольфрама, то есть его соединение с углеродом.
Оно признано самым твердым сплавом в истории человечества. Его отполированная поверхность прекрасно отражает свет. Ювелиры называют ее «серым зеркалом».
Кстати, ювелирных дел мастера обратили внимание на вольфрам после того, как из этого вещества в середине 20-го столетия стали изготавливать сердцевины пуль, снарядов и пластины для бронежилетов.
Жалобы клиентов на ломкость высших проб и серебряных украшений, заставили ювелиров вспомнить о новом элементе и попытаться его применить в своей отрасли. К тому же, цены на стали колебаться. Вольфрам стал альтернативой желтому металлу, который перестали воспринимать, как предмет капиталовложения.
Будучи драгоценным металлом, вольфрам стоит немалых денег. За килограмм просят не меньше 50-ти долларов на оптовом рынке. В год мировая промышленность затрачивает 30 тысяч тонн элемента №74. Более 90% поглощает металлургическая отрасль.
Только из вольфрама изготавливают контейнеры для хранения отходов ядерного производства. Металл не пропускает губительные лучи. Редкий элемент добавляют в сплавы для изготовления хирургических инструментов.
То, что не идет на металлургические цели, забирает химическая промышленность. Соединения вольфрама с фосфором, к примеру, — основа лаков и красок. Они не разрушаются, не тускнеют от солнечных лучей.
А раствор вольфромата натрия не поддается влаге и огню. Становится ясно, чем пропитывают водонепроницаемые и огнеупорные ткани для костюмов водолазов и пожарных.
Месторождения вольфрама
В России несколько месторождений вольфрама. Они расположены на Алтае, Дальнем Востоке, Северном Кавказе, Чукотки и в Бурятии. За пределами страны металл добывают в Австралии, США, Боливии, Португалии, Южной Кореи и КНР.
В Поднебесной даже есть легенда о молодом исследователе, который приехал в Китай искать оловянный камень. Студент поселился в одном из домов Пекина.
После бесплодных поисков, парень любил послушать рассказы дочери хозяина жилища. В один из вечеров она поведала историю темных камней, из которых была сложена домашняя печь. Оказалось, что глыбы падают со скалы на задний двор строения. Так, студент не нашел , зато, отыскал вольфрам.
