Вольфрам (лат. Wolframium), W, химический элемент VI группы периодической системы Менделеева, порядковый номер 74, атомная масса 183,85; тугоплавкий тяжелый металл светло-серого цвета. Природный Вольфрам состоит из смеси пяти стабильных изотопов с массовыми числами 180, 182, 183, 184 и 186. Вольфрам был открыт и выделен в виде вольфрамового ангидрида WO 3 в 1781 году шведским химиком К. Шееле из минерала тунгстена, позднее названного шеелитом. В 1783 году испанские химики братья д"Элуяр выделили WO 3 из минерала вольфрамита и, восстановив WO 3 углеродом, впервые получили сам металл, названный ими Вольфрамом. Минерал же вольфрамит был известен еще Агриколе (16 век) и называется у него "Spuma lupi" - волчья пена (нем. Wolf - волк, Rahm - пена) в связи с тем, что Вольфрам, всегда сопровождая оловянные руды, мешал выплавке олова, переводя его в пену шлаков ("пожирает олово как волк овцу"). В США и некоторых других странах элемент назывался также "тунгстен" (по-шведски - тяжелый камень). Вольфрам долго не находил промышленного применения. Лишь во второй половине 19 века начали изучать влияние добавок Вольфрам на свойства стали.
Вольфрам мало распространен в природе; его содержание в земной коре 1·10 -4 % по массе. В свободном состоянии не встречается, образует собственные минералы, главным образом вольфраматы, из которых промышленное значение имеют вольфрамит (Fe, Mn)WO 4 и шеелит CaWO 4 .
Физические свойства Вольфрама. Вольфрам кристаллизуется в объемноцентрированной кубической решетке с периодом а =3,1647Å; плотность 19,3 г/см 3 , t пл 3410°C, t кип 5900°С. Теплопроводность (кал/см·сек·°С) 0,31 (20°С); 0,26 (1300°С). Удельное электросопротивление (ом·см·10 -6) 5,5 (20°С); 90,4 (2700°С). Работа выхода электронов 7,21·10 -19 дж (4,55 эв), мощность энергии излучения при высоких температурах (вт/см 2): 18,0 (1000°С); 64,0 (2200°С); 153,0 (2700°С); 255,0 (3030°С). Механические свойства Вольфрама зависят от предшествующей обработки. Предел прочности при растяжении (кгс/мм 2) для спеченного слитка 11, для обработанного давлением от 100 до 430; модуль упругости (кгс/мм 1) 35000-38000 для проволоки и 39000-41000 для монокристаллической нити; твердость по Бринеллю (кгс/мм 2) для спеченного слитка 200-230, для кованного слитка 350-400 (1 кгс/мм 2 = 10 Мн/м 2). При комнатной температуре Вольфрам малопластичен.
Химические свойства Вольфрама. В обычных условиях Вольфрам химически стоек. При 400-500°С компактный металл заметно окисляется на воздухе до WO 3 . Пары воды интенсивно окисляют его выше 600°С до WO 3 . Галогены, сера, углерод, кремний, бор взаимодействуют с Вольфрамом при высоких температурах (фтор с порошкообразным Вольфрамом - при комнатной). С водородом Вольфрам не реагирует вплоть до температуры плавления; с азотом выше 1500°С образует нитрид. При обычных условиях Вольфрам стоек к соляной, серной, азотной и плавиковой кислотам, а также к царской водке; при 100°С слабо взаимодействует с ними; быстро растворяется в смеси плавиковой и азотной кислот. В растворах щелочей при нагревании Вольфрам растворяется слегка, а в расплавленных щелочах при доступе воздуха или в присутствии окислителей - быстро; при этом образуются вольфраматы. В соединениях Вольфрам проявляет валентность от 2 до 6, наиболее устойчивы соединения высшей валентности.
Вольфрам образует четыре оксида: высший - WO 3 (вольфрамовый ангидрид), низший - WO 2 и два промежуточных W 10 О 29 и W 4 O 11 . Вольфрамовый ангидрид - кристаллический порошок лимонно-желтого цвета, растворяющийся в растворах щелочей с образованием вольфраматов. При его восстановлении водородом последовательно образуются низшие оксиды и Вольфрам. Вольфрамовому ангидриду соответствует вольфрамовая кислота H 2 WO 4 - желтый порошок, практически не растворимый в воде и в кислотах. При ее взаимодействии с растворами щелочей и аммиака образуются растворы вольфраматов. При 188°С Н 2 WО 4 отщепляет воду с образованием WO 3 . С хлором Вольфрам образует ряд хлоридов и оксихлоридов. Наиболее важные из них: WCl 6 (t пл 275°С, t кип 348°C) и WO 2 Cl 2 (t пл 266°С, выше 300°С сублимирует), получаются при действии хлора на вольфрамовый ангидрид в присутствии угля. С серой Вольфрам образует два сульфида WS 2 и WS 3 . Карбиды вольфрама WC (t пл 2900°C) и W 2 C (t пл 2750°С) - твердые тугоплавкие соединения; получаются при взаимодействии Вольфрама с углеродом при 1000-1500°С.
Получение Вольфрама. Сырьем для получения Вольфрама служат вольфрамитовые и шеелитовые концентраты (50-60% WO 3). Из концентратов непосредственно выплавляют ферровольфрам (сплав железа с 65-80% Вольфрама), используемый в производстве стали; для получения Вольфрама, его сплавов и соединений из концентрата выделяют вольфрамовый ангидрид. В промышленности применяют несколько способов получения WО 3 . Шеелитовые концентраты разлагают в автоклавах раствором соды при 180-200°С (получают технический раствор вольфрамата натрия) или соляной кислотой (получают техническую вольфрамовую кислоту):
1. CaWO 4 тв +Na 2 CO 3 ж = Na 2 WO 4 ж + CaCO 3 тв
2. CaWO 4 тв +2НCl ж = H 2 WO 4 тв +СаCl 2 р-р.
Вольфрамитовые концентраты разлагают либо спеканием с содой при 800-900°С с последующим выщелачиванием Na 2 WO 4 водой, либо обработкой при нагревании раствором едкого натра. При разложении щелочными агентами (содой или едким натром) образуется раствор Na 2 WO 4 , загрязненный примесями. После их отделения из раствора выделяют H 2 WO 4 . Для получения более грубых, легко фильтруемых и отмываемых осадков вначале из раствора Na 2 WO 4 осаждают CaWO 4 , который затем разлагают соляной кислотой.) Высушенная H 2 WO 4 содержит 0,2 - 0,3% примесей. Прокаливанием H 2 WO 4 при 700-800°С получают WO 3 , а уже из него - твердые сплавы. Для производства металлического Вольфрама H 2 WO 4 дополнительно очищают аммиачным способом - растворением в аммиаке и кристаллизацией паравольфрамата аммония 5(NH 4) 2 O·12WO 3 ·nH 2 O. Прокаливание этой соли дает чистый WO 3 . Порошок Вольфрама получают восстановлением WO 3 водородом (а в производстве твердых сплавов - также и углеродом) в трубчатых электрических печах при 700-850°С. Компактный металл получают из порошка металлокерамическим методом, то есть прессованием в стальных прессформах под давлением 3000-5000 кгс/см 2 и термической обработкой спрессованных заготовок - штабиков. Последнюю стадию термической обработки - нагрев примерно до 3000°С проводят в специальных аппаратах непосредственно пропусканием электрического тока через штабик в атмосфере водорода. В результате получают Вольфрам, хорошо поддающийся обработке давлением (ковке, волочению, прокатке и т. д.) при нагревании. Из штабиков методом бестигельной электроннолучевой зонной плавки получают монокристаллы Вольфрама.
Применение Вольфрама. Вольфрам широко применяется в современное технике в виде чистого металла и в ряде сплавов, наиболее важные из которых - легированные стали, твердые сплавы на основе карбида Вольфрама, износоустойчивые и жаропрочные сплавы. Вольфрам входит в состав ряда износоустойчивых сплавов, используемых для покрытия поверхностей деталей машин (клапаны авиадвигателей, лопасти турбин и другие). В авиационной и ракетной технике применяют жаропрочные сплавы Вольфрама с других тугоплавкими металлами. Тугоплавкость и низкое давление пара при высоких температурах делают Вольфрам незаменимым для нитей накала электроламп, а также для изготовления деталей электровакуумных приборов в радиоэлектронике и рентгенотехнике. В различных областях техники используют некоторые химические соединения Вольфрама, например Na 2 WO 4 (в лакокрасочной и текстильной промышленности), WS 2 (катализатор в органических синтезе, эффективная твердая смазка для деталей трения).
Вольфрам является тугоплавким металлом . У него есть свои разновидности марок, каждая из которых имеет особенности. Этот элемент в периодической таблице Менделеева находится под 74 номером и имеет светло-серый цвет. Его температура плавления составляет 3380 градусов. Основными его свойствами являются коэффициент линейного расширения, электрическое сопротивление, температура плавления и плотность.
Свойства и марки вольфрама
Вольфрам имеет свои механические и физические свойства, а также несколько разновидностей марок.
К физическим свойствам относят:
Механические свойства:
- Относительное удлинение - 0%.
- Временное сопротивление - 800−1100 МПа.
- Коэффициент Пуассона 0,29.
- Модуль сдвига - 151,0 ГПа.
- Модуль упругости - 415,0 ГПа.
Отличается этот металл маленькой скоростью испарения даже при 2 тыс. градусов и очень большой точкой кипения - 5900 градусов. Свойствами, которые ограничивают область использования этого материала, являются малое сопротивление окислению, высокая склонность к ломкости и высокая плотность. На вид он напоминает сталь. Используется для того, чтобы изготавливать сплавы высокой прочности. Обработать его можно только после нагревания. Температура нагрева зависит от того, какой именно метод обработки вы собираетесь проводить.
Вольфрам имеет такие марки:
Область применения
Из-за своих уникальных свойств вольфрам получил широкое применение. В промышленности он применяется в чистом виде и в сплавах.
Основными областями применения являются:
Процесс производства тугоплавкого вольфрама
Этот материал относят к редким металлам. Для него характерны сравнительно небольшие объёмы потребления и производства, а также в земной коре малая распространённость. Никакой из редких металлов не получают восстановлением из сырья. Изначально оно перерабатывается в соединение химическое. А ещё любая редкометаллическая руда перед переработкой подвергается дополнительному обогащению.
Выделяют три главные стадии для получения редкого металла:
- Разложение руды. Извлекаемый металл отделяется от основной массы перерабатываемого сырья. Он концентрируется в осадке или растворе.
- Получение химического чистого соединения. Его выделение и очистка.
- Из полученного соединения выделяют металл. Так получают чистые материалы без примесей.
В процессе получения вольфрама тоже есть несколько стадий . Исходное сырьё - шеелит и вольфрамит. Обычно в их составе содержится от 0,2 до 2% вольфрама.
- Обогащение руды производится при помощи электростатической или магнитной сепарации, флотации, гравитации. В итоге получают концентрат вольфрамовый, который содержит примерно 55−65% ангидрида вольфрама. Контролируется в них и наличие примесей: висмута, сурьмы, меди, олова, мышьяка, серы, фосфора.
- Получение вольфрамового ангидрида. Он является сырьём для изготовления вольфрама металлического или же его карбида. Для этого проводится ряд процедур, таких как: выщелачивание спёка и сплава, разложение концентратов, получение вольфрамовой технической кислоты и прочие. В результате этих действий должен получиться продукт, который будет содержать в себе 99,9% трехокиси вольфрама.
- Получение порошка. В виде порошка чистый металл может быть получен из ангидрида. Для этого проводится восстановление углеродом или водородом. Углеродное восстановление проводится реже, потому что ангидрид насыщается карбидами и это приводит к хрупкости металла и ухудшению обработки. При получении порошка применяют специальные методы, которые позволяют контролировать форму и размер зёрен, гранулометрический и химический составы.
- Получение вольфрама компактного. В основном он в виде слитков или штабиков является заготовкой для изготовления полуфабрикатов: ленты, прутков, проволоки и прочих.
Вольфрамовая продукция
Из вольфрама изготавливают многие необходимые для хозяйства предметы, такие как проволока, прутки и прочие.
Прутки
Одной из наиболее распространённой продукцией из этого тугоплавкого материала являются вольфрамовые прутки. Исходным материалом для его изготовления является штабик.
Чтобы из штабика получить пруток его подвергают ковке, используя ротационную ковочную машину.
Осуществляется ковка при нагревании, так как этот металл при комнатной температуре очень хрупкий. В ковке выделяют несколько этапов. На каждом последующем прутки получаются меньшего диаметра.
На первом этапе получаются прутки, которые будут иметь диаметр до 7 миллиметров, если штабик будет иметь длину от 10 до 15 сантиметров. Температура заготовки при ковке должна равняться 1450−1500 градусов. Нагревающим материалом обычно является молибден. После второго этапа прутки будут составлять в диаметре до 4,5 миллиметров. Температура штабика при её производстве примерно 1250−1300 градусов. На следующем этапе прутки будут иметь диаметр до 2,75 миллиметров.
Прутки марок ВЧ и ВА получают при более низких температурах, чем марок ВИ, ВЛ и ВТ.
Если заготовка была получена методом плавки, то горячая ковка не осуществляется. Связано это с тем, что такие слитки имеют крупнокристаллическую грубую структуру. При использовании горячей ковки могут появиться разрушения и трещины.
В этой ситуации вольфрамовые слитки подвергаются горячему двойному прессованию (приблизительная степень деформации 90%). Производится первое прессование при температурном режиме в 1800-1900 градусов, а второе - 1350−1500. После этого заготовки подвергаются горячей ковке для того, чтобы из них получить вольфрамовые прутки.
Эта продукция применяется во многих промышленных отраслях. Одна из наиболее распространённых - сварочные неплавящиеся электроды. Для них подойдут прутки, которые изготовлены из марок ВЛ, ВЛ и ВТ. В качестве нагревателей применяются прутки, изготовленные из марок МВ, ВР и В. А. Они применяются в печах, температура которых может достигать 3 тыс. градусов в вакууме, атмосфере инертного газа или водорода. Вольфрамовые прутки могут быть катодами газозарядных и электронных приборов, а также радиоламп.
Электроды
Одним из главных компонентов, которые необходимы для сварки, являются сварочные электроды. При сварке дуговой они используются наиболее широко. Относится она к термическому классу сварки, в котором за счёт термической энергии осуществляется плавление. Автоматическая, полуавтоматическая или ручная дуговая сварка является самой распространённой. Вольтовой дугой создаётся тепловая энергия, которая находится между изделием и электродом. Дугой называют стабильный мощный электрический заряд в ионизированной атмосфере паров металла, газов. Чтобы получить дугу, электрод к месту сварки проводит электрический ток.
Сварочным электродом называют проволочный стержень, на который нанесено покрытие (возможны варианты и без покрытия). Для сварки существует множество различных электродов. Их отличительными чертами являются диаметр, длина, химический состав. Для сварки определённых сплавов или металлов применяются разные электроды. Наиболее важным видом классификации является разделение электродов на неплавящиеся и плавящиеся.
Сварочные плавящиеся электроды во время сварки расплавляются, их металл вместе с металлом расплавленным свариваемой детали пополняют сварочную ванну. Выполняют такие электроды из меди и стали.
А вот электроды неплавящиеся в процессе сварки не расплавляются. К ним относят вольфрамовые и угольные электроды. При сварке необходимо подавать присадочный материал, который плавится и с расплавленным материалом свариваемого элемента образуют сварочную ванну. Для этих целей в основном применяют сварочные прутки или проволоку. Электроды сварочные могут быть непокрытыми и покрытыми. Покрытие играет важную роль. Его компоненты могут обеспечить получение металла швов определённых свойств и состава, защиту расплавленного металла от влияния воздуха и стабильное горение дуги.
Составляющие в покрытии могут быть раскисляющими, шлакообразующими, газообразующими, стабилизирующими или легирующими. Покрытие может быть целлюлозным, основным, рутиловым или кислым.
Вольфрамовые электроды используются для сварки металлов цветных, а также их сплавов, высоколегированных сталей. Хорошо вольфрамовый электрод подходит для образования сварного шва повышенной прочности, при этом детали могут иметь различный химический состав.
Вольфрамовая продукция очень качественная и нашла своё применение во многих отраслях, в некоторых она просто незаменима.
При комнатной температуре вольфрам стоек к атмосферной коррозии, но при нагреве уже до 750 К окисляется до WO 3 , реагирует с галогенами: с фтором – при комнатной температуре, а йодом при температуре около 900 К.
При нагреве высоких температур он реагирует с углеродом, кремнием и бором, образуя соответственно карбиды,силициды,бориды. Сера и фосфор в обычных условий на вольфрам не действуют. На воздухе растворяется в горячих водных растворах щелочей, но слабо поддается действию кислот, кроме плавиковой и азотной при нагреве.
Водород и азот не дают химических соединений с вольфрамом,в плоть до
3000 0 С, хотя в некоторых источниках имеются указания на возможность образования гидрида WH 2 .
Cкислородом вольфрам образует три устойчивых оксида:
WO 2 – бурового цвета;
WO 3 – желтого цвета;
W 2 O 5 – синеватого цвета.
Все эти оксиды образуются при температуре около 800 К на воздухе или в кислороде, причем все они очень летучи, имеют невысокую температуру плавления. Например, WO 3 плавится при температуре 1645 К.
На практике, чтобы отличить вольфрамовую проволоку, от молибденовой пользуются простым приемом: кончик проволоки поджигают спичкой. Если при этом наблюдается желтый или бурый дымок, значит, это проволока вольфрамовая, если белый – молибденовая.
Углерод восстанавливает оксиды W:
При температуре 825 К;
При температуре 1325 К;
При температуре 1425 К.
С азотом вольфрам образует нитриды при температурах более 1600 К, но выше отметки 2275 К они разлагаются.
При взаимодействии с углеродом и температурах выше 1800 К вольфрам образует карбиды W 2 CиWC. ПлотностьW 2 C – 16000 кг/м 3 , WC– 9000 кг/м 3 , твердость около 9 единиц по Мосу. При температуре 2875 К кабрид WC разлагается по реакции
На рис.73 приведена диаграмма состояния W–C.
Как видно из диаграммы, карбиды вольфрама имеют температуру плавления значительно ниже таковой для самого металла. Так, WC плавится при температуре около 2875 К, W 2 C – 3065 К. Кроме того, карбиды могут образовывать с вольфрамом эвтектические сплавы с температурой плавления значительно низшей чем у металла, который плавится при 3683 К. Поэтому нужно обратить внимание ракетчиков на опасность реакции образования карбидов на границе графит – вольфрам, которая имеет место при нагреве выше 2675 К. Предупреждение связано с тем, что в конструкции вкладыша критического сечения сопла твердотопливного двигателя сочетаются вольфрамовая внутренняя облицовка с графитовой обоймой.
Во избежание приведенной реакции между вольфрамовой облицовкой и графитом обоймы наносится так называемый «барьерный» слой из карбида тантала или титана (ТаС, TiC).
В связи с высокой плотностью вольфрама и его дефицитностью конструкторы и технологи стремятся заменить его на более легкие и менее дефицитные материалы, о чем будет сказано далее.
Рис. 73. Диаграмма состояния W-C
Рис. 74. Схема массопереноса в лампе
накаливания: 1 –стенка колбы, где образуется WJ 2 ; 2 –спираль, где WJ 2 разлагается на W и J
Хотя реакция вольфрама с йодом не имеет отношения к ракетной технике, все же на ней хотелось бы коротко остановиться.
При температуре выше 850 К вольфрам с парами йода образует иодид, который представляет собой легко сублимирующую соль йодидной кислоты:
При температуре2475 К йодид разлагается:
Эти две реакции используются для переноса вольфрама, например, в лампах накаливания: несмотря на низкую упругость паров в них вольфрам все же испаряется в вакууме. Пары его садятся на стенки стеклянной колбы лампы и прозрачность ее уменьшается. Если колбу заполнить парами йода, то последний станет реагировать с вольфрамом на горячей стенке лампы и образует WJ 2 , который за счет диффузии попадает на нагретую вольфрамовую спираль и разложится. Свободный йод снова переместиться к стенке, а вольфрамостанется на спирали, и так без конца. В конечном результате повышается светимость и долговечность йодозаполненных ламп.
Эта же реакция используется в технике для получения чистых тугоплавких металлов: вольфрама, тантала, молибдена, гафния и др.
Эту реакцию можно использовать и для получения тонких оболочек из вольфрама. Кроме йодидного метода для этой цели можно использовать карбонильный, т.е. разложение WCO 2 . В реактивных топливныхдвигателях вольфрам в чистом виде, как правило, не применяется ввиду низкой термической стойкости, а применяется в виде так называемых псевдосплавов с медью. Об этом будет сказано ниже.
В ядерной технике вольфрам может применяться в качестве плакирующего слоя ТВЭЛов на основе UC–ZrC повышения их прочности, уменьшения испарения и распухания. Он может входить в состав металлокерамических элементов типа
W - UC или W – UO 2 и т.п. Такие ТВЭлы могут работать при температуре до 2000 К, так как вольфрам, несмотря на многие недостатки, является жаропрочным металлом, медленно испаряется и защищает от осколков деления и излучений. В разделе «Углеродные материалы» вольфрам рассматривается, как армирующий материал в углеметаллопластиках, которые применяются для изготовления узлов и деталей РДТТ, работающих в жестких условиях высоких температур и высокоскоростных газовых потоков.
Вольфрам - это химический элемент 4-й группы, имеющий атомный номер 74 в периодической системе Дмитрия Ивановича Менделеева, обозначается W (Wolframium). Металл был открыт и выделен двумя испанскими учеными-химиками братьями д’Элуяр в 1783 году. Само название «Wolframium» перешло на элемент с ранее известного минерала вольфрамит, который был известен ещё в XVI в., его тогда называли «волчья пена», или «Spuma lupi» на латыни, на немецком языке данное словосочетание звучит как «Wolf Rahm» (Вольфрам). Наименование было связано с тем фактом, что вольфрам, во время сопровождения оловянных руд, существенно мешал выплавке олова, т.к. переводил олово в пену шлаков (об этом процессе стали говорить: «Пожирает олово как волк овцу!»). В настоящее время в США, Франции, Великобритании и некоторых других странах для наименования вольфрама используется название «tungsten» (от шведского tung sten, что переводится как «тяжелый камень»).
Вольфрам - твердый переходный металл серого цвета. Основное применение вольфрама - роль основы в тугоплавких материалах в металлургии. Вольфрам является крайне тугоплавким, в нормальных условиях металл химически стоек.
От всех других металлов вольфрам отличается необычной твердостью, тяжестью и тугоплавкостью. С давних времен в народе бытует выражение «тяжелый как свинец» или «тяжелее свинца», «свинцовые веки» и т.д. Но правильнее было бы использовать слово «вольфрам» в данных аллегориях. Плотность данного металла почти вдвое больше чем у свинца, если быть точным, то в 1,7 раза. При всем этом атомная масса вольфрама ниже и имеет значение 184 против 207 у свинца.
Вольфрам - металл светло-серого цвета, показатели температуры плавления и кипения у данного металла самые высокие. Благодаря пластичности и тугоплавкости вольфрама есть возможность его использования в качестве нитей накаливания осветительных приборов, в кинескопах, а также в других вакуумных трубках.
Известны двадцать вольфрамовых минералов. Самые распространенные: минералы группы шеелита вольфрамита, которые имеют промышленное значение. Реже можно встретить сульфид вольфрамита, т.е. тунгстенсит (WS2) и окисноподобные соединения - ферро - и купротунгстит, тунгстит, гидротунгстит. Широко распространены вады, псиломеланы с высоким содержанием вольфрама.
В зависимости от условия залеганий, морфологии и типа вольфрамовых месторождений при их разработке используются открытые, подземные, и комбинированные способы.
В настоящее время нет методов получения вольфрама непосредственно из концентратов. В связи с этим сначала из концентрата выделяют промежуточные соединения, а из них потом получают металлический вольфрам. Выделение вольфрама включает: разложение концентратов, затем переход металла в соединения, из которых он отделяется от остальных сопровождающих его элементов. Выделение вольфрамовой кислоты, т.е. чистого химического соединения вольфрам, продолжается последующим производством вольфрама в металлическом виде.
Вольфрам используется в производстве машин и оборудования металлообрабатывающей, строительной и горнодобывающей промышленности, при изготовлении светильников и ламп, в транспорте и электронной индустрии, в химической промышленности и прочих сферах.
Изготовленный из вольфрамовой стали инструмент способен выдерживать огромные скорости интенсивнейших процессов в металлообработке. Скорость резания с использованием такого инструмента обычно измеряется в десятках метров за секунду.
Вольфрам довольно слабо распространен в природе. Содержание металла в земной коре по массе составляет около 1,3·10 −4 %. Основными минералами, содержащими вольфрам, являются природные вольфраматы: шеелит, первоначально называемый тунгстеном, и вольфрамит.
Биологические свойства
Биологическая роль вольфрама незначительна. Вольфрам своими свойствами очень напоминает молибден, но, в отличие от последнего, вольфрам - не эссенциальный элемент. Несмотря на данный факт, вольфрам вполне способен заменять молибден у животных и растений, в составе бактерий, при этом он ингибирует активность Moзависимых ферментов, к примеру, ксантиноксидазы. Вследствие накопления солей вольфрама у животных снижаются уровни мочевой кислоты и повышается уровень гипоксантина и ксантина. Вольфрамовая пыль, как и другие металлические пыли, раздражает дыхательные органы.
В организм человека в среднем за сутки поступает с пищей примерно 0,001-0,015 миллиграммов вольфрама. Усвояемость самого элемента, как и вольфрамовых солей, в ЖКТ человека равняется 1-10 %, слаборастворимых вольфрамовых кислот – до 20 %. Вольфрам в основном накапливается в костной ткани и почках. В костях содержится примерно 0,00025мг/кг, а в крови человека около 0,001мг/л вольфрама. Металл обычно выводится из организма естественным путем, с мочой. Но 75% радиоактивного изотопа вольфрама 185W выводится с калом.
Пищевые источники вольфрама, как и его суточная потребность, пока не изучены. Токсичная доза для человеческого организма пока не выявлена. Летальный исход у крыс наступает от немногим более 30 мг вещества. В медицине считается, что вольфрам не обладает метаболическими, канцерогенными и тератогенными действиями на человека и животных.
Индикатор элементного статуса вольфрама внутри человеческого организма: моча, цельная кровь. По понижению уровня вольфрама в крови данные отсутствуют.
Повышенное содержание вольфрама в организме чаще всего возникает у работников металлургических заводов, занятых в производстве тугоплавких и термоустойчивых, материалов, легированных сталей, а также у людей, вступивших в контакт с карбидом вольфрама.
Клинический синдром «болезнь тяжелых металлов» или пневмокониоз могут стать следствием хронического поступления вольфрамовой пыли в организм. Признаками могут служить появление кашля, нарушений дыхания, развитие атопической астмы и изменений внутри легких. Вышеописанные синдромы обычно стихают после длительного отдыха, и просто в отсутствии прямого контакта с ванадием. В самых тяжелых случаях при запоздалом диагностировании заболевания развивается патология «легочное сердце», эмфизема и фиброз легких.
«Болезни тяжелых металлов» и предпосылки ее возникновения обычно появляются в результате воздействия нескольких разновидностей металлов и солей (например, кобальт, вольфрам и др.). Как было установлено, совместное воздействие вольфрама и кобальта на организм человека усиливает губительное влияние на легочную систему. Комбинирование вольфрамовых и кобальтовых карбидов может вызвать местное воспаление и контактный дерматит.
На современном этапе развития медицины не существует эффективных способов ускоренного метаболизма или выведения группы металлических соединений, способных спровоцировать появление «болезни тяжелых металлов». Именно поэтому так важно постоянно проводить профилактические мероприятия и своевременно выявлять людей с высокой чувствительностью к тяжелым металлам, проводить диагностирование на начальной стадии заболевания. Все эти факторы определяют дальнейшие шансы на успех лечения патологии. Но в отдельных случаях, при необходимости, применяется терапия комплексообразователями и симптоматическое лечение.
Более чем половина (а точнее 58 %) всего производимого вольфрама используется в изготовлении карбида вольфрама, а почти четверть (если точнее, то 23 %) используется при производстве различных сталей и сплавов. На изготовление продукции вольфрамового «проката» (сюда относятся нити ламп накаливания, электрические контакты и др.) приходится примерно 8 % потребляемого в мире вольфрама, а остальные 9 % используется для получения катализаторов и пигментов.
Нашедшая применение в электрических лампах вольфрамовая проволока, недавно обрела новый профиль: предложено использовать ее в качестве режущего инструмента при обработке хрупких материалов.
Высокая прочность и хорошая пластичность вольфрама позволяют изготавливать из него уникальные в своем роде предметы. К примеру, из данного металла можно вытянуть настолько тонкую проволоку, что 100 км этой проволоки будут иметь массу всего 250 кг.
Расплавленный жидкий вольфрам мог бы оставаться в таком состоянии даже вблизи поверхности самого Солнца, ведь температура кипения металла выше 5500 °С.
Многие знают, что бронза состоит из меди, цинка и олова. Но, так называемая вольфрамовая бронза не только не является бронзой по определению, т.к. ни одного из вышеописанных металлов не содержит, она вообще не является сплавом, т.к. в ней отсутствуют чисто металлические соединения, а натрий и вольфрам окислены.
Получить персиковую краску было очень трудно, а зачастую и вовсе невыполнимо. Это и не красный, и не розовый цвет, а какой-то промежуточный, да еще и с зеленоватым оттенком. Придание гласит, что для получения этой краски пришлось использовать более 8000 попыток. В XVII веке персиковой краской украшали лишь самые дорогие изделия из фарфора для тогдашнего китайского императора на специальном заводе в провинции Шаньси. Но когда спустя какое-то время удалось раскрыть секрет редкой краски, оказалось что в ее основе лежит ни что иное, как окись вольфрама.
Это произошло в 1911 году. В провинцию Юньнань из Пекина приехал студент, его звали Ли. День за днем он пропадал в горах, пытаясь отыскать какой-то камень, как он пояснил, это был оловянный камень. Но у него ничего не получалось. Хозяин дома, в котором поселился студент Ли, жил с молодой дочерью по имени Сяо-ми. Девушка очень жалела неудачливого студента и вечером, во время ужина, рассказывала ему просте незамысловатые истории. Одна история повествовала о необычной печи, которая была построена из каких-то темных камней, что срывались прямо со скалы и укладывались на заднем дворе их дома. Данная печь оказалась довольно удачной, а главное прочной, она многие годы исправно служила хозяевам. Молодая Сяо-ми даже преподнесла в подарок студенту даже один такой камень. Это был обкатанный, тяжелый, как свинец камень коричневого цвета. Позже оказалось, что этот камень был чистым вольфрамитом...
В 1900 году на открытии всемирной металлургической выставки в Париже были впервые продемонстрированы совершенно новые экземпляры быстрорежущей стали (сплав стали с вольфрамом). Буквально сразу после этого вольфрам стали широко использовать в металлургической отрасли всех высокоразвитых стран. Но существует довольно интересный факт: впервые вольфрамовая сталь была изобретена в России еще в 1865 г. на Мотовилихском заводе на Урале.
В начале 2010 года в руки пермских уфологов попал интересный артефакт. Предполагается, что это обломок космического корабля. Проведенный анализ обломка показал, что предмет почти полностью состоит из чистого вольфрама. Всего 0,1% состава приходится на редкие примеси. По словам ученых, из чистого вольфрама изготавливают сопла ракет. Но, пока не удается объяснить один факт. На воздухе вольфрам быстро окисляется и ржавеет. Но данный обломок почему-то не поддается коррозии.
История
Само слово «вольфрам» имеет немецкое происхождение. Раньше вольфрамом называли не сам металл, а его главный минерал, т.е. к вольфрамит. Некоторые предполагают, что тогда данное слово использовалось почти как бранное. С начала 16 до второй половины 17 века вольфрам считался минералом олова. Хотя он действительно довольно часто сопутствует оловянным рудам. Но вот из руд, в состав которых входил вольфрамит, олова выплавлялось намного меньше. Как будто кто-то или что-то «пожирало» полезное олово. Отсюда и пошло название нового элемента. По-немецки Вольф (Wolf ) значит волк, а Рам (Ramm) в переводе с древнего германского значит баран. Т.е. выражение «съедает олово, как волк барашка», и стало названием металла.
Известный химический реферативный журнал США или справочные издания по всем химическим элементам Меллора (Англия) и Паскаля (Франция) не содержат в себе даже упоминания о таком элементе как вольфрам. Химический элемент под номером 74 у них называется тунгстеном. Символ W, которым обозначается вольфрам, получил широкое распространение лишь в последние несколько лет. Во Франции и в Италии еще совсем недавно элемент обозначался буквами Tu , т.е. первыми буквами слова tungstene.
Основы такой путаницы заложены в истории открытия элемента. В 1783 году испанские ученые-химики братья Элюар сообщили, что им удалось открыть новый химический элемент. В процессе разложения азотной кислотой саксонского минерала «вольфрам», им удалось получить «кислую землю», т.е. желтый осадок окиси неизвестногометалла, осадок оказался растворим в аммиаке. В исходном материале данная окись была вместе с окислами марганца и железа. Братья Элюар назвали данный элемент вольфрамом, а минерал, из которого был добыт металл, вольфрамитом.
Но братьев Элюар нельзя на все 100% назвать первооткрывателями вольфрама. Безусловно, они первыми сообщили о своем открытии в печати, но… В 1781 году, за два года до открытия братьев, знаменитый шведский химик Карл Вильгельм Шееле нашел точь-в-точь такую же «желтую землю» в процессе обработки азотной кислотой другого минерала. Его ученый назвал просто «тунгстен» (в переводе с шведского tung - тяжелый, sten – камень, т.е. «тяжелый камень»). Карл Вильгельм Шееле нашел, что «желтая земля» отличается по своему цвету, а также по другим свойствам, от аналогичной молибденовой. Ученый также узнал, что в самом минерале она связывалась с окисью кальция. В честь Шееле название минерала «тунгстен» было изменено на «шеелит». Интересно, что один из братьев Элюар являлся учеником Шееле, в 1781 году он работал в лаборатории учителя. Делить открытие ни Шееле, ни братья Элюар не стали. Шееле просто не претендовал на данное открытие, а братья Элюар не стали настаивать на приоритете своего первенства.
Многие слышали о так называемых «вольфрамовых бронзах». Это очень красивые внешне металлы. Синяя вольфрамовая бронза имеет следующий состав Na2O · WO2 ·, а золотистая – 4WO3Na2O · WO2 · WO3; фиолетовая и пурпурно-красная занимают промежуточное положение, в них соотношение WO3 к WO2 меньше четырех, и больше единицы. Как показывают формулы, в этих веществах нет ни олова, ни меди, ни цинка. Это не бронзы, и вовсе не сплавы, т.к. в них даже нет металлических соединений, а натрий и вольфрам здесь окислены. Такие «бронзы» напоминают настоящую бронзу не только внешне, но и своими свойствами: твердость, устойчивость к химическим реагентам, большая электропроводность.
В давние времена персиковый цвет был одним из самых редких, говорили, что для его получения пришлось провести 8000 опытов. В XVII веке в персиковый цвет окрашивали самые дорогие изделия из фарфора китайского императора. Но после раскрытия секрета этой краски неожиданно оказалось, что основу ее составляла окись вольфрама.
Нахождение в природе
Вольфрам слабо распространен в природе, содержание металла в земной коре составляет 1,3·10 -4 % по массе. Вольфрам в основном встречается в составе сложных окисленных соединений, которые образованы трехокисью вольфрама WO3, а также окислами железа и кальция или марганца, иногда меди, свинца, тория и различных редкоземельных элементов. Самый распространенный минерал вольфрамит является твердым раствором вольфраматов, т.е. солей вольфрамовой кислоты, марганца и железа (nMnWO 4 · mFeWO 4). Раствор представляет собой твердые и тяжелые кристаллы черного или коричневого цвета, в зависимости от преобладания различных соединений в составе раствора. Если больше соединений марганца (гюбнерит), кристаллы будут черными, если же преобладают соединения железа (ферберит), раствор будет коричневым. Вольфрамит отлично проводит электрический ток и является парамагнитным
Что касается других минералов вольфрама, промышленное значение имеет шеелит, т.е. вольфрамат кальция (формула CaWO 4). Минерал образует блестящие кристаллы светло-желтого, а иногда и почти белого цветов. Шеелит совершенно не магнитен, зато он обладает другой особенностью - способность к люминесценции. После ультрафиолетового освещения в темноте он будет флуоресцировать ярким синим цветом. Наличие примеси молибдена меняет окраску свечения, она изменяется на бледно-синюю, иногда на кремовую. Благодаря данному свойству можно без особого труда обнаружить геологические залежи минерала.
Обычно месторождения вольфрамовой руды связано с областью распространения гранита. Крупные кристаллы шеелита или вольфрамита – это большая редкость. Обычно минералы просто вкраплены в гранитные породы. Извлекать вольфрам из гранита довольно трудно, т.к. его концентрация обычно составляет не более 2%. Всего известно не более 20-ти минералов вольфрама. Среди них можно выделить штольцит ирасоит, которые представляют собой две разные кристаллические модификации вольфрамата свинца PbWO 4 . Остальные минералы – это продукты разложения или вторичные формы обычных минералов, например, шеелита и вольфрамита (гидротунгстит, который является гидратированным оксидом вольфрама, образовался из вольфрамита; вольфрамовая охра), русселита – минерала содержащего оксиды вольфрама и висмута. Единственным неоксидным минералом вольфрама является тунгстенит (WS 2), в США расположены его основные запасы. Как правило, содержание вольфрама находится в пределах от 0,3% до 1,0% WO 3 .
Все месторождения вольфрама имеют гидротермальное или магматическое происхождение. Шеелит и вольфрамит довольно часто обнаруживают в виде жил, в местах, в которых магма проникла внутрь трещин земной коры. Основная часть месторождений вольфрама сосредоточена в районах молодых горных цепей – Альпы, Гималаи и Тихоокеанский пояс. Крупнейшие месторождения вольфрамита и шеелита находятся в Китае, Бирме, США, России (Урал, Забайкалье и Кавказ), Португалии и Боливии. Ежегодно добыча вольфрамовых руд в мире составляет примерно 5,95·104 т металла, из них 49,5·104 т (или 83%) извлекается в Китае. В России добывают около 3400 т в год, в Канаде – 3000 т в год.
Роль глобального лидера по разработкам вольфрамового сырья играет Китай (месторождение Жианьши составляет 60 процентов китайской добычи, Хуньань – 20 процентов, Юннань - 8 процентов, Гуаньдонь - 6 процентов, Внутренняя Монголия и Гуаньжи - 2% каждое, есть и другие). В России крупнейшие месторождения вольфрамовой руды располагаются в 2-х регионах: на Северном Кавказе (Тырныауз, Кабардино-Балкария) и на Дальнем Востоке. Предприятие в Нальчике перерабатывает вольфрамовую руду в паравольфрамат аммония и оксид вольфрама.
Крупнейший потребитель вольфрама – Западная Европа (30%). США и Китай – по 25%, 12%-13% - Япония. В СНГ ежегодно потребляется около 3000т металла.
Применение
Всего в мире производится примерно 30 тысяч тонн вольфрама в год. Вольфрамовая сталь и другие сплавы с содержанием вольфрама и его карбидов используется при изготовлении танковой брони, оболочек снарядов и торпед, наиболее важных деталей самолетов и двигателей внутреннего сгорания.
В составе самых лучших видов инструментальных сталей непременно присутствует вольфрам. Металлургия поглощает в целом около 95% всего производимого вольфрама. Что характерно для металлургии, используется не только чистый вольфрам, главным образом используется вольфрамболее дешевый - ферровольфрам, т.е. сплав с содержанием вольфрама около 80% и железа около 20%. Его производят в электродуговых печах.
Сплавы вольфрама обладают рядом замечательных качеств. Сплав вольфрама, меди и никеля, как его еще называют «тяжелый» металл, является сырьем при изготовлении контейнеров для хранения радиоактивных веществ. Защитное действие такого сплава на 40% превосходит такое же у свинца. Такой сплав используется и в радиотерапии, ведь при относительно небольшой толщине экрана обеспечивается вполне достаточная защита.
Сплав карбида вольфрама и 16-типроцентного кобальта обладает такой твердостью, что им частично заменяют алмаз в бурении скважин. Псевдосплавы вольфрама с серебром и медью – это отличный материал для выключателей и рубильников в условиях высокого электрического напряжения. Такие изделия служат в 6 раз дольше, чем обычные медные контакты.
Применение чистого вольфрама или сплавов содержащих вольфрам основано, по большей части, на их твердости, тугоплавкости и химической стойкости. Вольфрам в чистом виде широко используется при производстве нитей для электрических ламп накаливания, а также электронно-лучевых трубок, используется при производстве тиглей с целью испарения металлов, используется в контактах автомобильных распределителей зажигания, используется в мишенях для рентгеновских трубок; используется как обмотки и нагревательные элементы электрических печей, а также в качестве конструкционного материала космических и летательных аппаратов, которые эксплуатируют на высокой температуре.
Вольфрам входит в состав сплавов быстрорежущих сталей (содержание вольфрама 17,5 – 18,5%), стеллитов (из кобальта с добавками Cr, С, W), хасталлойев (нержавеющих сталей на основе Ni), а также многих других сплавов. Вольфрам используется как основа в производстве жаропрочных и инструментальных сплавов, а именно используется ферровольфрам (W 68–86%, Mo и железа до 7%), который легко получить путем прямого восстановления шеелитового или вольфрамитового концентрата. Вольфрам используется в производстве победита. Это сверхтвердый сплав, в составе которого содержится 80–85% вольфрама, 7–14% кобальта, 5–6% углерода. Победит является просто незаменимым в процессе обработки металлов, а также в нефтедобывающей и горной отраслях промышленности.
В флуоресцентных устройствах широко применяются вольфраматы магния и кальция. Другие вольфрамовые соли используют в дубильной и химической промышленности. Дисульфид вольфрама – это сухая высокотемпературная смазка, стабильная при температуре до 500° С. При изготовлении красок применяются вольфрамовые бронзы, а также другие соединения вольфрама. Достаточно много вольфрамовых соединений – отличные катализаторы.
В производстве электроламп вольфрам является незаменимым потому, что он не только необычно тугоплавок, но и достаточно пластичен. 1 кг вольфрама служит сырьем для изготовления 3,5 км проволоки. Т.е. из 1 кг вольфрама можно изготовить нити накаливания для 23 тысяч 60-тиваттных ламп. Лишь благодаря данному свойству электротехническая промышленность всего мира потребляет около ста тонн вольфрама в год.
Производство
Первой стадией при получении вольфрама является обогащение руды, т.е. отделение ценных компонентов из основной рудной массы, пустой породы. Используются такие же методы обогащения, как и для других тяжелых металлических руд: измельчение и флотация, а затем магнитная сепарация (вольфрамитные руды) и окислительный обжиг. Полученый таким методом концентрат обычно сжегают с избытком соды, приводя вольфрам тем самым в растворимое состояние, т.е. в вольфрамит натрия.
Другой метод получения данного вещества - это выщелачивание. Вольфрам извлекается при помощи содового раствора при повышенной температуре и под давлением, затем следует нейтрализация и выпадение осадка вольфрамата кальция, т.е. шеелита. Шеелит получают потому, что из него довольно легко добыть очищенную окись вольфрама.
CaWO 4 → H 2 WO 4 или (NH 4) 2 WO 4 → WO 3
Окись вольфрама получают еще и через хлориды. Концентрат вольфрама обрабатывают газообразным хлором при повышенной температуре. При этом образуются хлориды вольфрама, которые путем возгонки легко отделяются от других хлоридов. Полученный хлорид можно пустить на получение окиси либо сразу добывать из него металл.
На следующем этапе окиси и хлориды преобразуются в металлический вольфрам. Для восстановления вольфрамовой окиси лучше всего использовать водород. При таком восстановлении металл получается наиболее чистым. Восстановление окиси проходит в специальной трубчатой печи, где «лодка» с WO 3 продвигается через несколько температурных зон. Навстречу «лодочке» поступает сухой водород, Восстановление оксида происходит в горячих (450-600°C) и холодных зонах (750-1100°C). В холодных зонах происходит восстановление до WO 2 , а дальше – до металла. С течением времени прохождения по горячей зоне, крупицы порошкового вольфрама изменяют свой размер.
Восстановление может проходить не только под при подаче водорода. Часто используется уголь. За счет твердого восстановителя производство упрощается, но температура в данном случае должна достигать 1300°C. Сам уголь и примеси, которые в нем всегда содержатся, вступая с вольфрамом в реакцию, образуют карбиды др. соединения. В результате металл загрязняется. А ведь в электротехнической отрасли используется только высококачественный вольфрам. Даже 0,1% примеси железа делают вольфрам для изготовления наиболее тонкой проволоки, т.к. он становится намного более хрупким.
Выделение вольфрама из хлоридов основывается на пиролизе. Вольфрам и хлор образуют некоторые соединения. Избыток хлора позволяет всех их перевести в WCl6, а он в свою очередь при температуре 1600°C разлагается на хлор и вольфрам. Если присутствует водород, процесс начинается идти при 1000°C.
Именно так получают вольфрам в виде порошка, который потом прессуется при высокой температуре в токе водорода. Первая стадия прессовки (нагревание примерно до 1100-1300°C) дает ломкий пористый слиток. Затем прессование продолжается, а температура начинает повышаться почти до температуры плавления вольфрама. В такой среде металл начинает становиться сплошным и постепенно приобретает свои качества и свойства.
В среднем 30% получаемого в промышленности вольфрама – это вольфрам из вторсырья. Вольфрамовый лом, опилки, стружки и порошок окисляют и переводят в паравольфрамат аммония. Как правило, лом режущих сталей утилизируется на предприятии, производящем эти же стали. Лом из электродов, ламп накаливания и химических реактивов почти нигде не перерабатывают.
В РФ продукты из вольфрама производятся на: Скопинском гидрометаллургическом заводе «Металлург», Владикавказском Заводе «Победит», Нальчикском Гидрометаллургическом заводе, Кировградском заводе твердых сплавов, на Электростали, Челябинском Электрометаллургическом заводе.
Физические свойства
Вольфрам - металл светло-серого цвета. У него самая высокая температура плавления среди всех известных элементов, кроме углерода. Значение данного показателя составляет примерно от 3387 до 3422 градусов по Цельсию. Вольфрам обладает отличными механическими качествами при достижении высоких температур, среди всех металлов вольфрам имеет наименьшее значение такого показателя, как коэффициент расширения.
Вольфрам – это один из самых тяжелых металлов, его плотность составляет 19250 кг/м3. Металл имеет кубическую объемно центрированную решетку параметр а = 0,31589 нм. При температуре 0 градусов по Цельсию электропроводность вольфрама составляет всего 28% от значения того же показателя у серебра (серебро – проводит ток лучше любого другого металла). Чистый вольфрам очень легко поддается обработке, но в чистом виде он встречается редко, чаще он имеет примеси углерода и кислорода, за счет чего и получает свою всем известную твердость. Электрическое сопротивление металла при температуре 20 градусов по Цельсию оставляет 5,5*10 -4 , при температуре 2700 градусов по Цельсию - 90,4*10 -4 .
От всех других металлов вольфрам отличается особой тугоплавкостью, тяжестью и твердостью. Плотность данного металла почти в два раза больше чем у того же свинца, а точнее в 1,7 раза. Но вот атомная масса элемента наоборот ниже и составляет 184 против 207.
Значения модулей растяжения и сжатия у вольфрама необычно высокое, огромное сопротивление температурной ползучести, металл обладает высокой электро- и теплопроводностью. У вольфрама довольно высокий коэффициент электронной эмиссии, который можно существенно улучшить путем сплавления элемента с оксидами некоторых других металлов.
Цвет получаемого вольфрама в большей степени зависит от метода его получения. Сплавленный вольфрам – это блестящий металл серого цвета, который внешне во многом напоминает собой платину. Вольфрамовый порошок может быть серым, темно-серым и даже черным: чем меньше зерна порошка, тем он будет темнее.
Вольфрам обладает высокой стойкостью: при комнатной температуре он не изменяется на воздухе; при достижении температуры красного каления, металл начинает медленно окисляться, выделяя ангидрид вольфрамовой кислоты. Вольфрам почти не растворим в серной, плавиковой и соляной кислотах. В царской водке и азотной кислоте металл окисляется с поверхности. Находясь в смеси плавиковой и азотной кислоты, вольфрам растворяется, образуя приэтом вольфрамовую кислоту. Из всех соединений вольфрама наибольшую практическую пользу несут: вольфрамовый ангидрид или триоксид вольфрама, перекиси с общей формулой ME2WOX, вольфроматы, соединения с углеродом, серой и галогенами.
Вольфрам, встречающийся в природе, состоит из 5-ти стабильных изотопов массовые числа которых186,184, 183, 182, 181. Самым распространенным, является изотоп с массовым числом 184, его доля составляет 30,64%. Из всего относительного множества искусственных радиоактивных изотопов элемента под номером 74 практическую важность имеют лишь три: вольфрам-181 (период его полураспада составляет 145 дней), вольфрам-185 (период его полураспада составляет 74,5 дн.), вольфрам-187 (период его полураспада составляет 23,85 часа). Все данные изотопы образуются внутри ядерных реакторов в процессе обстрела изотопов вольфрама нейтронами природной смеси.
Валентность вольфрама имеет переменчивый характер – от 2 до 6, наиболее устойчив шестивалентный вольфрам трех- и двухвалентные соединения химического элемента неустойчивы и не имеют практического значения. Радиус атома вольфрама составляет 0,141 нм.
Кларк вольфрама земной коры по Виноградову равен 0,00013 г/т. Среднее его содержание в составе горных пород, грамм/тонну: ультраосновных - 0,00001, основных - 0,00007, средних - 0,00012, кислых - 0,00019.
Химические свойства
На вольфрам не действуют: царская водка, серная, соляная, фтороводородная и азотная кислоты, водный раствор гидроксида натрия, ртуть, пары ртути, аммиак (до 700° С), воздух и кислород (до 400° С), водород, вода, хлороводород (до 600° С), угарный газ (до 800° С), азот.
Уже после небольшого нагревания сухой фтор начинает соединяться с тонкоизмельченным вольфрамом. В результате образуется гексафторид (формула WF 6) - это очень интересное вещество, которое имеет температуру плавления 2,5 ° C, а температуру кипения 19,5 ° C. После реакции с хлором образуется аналогичное соединение, но реакция возможна лишь при температуре 600 ° C. WC16, кристаллы сине-стального цвета, начинают плавиться при температуре 275° C, а закипать при достижении 347°C. Вольфрам образует слабоустойчивые соединения с йодом и бромом: тетра- и дииодид, пента- и дибромид.
На высокой температуре вольфрам может соединяться с селеном, серой, азотом, бором, теллуром, кремнием и углеродом. Некоторые такие соединения отличаются удивительной твердостью, а также другими отличными качествами.
Особый интерес вызывает карбонил (формула W(CO) 6). Вольфрам здесь соединяется с окисью углерода, а, следовательно, имеет нулевую валентность. Карбонил вольфрама производят в специальных условиях, т.к. он крайне неустойчив. При температуре 0° он выделяется из специального раствора в форме бесцветных кристаллов, после достижения 50°C карбонил возгоняется, при 100°C он полностью разлагается. Но именно благодаря этому соединению можно получать плотные и твердые вольфрамовые покрытия (из чистого вольфрама). Многие соединения вольфрама так же, как и сам вольфрам, весьма активны. Например, окись вольфрама окись вольфрама WO 3 имеет способность полимеризации. При этом образуются, так называемые, гетерополисоединения (их молекулы могут иметь в составе более 50 атомов) и изополисоединения.
Оксид вольфрама (VI)WO 3 – это кристаллическое вещество, имеющее светло-желтую окраску, при нагревании становится оранжевым. Оксид имеет температуру плавления 1473 °С и температуру кипения – 1800 °С. Вольфрамовая кислота, соответствующая ему, не устойчива, в растворе воды дигидрат выпадает в осадок, при этом он теряет одну молекулу воды при температуре от 70 до 100 °С, а вторую молекулу при температуре от 180 до 350°С.
К образованию полисоединений склонны анионы вольфрамовых кислот. В результате реакции с концентр-ми кислотами образуются смешанные ангидриды:
12WO 3 + H 3 PO 4 = H 3 .
В результате реакции оксида вольфрама и металлического натрия получается нестехиометрический вольфрамат натрия, который называют «вольфрамовой бронзой»:
WO 3 + xNa = Na x WO 3.
В процессе восстановления оксида вольфрама водородом, во время выделения получаются гидратированные оксиды, имеющие смешанную степень окисления, их называют «вольфрамовые сини»:
WO 3–n (OH) n , n = 0,5–0,1.
WO 3 + Zn + HCl = («синь»), W 2 O 5 (OH) (коричн.)
Оксид вольфрама (VI) является полупродуктом в производственном процессе вольфрама, а также его соединений. Он является компонентом отдельных пигментов для керамики и промышленно важных катализаторов для гидрирования.
WCl 6 – Высший хлорид вольфрама, образуется в результате взаимодействия металлического вольфрама или оксида вольфрама с хлором, с фтором, или с тетрахлоридом углерода. После восстановления хлорида вольфрама при помощи алюминия, вместе с монооксидом углерода образуется карбонил вольфрама:
WCl 6 + 2Al + 6CO = + 2AlCl 3 (в эфире)
Вольфрам - это химический элемент периодической системы Менделеева, который принадлежит к VI группе. В природе вольфрам встречается в виде смеси из пяти изотопов. В своем обычном виде и при обычных условиях он представляет собой твердый металл серебристо-серого цвета. Он также является самым тугоплавким из всех металлов.
Основные свойства вольфрама
Вольфрам - это металл, обладающий замечательными физическими и химическими свойствами. Практически во всех отраслях современного производства применяется вольфрам. Формула его обычно выражается в виде обозначения оксида металла - WO 3 . Вольфрам считается самым тугоплавким из металлов. Предполагается, что лишь сиборгий может быть еще более тугоплавок. Но точно пока этого утверждать нельзя, так как сиборгий имеет очень малое время существования.
Этот металл имеет особые физические и химические свойства. Вольфрам имеет плотность 19300 кг/м 3 , температура плавления его составляет 3410 °С. По этому параметру он занимает второе место после углерода - графита или алмаза. В природе вольфрам встречается в виде пяти стабильных изотопов. Их массовые числа находятся в интервале от 180 до 186. Вольфрам обладает 6-й валентностью, а в соединениях она может составлять 0, 2, 3, 4 и 5. Металл также имеет достаточно высокий уровень теплопроводности. Для вольфрама этот показатель составляет 163 Вт/(м*град). По этому свойству он превышает даже такие соединения, как сплавы алюминия. Масса вольфрама обусловлена его плотностью, которая равна 19кг/м 3 . Степень окисления вольфрама колеблется от +2 до +6. В высших степенях своего окисления металл имеет кислотные свойства, а в низших - основные.
При этом сплавы низших соединений вольфрама считаются неустойчивыми. Самыми стойкими являются соединения со степенью +6. Они проявляют и наиболее характерные для металла химические свойства. Вольфрам имеет свойство легко образовывать комплексы. Но металлический вольфрам обычно является очень стойким. Он начинает взаимодействовать с кислородом лишь при температуре +400 °С. Кристаллическая решетка вольфрама относится к типу кубических объемноцентрированных.
Взаимодействие с другими химическими веществами
Если вольфрам смешать с сухим фтором, то можно получить соединение под названием "гексафторид", который плавится уже при температуре 2,5 °С, а закипает при 19,5 °С. Похожее вещество получают при соединении вольфрама с хлором. Но для такой реакции необходима достаточно высокая температура - порядка 600 °С. Однако вещество легко противостоит разрушительному действию воды и практически не подвергается изменениям на холоде. Вольфрам - металл, который без кислорода не производит реакции растворения в щелочах. Однако он легко растворяется в смеси HNO 3 и HF. Самые главные из химических соединений вольфрама - это его трехокись WO 3 , Н 2 WO 4 - вольфрамовая кислота, а также ее производные - соли вольфраматы.
Можно рассмотреть некоторые химические свойства вольфрама с уравнениями реакций. Например, формула WO 3 + 3H 2 = W+3H 2 O. В ней металл вольфрам восстанавливается из оксида, проявляется его свойство взаимодействия с водородом. Это уравнение отражает процесс получения вольфрама из его триоксида. Следующей формулой обозначается такое свойство, как практическая нерастворимость вольфрама в кислотах: W + 2HNO3 + 6HF = WF6 + 2NO + 4H2O. Одним из наиболее примечательных веществ, содержащих вольфрам, считается карбонил. Из него получают плотные и ультратонкие покрытия из чистого вольфрама.
История открытия
Вольфрам - металл, получивший свое название из латинского языка. В переводе это слово означает «волчья пена». Такое необычное название появилось из-за поведения металла. Сопровождая добытую оловянную руду, вольфрам мешал выделению олова. Из-за него в процессе выплавки образовывались только шлаки. Об этом металле говорили, что он «поедает олово, как волк ест овцу». Для многих интересно, кто открыл химический элемент вольфрам?
Это научное открытие было сделано одновременно в двух местах разными учеными, независимо друг от друга. В 1781 году химик из Швеции Шееле получил так называемый «тяжелый камень», проводя опыты с азотной кислотой и шеелитом. В 1783 году братья-химики из Испании по фамилии Элюар также сообщил об открытии нового элемента. Точнее, ими был открыт оксид вольфрама, растворявшийся в аммиаке.
Сплавы с другими металлами
В настоящее время различают однофазные и многофазные вольфрамовые сплавы. Они содержат один или несколько посторонних элементов. Самое известное соединение - это сплав вольфрама и молибдена. Добавление молибдена придает вольфраму прочность при его растяжении. Также к категории однофазных сплавов принадлежат соединения вольфрама с титаном, гафнием, цирконием. Самую большую пластичность вольфраму придает рений. Однако практически применять такой сплав - довольно трудоемкий процесс, так как рений очень тяжело добыть.
Так как вольфрам является одним из самых тугоплавких материалов, то получать вольфрамовые сплавы - непростая задача. Когда этот металл только начинает закипать, другие уже переходят в жидкость или состояние газа. Но современные ученые умеют получать сплавы при помощи процесса электролиза. Сплавы, содержащие вольфрам, никель и кобальт, используются для нанесения защитного слоя на непрочные материалы.
В современной металлургической промышленности также получают сплавы, используя вольфрамовый порошок. Для его создания необходимы особенные условия, включая создание вакуумной обстановки. Из-за некоторых особенностей взаимодействия вольфрама с другими элементами металлурги предпочитают создавать сплавы не двухфазной характеристики, а с применением 3, 4 и более составляющих. Эти сплавы особенно прочны, но при четком соблюдении формул. При малейших отклонениях процентных составляющих сплав может получиться хрупким и непригодным к использованию.
Вольфрам - элемент, применяющийся в технике
Из этого металла изготавливают нити накаливания обыкновенных лампочек. А также трубки для рентгеновских аппаратов, составляющие вакуумных печей, которые должны использоваться при крайне высоких температурах. Сталь, в состав которой входит вольфрам, имеет очень высокий уровень прочности. Такие сплавы используются для изготовления инструментов в самых различных областях: для бурения скважин, в медицине, машиностроении.
Главное преимущество соединения стали и вольфрама - износоустойчивость, маловероятность повреждений. Самый известный в строительстве вольфрамовый сплав носит название «победит». Также этот элемент широко используется в химической промышленности. С его добавлением создают краски, пигменты. Особенно широкое применение в этой сфере получил оксид вольфрама 6. Его применяют для изготовления карбидов и галогенидов вольфрама. Другое название этого вещества - триоксид вольфрама. 6 используется как желтый пигмент в красках для керамики и изделий из стекла.
Что такое тяжелые сплавы?
Все сплавы на основе вольфрама, которые обладают высоким показателем плотности, называют тяжелыми. Их получают только при помощи методов порошковой металлургии. Вольфрам всегда является основой тяжелых сплавов, где его содержание может составлять до 98 %. Кроме этого металла, в тяжелые сплавы добавляется никель, медь и железо. Однако в них могут входить и хром, серебро, кобальт, молибден. Самую большую популярность получили сплавы ВМЖ (вольфрам - никель - железо) и ВНМ (вольфрам - никель - медь). Высокий уровень плотности таких сплавов позволяет им поглощать опасное гамма-излучение. Из них изготавливают маховики колес, электрические контакты, роторы для гироскопов.
Карбид вольфрама
Около половины всего вольфрама применяется для изготовления прочных металлов, особенно вольфрамового карбида, который имеет температуру плавления 2770 С. Карбид вольфрама представляет собой химическое соединение, в котором содержится равное количество атомов углерода и вольфрама. Этот сплав имеет особые химические свойства. Вольфрам придает ему такую прочность, что по этому показателю он превосходит сталь в два раза.
Карбид вольфрама широко используется в промышленности. Из него изготавливают режущие предметы, которые должны быть очень устойчивы к высоким температурам и истиранию. Также из этого элемента изготавливают:
- Детали самолетов, двигатели автомобилей.
- Детали для космических кораблей.
- Медицинские хирургические инструменты, которые применяются в сфере полостной хирургии. Такие инструменты дороже обычной медицинской стали, однако они более производительны.
- Ювелирные изделия, особенно обручальные кольца. Такая популярность вольфрама связана с его прочностью, которая для венчающихся символизирует прочность взаимоотношений, а также внешним видом. Характеристики вольфрама в отполированном виде таковы, что он в течение очень длительного времени сохраняет зеркальный, блестящий вид.
- Шарики для шариковых ручек класса люкс.
Победит - сплав вольфрама
Приблизительно во второй половине 1920-х годов во многих странах начали выпускаться сплавы для режущих инструментов, которые получали из карбидов вольфрама и металлического кобальта. В Германии такой сплав назывался видиа, в Штатах - карбола. В Советском Союзе такой сплав получил название «победит». Эти сплавы оказались прекрасными для обработки чугунной продукции. Победит является металлокерамическим сплавом с чрезвычайно высоким уровнем прочности. Он изготавливается в виде пластинок различных форм и размеров.
Процесс изготовления победита сводится к следующему: берется порошок карбида вольфрама, мелкий порошок никеля или кобальта, и все перемешивается и прессуется в специальных формах. Спрессованные таким образом пластины подвергаются дальнейшей температурной обработке. Это дает очень твердый сплав. Эти пластины используются не только для резки чугуна, но и для изготовления бурильных инструментов. Пластинки из победита напаиваются на бурильное оборудование при помощи меди.
Распространенность вольфрама в природе
Этот металл очень мало распространен в окружающей среде. После всех элементов он занимает 57-е место и содержится в виде кларка вольфрама. Также металл образует минералы - шеелит и вольфрамит. Вольфрам мигрирует в подземные воды либо в виде собственного иона, либо в виде всевозможных соединений. Но его наибольшая концентрация в подземных водах ничтожно мала. Она составляет сотые доли мг/л и практически не меняет их химические свойства. Вольфрам также может попадать в природные водоемы из стоков заводов и фабрик.
Влияние на человеческий организм
Вольфрам практически не поступает в организм с водой или пищей. Может существовать опасность вдыхания вольфрамовых частиц вместе с воздухом на производстве. Однако, несмотря на принадлежность к категории тяжелых металлов, вольфрам не токсичен. Отравления вольфрамом случаются лишь у тех, кто связан с вольфрамовым производством. При этом степень влияния металла на организм бывает разной. Например, вольфрамовый порошок, карбид вольфрама и такое вещество, как ангидрит вольфрамовой кислоты, могут вызывать поражение легких. Его главные симптомы - общее недомогание, лихорадка. Более сильные симптомы возникают при отравлении сплавами вольфрама. Это происходит при вдыхании пыли сплавов и приводит к бронхитам, пневмосклерозу.
Металлический вольфрам, попадая внутрь человеческого организма, не всасывается в кишечнике и постепенно выводится. Большую опасность могут представлять вольфрамовые соединения, относящиеся к растворимым. Они откладываются в селезенке, костях и коже. При длительном воздействии вольфрамовых соединений могут возникать такие симптомы, как ломкость ногтей, шелушение кожи, различного рода дерматиты.
Запасы вольфрама в различных странах
Самые большие ресурсы вольфрама находятся в России, Канаде и Китае. По прогнозам ученых, на отечественных территориях располагается около 943 тысяч тонн этого металла. Если верить этим оценкам, то подавляющая часть запасов расположена в Южной Сибири и на Дальнем Востоке. Очень незначительной является доля разведанных ресурсов - она составляет всего лишь порядка 7 %.
По количеству разведанных залежей вольфрама Россия уступает лишь Китаю. Большая их часть расположена в районах Кабардино-Балкарии и Бурятии. Но в этих месторождениях добывается не чистый вольфрам, а его руды, содержащие также молибден, золото, висмут, теллур, скандий и другие вещества. Две трети получаемых объемов вольфрама из разведанных источников заключены в труднообогатимых рудах, где главным вольфрамосодержащим минералом является шеелит. На долю легкообогатимых руд приходится всего лишь треть всей добычи. Характеристики вольфрама, добываемого на территории России, ниже, чем за рубежом. Руды содержат большой процент триоксида вольфрама. В России очень мало россыпных месторождений металла. Вольфрамовые пески также являются низкокачественными, с большим количеством оксидов.
Вольфрам в экономике
Глобальное производство вольфрама начало свой рост примерно с 2009 года, когда стала восстанавливаться азиатская промышленность. Крупнейшим производителем вольфрама остается Китай. Например, в 2013 году на долю производства этой страны приходился 81 % от мирового предложения. Около 12 % спроса на вольфрам связано с производством осветительных приборов. По прогнозам экспертов, использование вольфрама в этой сфере будет сокращаться на фоне применения светодиодных и люминесцентных ламп как в бытовых условиях, так и на производстве.
Считается, что будет расти спрос на вольфрам в сфере производства электронной техники. Высокая износостойкость вольфрама и его способность выдерживать электричество делают этот металл наиболее подходящим для производства регуляторов напряжения. Однако по объему этот спрос пока остается довольно незначительным, и считается, что к 2018 году он вырастет лишь на 2 %. Однако согласно прогнозам ученых, в ближайшее время должен произойти рост спроса на цементированный карбид. Это связано с ростом автомобильного производства в США, Китае, Европе, а также увеличением горнодобывающей промышленности. Считается, что к 2018 году спрос на вольфрам увеличится на 3,6 %.