VOLFRAMAS: ISTORIJA, SAVYBĖS, STRUKTŪRA, NAUDOJIMO BŪDAI - CHEMIJA - 2024

Volframo , volframo ar volframo sunkiųjų metalų yra perėjimas, kurio cheminis simbolis yra W. Įsikūręs laikotarpį 6 grupė 6 d periodinėje lentelėje, o atominis skaičius 74. Jo vardas turi dvi etimologijos reikšmes: kietojo akmens ir vilko putos; Antra, nes šis metalas taip pat žinomas kaip volframas.

Tai yra sidabriškai pilkas metalas ir, nors ir trapus, pasižymi dideliu kietumu, tankiu, aukšta lydymosi ir virimo temperatūra. Todėl jis buvo naudojamas visose srityse, susijusiose su aukšta temperatūra, slėgiu ar mechaninėmis jėgomis, tokiose kaip grąžtai, sviediniai ar radiaciją spinduliuojančios gijos.

Volframo strypas, kurio paviršius iš dalies oksiduotas. Šaltinis: Hi-Res vaizdai iš cheminių elementų

Labiausiai žinomas šio metalo panaudojimas kultūriniu ir populiariausiu lygmeniu yra elektrinių lempučių siūlai. Kas juos tvarkė, supras, kokie jie trapūs; tačiau jie nėra pagaminti iš gryno volframo, kuris yra kaliojo ir kaliojo. Be to, metalinėse matricose, tokiose kaip lydiniai, jis užtikrina puikų atsparumą ir kietumą.

Jis apibūdinamas ir išsiskiria tuo, kad yra metalas, kurio lydymosi temperatūra aukščiausia, o taip pat yra tankesnis už patį šviną, kurį lenkia tik kiti metalai, tokie kaip osmis ir iridis. Lygiai taip pat, kaip žinia, sunkiausias metalas atlieka tam tikrą biologinį vaidmenį organizme.

Volframato anijonas WO ₄ ^2- dalyvauja daugumoje jo joninių junginių , kurie gali polimerizuotis, sudarydami grupes rūgščioje terpėje. Kita vertus, volframas gali sudaryti tarpmetalinius junginius arba būti sukepintas su metalais ar neorganinėmis druskomis, kad jo kietosios medžiagos įgytų skirtingas formas ar nuoseklumą.

Žemės plutoje jo nėra gausu, jo tonoje yra tik 1,5 gramo šio metalo. Be to, kadangi tai yra sunkus elementas, jo kilmė yra tarpgalaktinė; būtent iš supernovų sprogimų, kurie, formuodamiesi, turėjo išmesti volframo atomų „strėles“ į mūsų planetą.

Istorija

Etimologija

Volframo ar wolframo istorija turi du veidus, kaip ir jų vardai: vienas šveicariškas, o kitas vokiškas. 1600-aisiais regionuose, kuriuos šiuo metu okupuoja Vokietija ir Austrija, kalnakasiai dirbo iš vario ir alavo išgauti bronzoms gaminti.

Tada kalnakasiai atsidūrė su erškėčiu: ten buvo ypač sunku ištirpti mineralą; mineralas, susidedantis iš wolframite, (Fe, Mn, Mg) WO ₄ , kuris sulaikė arba „prarijo“ skardą tarsi vilkas.

Taigi etimologija šiam elementui, „vilkas“ vilkui ispaniškai, vilkui, kuris valgė alavą; ir putų ar grietinėlės „avinas“, kurio kristalai priminė ilgą juodą kailį. Taigi šių pirmųjų pastebėjimų garbei atsirado vardas „wolfram“ arba „wolfram“.

1758 m. Šveicarijos pusėje panašus mineralas, scheelitas, CaWO ₄ , buvo pavadintas „tung sten“, kuris reiškia „kietas akmuo“.

Abu pavadinimai - wolfram ir volframas - yra plačiai vartojami pakaitomis, atsižvelgiant tik į kultūrą. Pavyzdžiui, Ispanijoje ir Vakarų Europoje šis metalas yra geriausiai žinomas kaip volframas; tuo tarpu Amerikos žemyne ​​vyrauja volframo vardas.

Pripažinimas ir atradimas

Tuomet buvo žinoma, kad tarp XVII – XVIII amžių buvo du mineralai: wolframite ir scheelite. Bet kas pamatė, kad juose yra metalo, kuris skiriasi nuo kitų? Jas buvo galima apibūdinti tik kaip mineralus, ir būtent 1779 m. Airių chemikas Peteris Woulfe'as atidžiai išanalizavo volframą ir padarė išvadą apie volframo buvimą.

Šveicarijos pusėje vėlgi Carlas Wilhelmas Scheele'as 1781 m. Sugebėjo išskirti volframą kaip WO ₃ ; ir dar daugiau, jis gavo volframinę (arba volframinę) rūgštį, H ₂ WO ₄ ir kitus junginius.

Tačiau to nepakako norint patekti į gryną metalą, nes reikėjo sumažinti šią rūgštį; tai yra, veikiant tokiu būdu, kad jis atsiskiria nuo deguonies ir kristalizuojasi kaip metalas. Carlas Wilhelmas Scheele neturėjo tinkamų krosnių ar metodikos šiai cheminės redukcijos reakcijai.

Būtent čia Bergaros mieste pradėjo veikti broliai ispanai d'Elhuyar, Fausto ir Juanas José, kurie abu mineralus (wolframite ir scheelite) sumažino anglimi. Dviems iš jų suteiktas nuopelnas ir garbė būti metalo volframo (W) atradėjais.

Plienas ir lemputės

Bet kuri lemputė su volframo siūleliu. Šaltinis: Pxhere.

Kaip ir kiti metalai, jo naudojimo būdai nusako jo istoriją. Tarp ryškiausių XIX a. Pabaigos buvo plieno-volframo lydiniai ir volframo gijos, pakeičiančios anglies dalis elektros lempučių viduje. Galima sakyti, kad pirmosios lemputės, kaip mes jas žinome, buvo parduodamos 1903–1904 m.

Savybės

Fizinė išvaizda

Tai blizgus sidabriškai pilkas metalas. Trapus, bet labai sunkus (nereikia painioti su tvirtumu). Jei gabalas yra labai grynas, jis tampa kalus ir kietas tiek, kiek daugiau ar daugiau plienų.

Atominis skaičius

74.

Molinė masė

183,85 g / mol.

Lydymosi temperatūra

3422 ° C.

Virimo taškas

5930 ° C.

Tankis

19,3 g / ml.

Lydymosi šiluma

52,31 kJ / mol.

Garinimo šiluma

774 kJ / mol.

Molinės šilumos talpa

24,27 kJ / mol.

Moho kietumas

7.5.

Elektronegatyvumas

2.36 pagal Paulingo skalę.

Atominis radijas

139 val

Elektrinė varža

52,8 nΩ · m esant 20 ° C.

Izotopai

Gamtoje jis dažniausiai būna kaip penki izotopai: ¹⁸² W, ¹⁸³ W, ¹⁸⁴ W, ¹⁸⁶ W ir ¹⁸⁰ W. Pagal molinę masę 183 g / mol, kuri sudaro šių izotopų (ir kitų trisdešimt radioizotopų), kiekvienas volframo arba volframo atomas turi apie šimtą dešimties neutronų (74 + 110 = 184).

Chemija

Tai metalas, labai atsparus korozijai, nes plonas WO ₃ sluoksnis apsaugo jį nuo deguonies, rūgščių ir šarmų puolimo. Ištirpinus ir nusodinus kitais reagentais, gaunamos jo druskos, kurios vadinamos volframatais arba wolframatais; juose volframo oksidacijos būsena paprastai yra +6 (darant prielaidą, kad yra W ⁶⁺ katijonai ).

Rūgščių grupavimas

Decatungstate, volframo polioksometalatų pavyzdys. Šaltinis: Scifanz

Chemiškai volframas yra gana unikalus, nes jo jonai linkę kauptis, sudarydami heteropolines rūgštis arba polioksometalatus. Kas jie tokie? Tai yra atomų grupės arba grupės, susidedančios apibrėžti trimatį kūną; Dažniausiai tas, kurio struktūra yra sferinė, panaši į narvą, kuriame jie „uždaro“ kitą atomą.

Viskas prasideda nuo volframato anijono WO ₄ ^2- , kuris rūgščioje terpėje greitai protonuoja (HWO ₄ ^- ) ir jungiasi su kaimyniniu anijonu, sudarydamas ^2- ; ir tai savo ruožtu susijungia su dar ² -u, kad būtų ^4- . Taigi tol, kol bus išspręstos kelios politungės.

Paratungstates A ir B, ^6- ir H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ^10- yra atitinkamai vienas iš ryškiausių šių polianionų.

Sugalvoti savo „Lewis“ eskizą ir struktūras gali būti sudėtinga; bet iš principo pakanka juos vizualizuoti kaip WO ₆ oktaedrų rinkinius (viršutinį atvaizdą).

Atkreipkite dėmesį, kad šie pilkšvi oktaedrai galiausiai apibūdina dešimtainę valstybę - politungtą; Jei jame esantis heteroatomas (pvz., Fosforas) yra, tai būtų polioksometalatas.

Struktūra ir elektroninė konfigūracija

Kristalinės fazės

Volframo atomai apibūdina kristalą, kurio kūnas yra orientuotas į kubinę (BCC) struktūrą. Ši kristalinė forma yra žinoma kaip α fazė; o β fazė taip pat yra kubinė, bet šiek tiek tankesnė. Abi fazės arba kristalinės formos, α ir β, normaliomis sąlygomis gali egzistuoti pusiausvyroje.

Α fazės kristaliniai grūdai yra izometriniai, tuo tarpu β fazės grūdeliai primena kolonėles. Nepriklausomai nuo kristalo, jį reguliuoja metaliniai ryšiai, kurie sandariai laiko W atomus. Priešingu atveju negalima paaiškinti aukšto lydymosi ir virimo taško arba aukšto volframo kietumo ir tankio.

Metalinis ryšys

Volframo atomai turi būti kažkaip tvirtai surišti. Norėdami spėti, pirmiausia reikia paisyti šio metalo elektronų konfigūracijos:

4f ¹⁴ 5d ⁴ 6s ²

5d orbitalės yra labai didelės ir neryškios, tai reikštų, kad tarp dviejų šalia esančių W atomų yra veiksmingos orbitos sutapimai. Taip pat 6s orbitalai prisideda prie susidarančių juostų, bet mažesniu laipsniu. Nors 4f orbitalės yra „giliai fone“, todėl jų indėlis į metalinę jungtį yra mažesnis.

Tai, atomų dydis, ir kristaliniai grūdeliai yra kintamieji, lemiantys volframo kietumą ir jo tankį.

Oksidacijos būsenos

Metaliniame volframe arba wolframe W atomų oksidacijos būsena yra nulinė (W ⁰ ). Grįžtant prie elektroninės konfigūracijos, 5d ir 6s orbitalėse galima „ištuštinti“ elektronus, atsižvelgiant į tai, ar W yra labai elektroneigiamų atomų, tokių kaip deguonis ar fluoras, kompanijoje.

Praradus du 6s elektronus, volframas turi +2 oksidacijos būseną (W ²⁺ ), dėl kurios jo atomas susitraukia.

Jei jis taip pat praranda visus elektronus savo 5d orbitose, jo oksidacijos būsena taps +6 (W ⁶⁺ ); Iš čia jis negali tapti labiau teigiamas (teoriškai), nes 4f orbitalės, būdamos vidinės, reikalautų didelių energijų, kad pašalintų savo elektronus. Kitaip tariant, pati teigiamiausia oksidacijos būsena yra +6, kur volframas yra dar mažesnis.

Šis volframas (VI) yra labai stabilus rūgščiose sąlygose arba daugelyje deguoninių ar halogenintų junginių. Kitos galimos ir teigiamos oksidacijos būsenos yra: +1, +2, +3, +4, +5 ir +6.

Volframas taip pat gali įgyti elektronų, jei jis susijungia su atomais, kurių elektronegatyvumas yra mažesnis nei jis pats. Tokiu atveju jo atomai padidėja. Jis gali įgyti ne daugiau kaip keturis elektronus; tai yra, jos oksidacijos būsena yra -4 (W ^4- ).

Gavimas

Anksčiau buvo minėta, kad volframas randamas mineraluose wolframite ir scheelite. Priklausomai nuo proceso, iš jų gaunami du junginiai: volframo oksidas, WO ₃ arba amonio paratungstate, (NH ₄ ) ₁₀ (H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ) · 4H ₂ O (arba ATP). Bet kurį iš jų galima redukuoti iki metalinio W, kurio anglis viršija 1050 ° C.

Gaminti volframo luitus nėra ekonomiškai naudinga, nes jiems išlydyti prireiktų daug šilumos (ir pinigų). Būtent todėl, norint gauti lydinius, pageidautina jį gaminti miltelių pavidalu, kad būtų galima iškart apdoroti kitais metalais.

Verta paminėti, kad Kinija yra didžiausia volframo gamyba pasaulyje. O Amerikos žemyne ​​Kanada, Bolivija ir Brazilija taip pat užima stambiausių šio metalo gamintojų sąrašą.

Programos

Žiedas, pagamintas iš volframo karbido - pavyzdys, kaip šio metalo kietumas gali būti panaudotas medžiagoms įamžinti ir sukietinti. Šaltinis: „SolitaryAngel“ („SolitaryAngel“)

Štai keletas žinomų šio metalo naudojimo būdų:

-Jos druskos buvo naudojamos dažyti medvilnę iš senų teatrų drabužių.

-Kombinuotas su plienu, jis dar labiau sukietėja, nes netgi gali atsispirti mechaniniams įpjovimams dideliu greičiu.

-Sintezuoti volframo siūlai buvo naudojami daugiau nei šimtą metų elektros lemputėse ir halogeninėse lempose. Be to, dėl aukštos lydymosi temperatūros jis naudojamas kaip katodinių spindulių vamzdžių ir raketinių variklių purkštukų medžiaga.

- Pakeičia šviną gaminant sviedinius ir radioaktyvius skydus.

- Volframo nanolaidai gali būti naudojami nanodalelėse, kurių pH ir dujos yra jautrios.

-Volframo katalizatoriai buvo naudojami sieros gamybai naftos pramonėje.

-Volframo karbidas yra plačiausiai naudojamas iš visų jo junginių. Nuo pjovimo ir gręžimo įrankių stiprinimo arba karinės ginkluotės gabalų gamybos iki medienos, plastiko ir keramikos apdirbimo.

Rizika ir atsargumo priemonės

Biologinis

Būdamas palyginti retas metalas žemės plutoje, jo neigiamas poveikis yra menkas. Rūgštiniuose dirvožemiuose poligrostatai gali nepaveikti fermentų, kurie naudoja molibdato anijonus; bet pagrindiniuose dirvožemiuose WO ₄ ^2- įsikiša (teigiamai ar neigiamai) į MoO ₄ ^2- ir vario metabolinius procesus .

Pvz., Augalai gali absorbuoti tirpius volframo junginius, o kai gyvūnas juos valgo, o paskui suvartojęs mėsą, W atomai patenka į mūsų kūną. Dauguma jų išsiskiria su šlapimu ir išmatomis, ir mažai žinoma, kas nutinka su likusiais.

Tyrimai su gyvūnais parodė, kad įkvėpus didelės volframo miltelių koncentracijos, jiems atsiranda simptomų, panašių į plaučių vėžį.

Nurijus, suaugusiam žmogui reikės išgerti tūkstančius galonų vandens, praturtintą volframo druskomis, kad būtų pastebimai slopinami fermentai cholinesterazė ir fosfatazė.

Fizinis

Apskritai, volframas yra mažai toksiškas elementas, todėl žalos sveikatai sveikatai yra mažai.

Venkite metalinio volframo dulkių; ir jei mėginys yra kietas, reikia turėti omenyje, kad jis yra labai tankus ir kad jis gali būti fiziškai pažeistas, jei jis nukris arba palies kitus paviršius.

Nuorodos

1. Varpas Terence'as. (sf). Volframas („Wolfram“): savybės, gamyba, programos ir lydiniai. Pusiausvyra. Atkurta iš: thebalance.com
2. Vikipedija. (2019 m.). Volframas. Atkurta iš: en.wikipedia.org
3. „Lenntech BV“ (2019 m.). Volframas. Atkurta iš: lenntech.com
4. Jeffas Desjardinsas. (2017 m. Gegužės 1 d.). Volframo, stipriausio natūralaus metalo žemėje, istorija. Atkurta iš: visualcapitalist.com
5. Doug Stewart. (2019 m.). Volframo elemento faktai. Atkurta iš: chemicool.com
6. Art Fisher ir Pam Powell. (sf). Volframas. Nevados universitetas. Atkurta iš: nežin.unr.edu
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2019 m. Kovo 02 d.). Faktai apie volframą arba Wolframą. Atgauta iš: thinkco.com