Вольфрам как химический элемент

Элемент вольфрам представляет собой серебристо-серый переходный металл. Вольфрам известен тем, что обладает удивительно высокой температурой плавления и невероятной прочностью на растяжение по сравнению с другими чистыми металлами. Из-за этих качеств мы часто используем вольфрам для производства промышленного оборудования и инструментов.

10 забавных фактов о вольфраме
Вольфрам обладает удивительно высокой радиационной стойкостью.
По сравнению со всеми другими металлами вольфрам является вторым по твердости после хрома.
Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления (3422 ° C) из всех других элементов периодической таблицы.
Вольфрам удивительно плотный. Его плотность чуть выше, чем у золота, и 5-я по величине плотность среди всех переходных металлов.
При воздействии кислорода на поверхности кристаллов вольфрама образуется оксидный слой, который может иметь радужный цвет, похожий на висмут.
Вольфрам является одним из двух элементов, которые теоретически способны образовывать шестикратные связи. В частности, эти связи существуют в W2, двухатомной газообразной форме вольфрама, которая образуется только при температуре кипения 5930 ° C. Эта связь включает в себя две сигма-, две пи- и две дельта-связи и возможна только благодаря уникальной конфигурации электронов вольфрама.
Название “вольфрам” в переводе со шведского означает “тяжелый камень”, и первоначально это название служило шведским термином для минерала шеелита, руды, в состав которой входит вольфрам.
Его символ в периодической таблице, W, не относится к названию “вольфрам”, а скорее к названию “вольфрам”. На немецком, испанском и многих славянских языках “вольфрам” - это название элемента, в то время как “вольфрам” вместо этого используется носителями английского и французского языков.
Находясь внутри большинства организмов, вольфрам может оказывать токсическое действие. В частности, вольфрам может заменять кофакторы молибдена или меди в определенных реакциях, катализируемых ферментами.
Интересно, что некоторые виды бактерий нашли применение вольфраму в катализе определенных окислительно-восстановительных реакций.

Вольфрам в периодической таблице
Вольфрам имеет атомный символ W с атомным номером 74. Он находится в d-блоке периодической таблицы Менделеева, слева от него находится тантал, а справа - рений. Вольфрам занимает третье место в группе 6 периодической таблицы вместе с хромом, молибденом и сиборгием. Вольфрам имеет электронную конфигурацию [Xe] 4f 14 5d 4 6s 2. Кроме того, элемент имеет электроотрицательность 2,36 по шкале Полинга.

Вольфрам в войне
Благодаря своей замечательной прочности на разрыв (1510 МПа), высокой температуре плавления (3422 ° C) и коррозионной стойкости вольфрам служил важным компонентом тяжелого вооружения в начале 20-го века. Благодаря сплаву, обогащенному вольфрамом, заводы могут производить оружие, способное выдерживать большие внутренние взрывы, чтобы стрелять большими боевыми зарядами на большие расстояния.

В частности, во время Первой мировой войны спрос европейских великих держав на создание артиллерии сделал вольфрам невероятно дорогим. Вольфрам продается по более высокой цене за массу, чем золото или серебро. Поскольку он оставался нейтральным на протяжении большей части войны, обе стороны конфликта обратились к США за покупкой вольфрама. Многие вольфрамовые рудники США существовали на американском Западе, и прилегающие к ним сельские города стали невероятно оживленными и богатыми. Однако после войны цена на вольфрам упала, оставив после себя города-призраки, такие как Вольфрам, штат Колорадо.

Во время Второй мировой войны спрос на вольфрам снова резко возрос. Британская империя заблокировала торговлю военными материалами с нацистской Германией, включая вольфрамовую руду. Это торговое эмбарго распространялось на остальные союзные державы, а также на нейтральные страны, подписавшие соглашение, включая Португалию. В то время в Португалии была репрессивная военная диктатура под руководством Антонио де Оливейра Салазара. Тем не менее, Салазар симпатизировал нацистской Германии, хотя и хотел поддерживать отношения с Великобританией. Получив щедрые суммы из Германии, Салазар тайно торговал вольфрамовой рудой из Северной Португалии с Германией. Португальская руда неизбежно помогла создать оружие, которое нацистская Германия использовала для ведения войны, став прочным наследием Португалии во время 2-й мировой войны.

Применение вольфрама в современном мире

Для чего используется вольфрам?
Как упоминалось ранее, полезность вольфрама в современном мире обусловлена его замечательной прочностью на растяжение и температурой плавления. Вольфрам часто можно найти в проволоках, стержнях и инструментах с высоким напряжением, используемых в промышленности. К распространенным инструментам, обогащенным вольфрамом, относятся пилы, сверла и горное оборудование. Кроме того, вольфрамовые нити и электроды находят широкое применение в электронике, например, в лампочках и телевизионных дисплеях. Ионы вольфрама также могут быть использованы в новых методах химического катализа и синтеза.

Вольфрамовые сплавы обладают множеством уникальных качеств, которые делают их идеальными для целого ряда применений.

Где находится вольфрам?
Вольфрам является довольно редким металлом, когда встречается в природе на Земле. Как правило, металл встречается в качестве компонента в минералах шеелите и вольфрамите. В обеих этих рудах вольфрам находится в ионном вольфрамате (WO 4 2-). В вольфрамите вольфрамат ионно связывается с катионами железа и магния, в то время как в шеелите вольфрамат связывается с катионами кальция. Другие минералы с вольфрамом, как правило, очень редки.

Шеелит, обычная вольфрамовая руда
Большая часть мировых запасов вольфрама находится в Китае, хотя Канада, Россия, Вьетнам, Боливия и Португалия также имеют значительные месторождения вольфрама.

Когда и как был обнаружен элемент вольфрам?
Историки теперь признают, что Карл Вильгельм Шеель, шведский химик, обнаружил “вольфрамовую кислоту” из руды под названием “вольфрам” в 1781 году. Эта руда позже получила название “шеелит”, в честь химика. Название “вольфрам” было специально применено к новому элементу после его выделения из кислотного вещества Шееле.

Однако в 1783 году два испанских химика (которые также были братьями) по имени Фаусто и Хосе Эльхуяр обнаружили одно и то же кислотное вещество из вольфрамита. После того, как элемент был выделен из кислоты, элемент получил название “вольфрам”. Испанские власти приписали братьям открытие нового элемента, а Шееле получил признание за свое открытие гораздо позже. Из-за его проблемного открытия вольфрам по-прежнему сохраняет “W” в качестве своего атомного символа.

Химия вольфрамового элемента – соединения, реакции, степени окисления

Сплавы с вольфрамовыми элементами
Ученые-материаловеды создали множество полезных сплавов с вольфрамом, в том числе:

Вольфрам-никель-железо: этот сплав сохраняет прочность и температуру плавления вольфрама, а также имеет низкий коэффициент теплового расширения. Благодаря низкому расширению он идеально подходит для герметизации между стеклом и металлом. Кроме того, он обладает более высокой радиационной защитой, чем свинец, и при этом не токсичен для биологических систем, что делает его идеальным для радиационной защиты.
Вольфрам-железо-углерод: преимущество этого сплава заключается в том, что он выдерживает невероятно высокие температуры без потери твердости. В результате металлурги используют его в основном в пильных дисках и сверлах, изделиях, которые испытывают сильное трение при высоких скоростях. Из-за его преимуществ при высокоскоростном трении металлурги называют этот сплав “быстрорежущей сталью”.
Вольфрам Никель-медь: Этот сплав обладает многими качествами вольфрам-никель-железо, в дополнение к высокой электропроводности и немагнитности. Это делает сплав идеальным для высокотехнологичного электрооборудования, включая военную и медицинскую технику.
Вольфрам-тантал: этот сплав также имеет высокую температуру плавления, в дополнение к высокой прочности на растяжение и коррозионной стойкости. В результате он, как правило, хорошо служит в условиях высокой коррозии, например, на космических кораблях, атомных станциях и печах.
Соединения и реакции вольфрамовых элементов
Известные соединения вольфрама включают:

Карбиды вольфрама (WC, W2c): Это соединение обладает высокой твердостью и жесткостью и часто используется в промышленных инструментах, а также в ювелирных изделиях.
карбид вольфрама
Модель шарика и палочки из кристалла WC
Галогениды вольфрама (WF 6, WCl 6, W 6 Cl 18 и т. Д.): Эти соединения образуются с относительной легкостью из элементарного вольфрама. Химики, как правило, используют их для получения более ценных соединений вольфрама.
Модель W6Cl18
Модель с шариком и клюшкой W 6 Cl 18
Вольфрамовый анион (WO 4 2-): это наиболее распространенная свободная ионная форма вольфрама. Это также преобладающая форма, встречающаяся в природе в сочетании с катионом другого металла.

Гексакарбонил вольфрама (W (CO) 6): Этот вольфрамовый комплекс включает шесть лигандов монооксида углерода, взаимодействующих с вольфрамом. Это соединение имеет важное значение в качестве предшественника первого синтезированного дигидрогенного комплекса, который включает интактный Н2 в качестве лиганда.

Гексакарбонильный комплекс вольфрама
Химики обнаружили, что вольфрам, как правило, имеет низкую реакционную способность в большинстве условий. Тем не менее, была обнаружена пара полезных реакций с участием элементарного вольфрама:

Галогенирование: это включает в себя реакцию элементарного вольфрама с двухатомным галогеном. Это может произойти при комнатной температуре с F2, но для реакции с Cl 2 требуется значительное нагревание (250 ° C). В результате получается галогенид вольфрама. Эта реакция имеет важное значение, потому что галогениды вольфрама могут вступать в реакцию с образованием карбида вольфрама или комплексных солей вольфрама.
W + 3F2 > WF6

W + 3Cl2 > WCl6

6W + 6Cl2 > W6Cl12

Реакция с кислородом: это включает в себя реакцию элементарного вольфрама с двухатомным кислородом с образованием триоксида вольфрама (WO3). Как и в случае с хлором, для этого требуются высокие температуры. В основных условиях триоксид вольфрама образует вольфраматат (WO 4 2-).
2W + 3O2 > WO3

Изоляция вольфрамового элемента
Как упоминалось ранее, вольфрам в природе встречается в форме вольфрамата металла (II) (FeWO 4, MgWO 4, CaWO 4). Для извлечения элементарного вольфрама из руды вольфраматное соединение превращается в оксид вольфрама (IV) (WO3). Затем этот продукт нагревается для получения порошкообразного элементарного вольфрама.

Степени окисления вольфрама включают:

Tungsten(II): W2+, W2C
Вольфрам (III): W 3+, W 6 Cl 18
Tungsten(IV): W4+, WC
Вольфрам (V): W 5+, WCl 5
Tungsten(VI): W6+, WO42-, WO3
Свойства вольфрамового элемента
Атомный символ: W
Температура плавления: 3695 К; 3422 °C; 6192 °F
Температура кипения: 6203 К; 5930 °C; 10706 °F
Плотность: 19,26 г /мл
Атомный вес: 183,84
Атомный номер: 74
Электроотрицательность: 2,36
Молярная теплоемкость: 24,27 Дж/(моль * К)
Классификация: Переходный металл
Естественное содержание в земной коре: 1,5 промилле
Конфигурация электронной оболочки: [Xe] 4f 14 5d 4 6s 2
Стабильные изотопы: 180, 181, 182, 183, 184, 186
Встречается в природе в минералах: вольфрамит, шеелит, ферберит, хюбнерит
Токсичность: умеренно токсичен

Где я могу купить вольфрам?
Поставщики большинства других металлов также продают вольфрам, часто в виде карбида вольфрама или какого-либо сплава. У онлайн-продавцов также есть элементарный вольфрам для продажи по ценам от 2 долларов за грамм.