Как был открыт
Знакомство людей с вольфрамом датируется эпохой Средневековья.
Старатели
Вольфрам получали еще европейские старатели при восстановлении олова. Но его считали «мусором», засоряющим ценный элемент. Под влиянием вольфрамовой руды в процессе восстановления часть олова превращалась в шлак, уменьшая долю чистого вещества.
Отсюда присказка, которая появилась у старателей: «Вольфрам сжирает олово, как волк овечку».
Наука
История открытия вольфрама связана с несколькими учеными-химиками:
- В середине 18 века швед Аксель Фредерик Кронштедт открыл тяжелый металл, названый им Tung Sten (по-шведски – тяжелый камень).
- Через 30 лет за дело взялся его соотечественник, член академии наук страны Карл Шееле. Свободное от работы в аптеке время он отдавал экспериментам в домашней лаборатории. Его считают «отцом» не только вольфрама. В списке также барий, марганец, кислород, хлор. Из вольфрамовой руды (тунгстена) он выделил соль кислоты, не числящейся в реестрах.
- Дальнейшую работу над соединением доверил испанским коллегам братьям Элюар. Которые и получили новый элемент.
Название и символ металла – Wolframium и W – предложил Йенс Якоб Берцелиус.
Этимология названия вольфрама имеет немецкие корни: Wolf Rahm («волчий крем/сливки»).
А тунгстен переименовали в честь ученого – в шеелит.
Как представлен в природе
Самородный цветной металл вольфрам на планете не встречается. Он представлен в виде руды либо минералов.
Руды состоят из соединений вольфрама с железом, марганцем, кальцием, иногда другими элементами, включая редкоземельные.
Минералы – это вкрапления в граниты (до 2%). Из них промышленное значение имеют вольфрамит (вольфрам с железом и марганцем) и шеелит (с кальцием).
Каждая тонна земной коры содержит 1,30 г вольфрама.
Применение
Редкость, необычность и важность обуславливают широкое использование в современной технике металла под названием Tungsten – вольфрам. Свойства и применение оправдывают высокую стоимость и востребованность. Высокие показатели температуры плавления, твердости, прочности, жаростойкости и стойкости к химическим воздействиям и коррозии, износостойкости и резальных особенностей – вот основные его козыри. Варианты использования:
- Нити накаливания.
- Легирование сталей с целью получения быстрорежущих, износостойких, жаростойких и жаропрочных железоуглеродистых сплавов, находящих применение для производства сверл и других инструментов, пуансонов, пружин и рессор, рельс.
- Изготовление «порошковых» твердых сплавов, применяемых в основном в качестве особо износостойких режущих, буровых или прессовочных инструментов.
- Электроды для аргонодуговой и контактной сварки.
- Изготовление деталей для рентгеновской и радиотехники, различных технических ламп.
- Специальные светящиеся краски.
- Проволока и детали для химической промышленности.
- Различная практичная мелочевка, к примеру, мормышки для рыбалки.
Приобретают популярность различные сплавы, в состав которых входит вольфрам. Область применения таких материалов порой удивляет – начиная от тяжелого машиностроения и заканчивая легкой промышленностью, где изготавливаются ткани с особыми свойствами (например, огнестойкие).
Универсальных материалов не существует. Каждый известный элемент и созданные сплавы отличаются своей уникальностью и необходимостью для определенных сфер жизни и промышленности. Однако некоторые из них обладают особыми свойствами, делающими ранее неосуществимые процессы возможными. Одним из таких металлов является вольфрам. Применение его недостаточно широко, как у стали, но каждый из вариантов предельно полезен и необходим человечеству.
Физико-химические характеристики
Чистый вольфрам – в числе первых по плотности, твердости, первый по температуре плавления и кипения среди металлов. Эти физические свойства дополняет химическая стойкость даже при запредельных температурах.
| Свойства атома | |
| Название, символ, номер | Вольфра́м / Wolframium (W), 74 |
| Атомная масса (молярная масса) | 183,84(1) а. е. м. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | [Xe] 4f14 5d4 6s2 |
| Радиус атома | 137 пм |
| Химические свойства | |
| Ковалентный радиус | 170 пм |
| Радиус иона | (+6e) 62 (+4e) 70 пм |
| Электроотрицательность | 2,3 (шкала Полинга) |
| Электродный потенциал | W ← W3+ 0,11 В W ← W6+ 0,68 В |
| Степени окисления | +2, +3, +4, +5, +6 |
| Энергия ионизации (первый электрон) | 769,7 (7,98) кДж/моль (эВ) |
| Термодинамические свойства простого вещества | |
| Плотность (при н. у.) | 19,25 г/см³ |
| Температура плавления | 3695 K (3422 °C, 6192 °F) |
| Температура кипения | 5828 K (5555 °C, 10031 °F) |
| Уд. теплота плавления | 285,3 кДж/кг 52,31 кДж/моль |
| Уд. теплота испарения | 4482 кДж/кг 824 кДж/моль |
| Молярная теплоёмкость | 24,27 Дж/(K·моль) |
| Молярный объём | 9,53 см³/моль |
| Кристаллическая решётка простого вещества | |
| Структура решётки | кубическая объёмноцентрированная |
| Параметры решётки | 3,160 Å |
| Температура Дебая | 310 K |
| Прочие характеристики | |
| Теплопроводность | (300 K) 162,8 Вт/(м·К) |
| Номер CAS | 7440-33-7 |
При 1580°C легко куется, вытягивается до тонкой проволоки.
Данные преимущества создает структура вещества.
Тугоплавкий прочный металл, светло-серого цвета – вольфрам
На воздухе с относительной влажностью менее 60% сопротивление металла коррозии стопроцентное.
Общие сведения:
| 100 | Общие сведения | |
| 101 | Название | Вольфрам |
| 102 | Прежнее название | |
| 103 | Латинское название | Wolframium |
| 104 | Английское название | Tungsten |
| 105 | Символ | W |
| 106 | Атомный номер (номер в таблице) | 74 |
| 107 | Тип | Металл |
| 108 | Группа | Переходный металл |
| 109 | Открыт | Карл Вильгельм Шееле, Швеция, 1781 г. (назван), Хуан Хосе Эльхуяр Любизе и Фаусто де Эльхуяр, Испания, 1783 г. |
| 110 | Год открытия | 1783 г. |
| 111 | Внешний вид и пр. | Твёрдый, тугоплавкий, блестящий, серебристо-серый металл |
| 112 | Происхождение | Природный материал |
| 113 | Модификации | |
| 114 | Аллотропные модификации | 2 аллотропные модификации: — α-вольфрам с кубической объёмно-центрированной кристаллической решёткой, — β-вольфрам с кубической кристаллической решёткой, именуемой фаза А15 |
| 115 | Температура и иные условия перехода аллотропных модификаций друг в друга | |
| 116 | Конденсат Бозе-Эйнштейна | |
| 117 | Двумерные материалы | |
| 118 | Содержание в атмосфере и воздухе (по массе) | 0 % |
| 119 | Содержание в земной коре (по массе) | 0,00011 % |
| 120 | Содержание в морях и океанах (по массе) | 1,2·10-8 % |
| 121 | Содержание во Вселенной и космосе (по массе) | 5,0·10-8 % |
| 122 | Содержание в Солнце (по массе) | 4,0·10-7 % |
| 123 | Содержание в метеоритах (по массе) | 0,000012 % |
| 124 | Содержание в организме человека (по массе) |
Технология получения
Вольфрамовые руды из разных мест добычи содержат 0,3-2,5% оксида металла. Поэтому промышленное получение продукта из руды начинается на обогатительных предприятиях.
Это многоступенчатый процесс:
- Дробление руды.
- Шлифовка.
- Флотация.
- Обжиг.
Содержание полезных компонентов увеличивается до 60%:
- Чистоту концентрата повышают, расщепляя примеси гидроксидом натрия и задействуя метод ионообменной экстракции.
- До порошка восстанавливают при 650-700°C в водородистой среде.
Тугоплавкость оказалась недостатком, исключающим классическую плавку.
Твердые формы создают методом порошковой металлургии:
- Порошок спрессовывают.
- Спекание проводят при 1250-1300°C в водороде.
- Воздействуют электричеством.
- Нагревают до 3000°C, добиваясь монолитного спекания.
Вольфрамовый порошок
Дополнительно металл очищают зонной плавкой.
Номенклатура марок металла
На основе вольфрама или с его участием металлурги выплавляют продукт десятков наименований и марок.
Среди самых распространенных – чистый вольфрам (ВЧ) и сплав с рением (ВР).
Классификация марок вольфрама основывается на составе присадок:
| Название марки | Вид присадки |
| ВА | Алюминий + кремнистая щелочь |
| ВМ | Торий + кремнистая щелочь |
| ВИ | Окись иттрия |
| ВТ | Окись тория |
| ВЛ | Окись лантана |
Как используется
Свойства вольфрама обозначили главного потребителя. Это металлургия. Она создает конечный продукт и исходники для других отраслей промышленности.
Порошковый вольфрам – основа либо компонент твердых, жаропрочных износоустойчивых сплавов, премиальных марок сталей.
Металл, сплавы
Из тугоплавкого металла и сплавов создают широкий ассортимент продукции:
- Узлы и детали авиационных, ракетных двигателей.
- Элементы электровакуумных приборов (кинескопы, нити накаливания).
Нить накаливания из вольфрама - Нагреватели вакуумных печей.
- Электроды для аргонно-дуговой сварки. Они не плавятся, создают прочный сварной шов. Пригодны для материалов любого состава (цветные металлы, легированные стали, другие).
- Емкости для радиоактивных продуктов. Здесь решающими оказались преимущества металла перед свинцом.
- Хирургический инструментарий.
Характеристики металла подошли оборонному комплексу: танковая, торпедная броня, крупнокалиберные снаряды, пули. А также суперскоростные роторы гироскопов, контролирующих траекторию полета баллистических ракет.
Вольфрам в слитках
Соединения
Обширен спектр применения вольфрамовых соединений:
- Без дителлурида невозможно преобразование тепла в электричество.
- Карбид – основа сплавов и композитов для механической обработки металлов и неметаллов. У горнодобытчиков, нефтяников, газовиков – для бурения скважин.
- Сульфид – термостойкая (до 500°C) смазка.
- Трехокись – материал для создания электролита топливных элементов, работающих при повышенных температурах.
Соединения вольфрама закупают производители лаков, красок, текстиля.
Другие формы
Изотоп W184 – компонент сплавов с изотопами урана. Из них делают ракетные двигатели на ядерном топливе.
Радионуклид искусственного происхождения (W185) востребован как детектор излучений (включая рентгеновское) ядерным сегментом физики и медицины.
Использование вольфрама
Использование вольфрама встречается в следующих областях:
- Жаропрочные и износостойкие сплавы основываются на тугоплавкости вещества. В промышленности такие соединения химического вещества используются с хромом и кобальтом, которые по-другому именуются стеллитами. Их путём наплавки наносят на изнашиваемую область деталей у промышленных автомобилей.
- Тяжёлые и контактные сплавы — это смеси из серебра, меди, а также вольфрама. Их можно назвать очень эффективными контактными компонентами, именно по этой причине и применяются для производства рабочих деталей рубильников, электродов для создания точечной сварки, а также изготовления выключателей.
- В качестве проволоки, кованных изделий, а также ленты вольфрам используется в радиотехнике, в создании специальных электрических ламп, а также рентгенотехники. Именно такой химический элемент считается наилучшим металлом для изготовления спиралей, а также особых нитей для накаливания.
- Вольфрамовые прутики и проволока нужны для создания специальных электрических нагревателей для печей высокотемпературного типа. Нагреватели из вольфрама могут работать в атмосфере инертного газа, в вакууме, а также в водороде.
