Вольфрам, свойства атома, химические и физические свойства

Физические свойства вольфрама

Содержание вольфрама в земной коре 1 · 10-4%. В свободном состоянии не встречается. Из минералов пром. значение имеют шеелит CaWО4 и вольфрамит (Fe, Mn) WО4.

Кристаллическая решетка вольфрама — объемноцентрированная кубическая с периодом а = 3,1652 А; плотность 19,35 г/см3; tпл 3395 ± 15° С; tкип 5900° С.

Теплота плавления 61 кал/г; теплота испарения 1183 кал/г; давление пара (мм рт.ст.): 1,93 х 10-15 (1530° С), 6,55 · 10-5 (2730° С) и 0,76 (3940° С); температурный коэфф. линейного расширения (т-ра 0—500° С) 4,98 · 10-6 град-1, коэфф. теплопроводности (кал/см · сек X град): 0,31 (20° С), 0,28 (827° С), 0,24 (1727° С).

Теплоемкость (кал/г · град): 0,031 (20° С), 0,0365 (1000° С), 0,043 (1400° С) и 0,048 (2100° С); удельное электрическое сопротивление (ом · см · 106): 5,5 (20° С), 27,14 (300° С), 40,00 (1200° С) и 66,00 (2000° С).

Электронная эмиссия (ма/см2): 1,5 · 10-10 (830° С), 2,3 · 10-1 (1630° С), 1,0 (1730° С), 298 (2230° С) и 1690 (2427° С); энергия, излучаемая при накале (вт/см2): 18,0 (1600° С), 64,0 (2200° С), 153 (2700° С) и 245 (3030° С).

Вольфрам парамагнитен; сечение захвата тепловых нейтронов 19,2 барна.

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.

Механические свойства вольфрама

Механические свойства вольфрама зависят от предшествующей обработки. Твердость по Бринеллю спеченного слитка 200—250, кованого 350—400.

Предел прочности на растяжение прутка кованого 35—150, проволоки неотожженной (в зависимости от диаметра) 180—415, проволоки отожженной 110 кгс/мм2.

Предел текучести проволоки неотожженной (диаметром 0,1—0,5 мм) 149,1, проволоки отожженной (того же диаметра) 71,4—82,6 кгс/мм2; модуль упругости проволоки 35 000—38 000, монокристаллической нити 39 000—41 000 кгс/мм2.

Химические свойства вольфрама

В обычных условиях вольфрам химически стоек. Компактный металл начинает окисляться на воздухе при т-ре 400—500° С до трехокиси WО3.

Пары воды окисляют его при т-ре 600—700° С до WО2 и WО3. При т-ре от 800 — 1000° С углеродсодержащие газы науглероживают В.» небольшие примеси связанного углерода в металле понижают электропроводность.

С водородом вольфрам не взаимодействует. С азотом при т-ре 2300° С образует нитрид WN2, с кремнием и бором при т-ре выше 1400° С — соответственно силициды W3Si, W5Si3 (W3Si2) и WSi2 и бориды W2B, WB, WB2 и W2B5 — тугоплавкие твердые соединения с пре-им. ковалентным типом межатомных связей.

С галогенами при высоких т-рах В. образует галогениды (фтор с порошкообразным В. взаимодействует при комнатной т-ре) WСl6, WCl5, WCl4, WСl2, WF4, WBr6, WBr6, WBr2, WJ4 и WJ21 при наличии кислорода или влаги—оксигалогениды WО2Cl2, WOCl4, WOF4 и WО2F2.

При взаимодействии вольфрама с углеродом, начиная от т-р 1000—1500° С, получаются твердые тугоплавкие соединения — карбиды WC (tпл 2600° С) и W2C (tпл 2750° С).

Продукция переработки

Благодаря своим уникальным свойствам, – прежде всего твёрдости и тугоплавкости, вольфрам с самого момента своего открытия нашёл широкую сферу применения. В качестве тугоплавкого материала он широко используется в металлургии. Хотя и другие отрасли не могут обходиться без столь ценного материала.

Осветительные приборы

Благодаря малой электропроводности и низкой скорости испарения, в своё время вольфрамовые нити накаливания позволили совершить технический переворот во всей индустрии создания электрических осветительных приборов, а также начали использоваться при изготовлении электронно-вакуумных приборов.

Снаряды

Высокий уровень плотности этого материала, доходящий до 19,3 г/см3, наряду с прочностью, предоставил в распоряжение оружейников отличное средство разрушения брони. Сегодня вольфрам – один из основных химических элементов, входящих в состав тяжёлых сплавов сердечников бронебойных пуль и снарядов.

Лом вольфрама

Электроды

Неплавящиеся электроды из вольфрама используются как сварочный материал для процесса, выполняемого с использованием газов. Гелий или аргон защищают место соединения от атмосферного воздействия, а электрод в это время выдерживает значительную температуру и длительный срок эксплуатации. Это позволяет создавать оптимальные условия работы, избегая ненужных затрат.

Соединение вольфрама с веществами

С серой образует сульфиды WS2 и WS3. Со мн. металлами вольфрам образует сплавы и интерметаллические соединения.

На холоду вольфрам устойчив в кислотатах и щелочах, при нагревании разъедается азотной к-той и «царской водкой», растворяется в смеси азотной и плавиковой к-т.

Вольфрам расплавленных щелочах на воздухе или при наличии окислителей (NaNО3, КСlО3) растворяется с образованием вольфраматов.

Получение вольфрама

Сырьем для произ-ва вольфрама служат вольфрамит и шеелит. Вольфрамовые руды предварительно обогащают с целью получения концентратов, содержащих 50—60 % WО3.

Химическим разложением обогащенных рудных концентратов — спеканием или сплавлением со щелочами, содой, автоклавным разложением растворами соды (шеелит) или разложением растворами едкого натра (вольфрамит) — получают вольфрамат натрия Na2WО4.

Из полученного водного раствора вольфрамата натрия осаждают вольфрамат кальция CaWО4 (искусственный шеелит), к-рый разлагают горячей соляной или азотной к-той.

Образовавшуюся вольфрамовую к-ту H2WО4 очищают растворением в аммиачном растворе и кристаллизацией паравольфрамата аммония (упариванием или нейтрализацией).

Прокаливание этой соли дает чистый вольфрамовый ангидрид WО3. Шеелитовый концентрат можно также непосредственно разлагать соляной или азотной к-той с последующей аммиачной очисткой образующейся технической вольфрамовой к-той.

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.

Вольфрамовый порошок

Вольфрамовый порошок получают восстановлением вольфрамового ангидрида водородом при т-ре 850—1200° С (в зависимости от требуемой зернистости) или углеродом при т-ре 1400—1800° С в произ-ве твердых карбидных сплавов.

Компактный металл получают гл. обр. методом порошковой металлургии (прессованием и спеканием заготовок из вольфрамового порошка в среде водорода).

Полученный вольфрам хорошо поддается обработке давлением (ковке, волочению, прокатке и т. д.) при нагреве ниже т-ры рекристаллизации.

Развивается вакуумная плавка заготовок металла и его сплавов с другими тугоплавкими металлами.

Применение вольфрама

Большую часть добываемого вольфрама используют в производстве вольфрамовых сталей и сплавов. Наиболее распространены вольфрамовые быстрорежущие стали.

Спеченные твердые сплавы на основе карбида вольфрама (а также в сочетании с др. карбидами) , отличающиеся высокой износостойкостью, применяют для резания и обработки металлов давлением, бурения скважин и т. п.

Жаропрочные сплавы вольфрама с др. тугоплавкими металлами (молибденом, ниобием, танталом, рением) применяют в авиационной и ракетной технике; сплав вольфрам — рений используют для высокотемпературных термопар.

Вольфрам используют также в электротехнике, радиоэлектронике, для изготовления электродов электронных приборов и газоразрядных трубок, антикатодов и катодов рентгеновских трубок, нагревателей высокотемпературных печей, контактов прерывателей в автомобильных двигателях, для нанесения покрытий и др.

Некоторые соединения метала (напр., Na2WО4) применяют в лакокрасочной и текстильной пром-сти, в составе сухих антифрикционных смазок (WS8, WSe3) и т. д.

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:

Характеристика элементов

При рассмотрении нижних элементов подгруппы обращает внимание рост ионизационного потенциала при практически неизменном атомном и ионном радиусе.

Это означает уплотнение электронных оболочек атомов. Близость радиусов обусловливает большее сходство молибдена с вольфрамом, чем этих металлов с хромом.

Устойчивость степеней окисления у них иная, чем у хрома. Состояние +2 у него почти не встречается, а +3 для W нехарактерно, более устойчивы +4 и +6 .

Сходство с элементами подгруппы VIA проявляется в образовании соединений SF6, WF6 и ионов SO , связи в которых в значительной степени ковалентны.

Свойства простых веществ и соединений

Вольфрам — метал, отличающиеся исключительной тугоплавкостью . В чистом виде он представляют собой плотные, твердые, белые и блестящие вещества. Хорошо обрабатываются прокатной, штамповкой и другими способами.

На воздухе покрываются плотной оксидной плёнкой и поэтому устойчивы к действию обычных коррозионных агентов.

Вольфрам, реагирует с кислотами: растворяется в «царской водке», горячих концентрированных соляной, серной и азотной, а также в окислительно -щелочных расплавах (например, в смеси NaOH И КОН).

Вольфрам же растворяется только в смеси плавиковой и азотной кислот, а сплавление СО щелочами приводит, аналогично молибдену, к образованию солей — вольфраматов. Для вольфрама известна аналогичная «вольфрамовая синь».

С неметаллами вольфрам реагируют при значительном нагревании, образуя прочные карбиды, силициды, сульфиды, галогениды и целый ряд оксидов , самыми устойчивыми из которых являются высшие WO3.

Им соответствуют соли Na2WО4 вольфрамовой кислот. В кислой среде анионы этих солей способны к конденсации, и образуется ряд поливольфрамовых кислот. Некоторые из них могут быть выделены.

Например, при нагревании раствора и добавлении сильных кислот выпадает из раствора желтая вольфрамовая кислота H18[W4O21], или точнее 4WO3 · 9H2O. Состав растворов вольфраматов сильно зависит от pH среды.

Получение и использование

Вольфрам в чистом виде из руд получить очень трудно. Поэтому чаше всего из полиметаллических или молибдено- и вольфрамово-железных руд выделяют ферровольфрам—основное сырье для металлургической промышленности.

Для получения чистых металлов их подвергают обжигу до оксидов или хлоридов и последующему восстановлению.

Металлы используются для создания высококачественных легированных сталей — жаростойких, конструкционных, инструментальных, быстрорежущих.

Важным свойством таких сталей является сохранение твердости при высоких температурах. Подобные сплавы служат для изготовления нити в электролампах.

Добавка металлов к стали резко меняет ее структуру и придает ей способность выдерживать температурные нагрузки и воздействие коррозионных агентов.

Технология изготовления вольфрамовых нитей и ее история.

Объемы производства вольфрамовой проволоки имеют небольшую долю среди всех отраслей применения вольфрама, но развитие технологии ее получения сыграло ключевую роль в развитии порошковой металлургии тугоплавких соединений.

С 1878, когда Свон продемонстрировал в Ньюкастле изобретенные им восьми- и шестнадцатисвечевые угольные лампы, шел поиск более подходящего материала для изготовления нитей накаливания. Первая угольная лампа обладала эффективностью всего 1 люмен/ватт, которая была увеличена в следующие 20 лет модификацией методов обработки угля в два с половиной раза. К 1898 светоотдача таких лампочек составляла 3 люмен/ватт. Угольные нити в те времена нагревались пропусканием электрического тока в атмосфере паров тяжелых углеводородов. При пиролизе последних образующийся углерод заполнял поры и неровности нити, придавая ей яркий металлический блеск.

В конце 19 в. фон Вельсбах впервые изготовил металлическую нить для ламп накаливания. Он сделал ее из осмия (Тпл = 2700° С). Осмиевые нити обладали эффективностью 6 люмен/ватт, однако, осмий – редкий и чрезвычайно дорогой элемент платиновой группы, поэтому широкого применения в изготовлении бытовых устройств не нашел. Тантал с температурой плавления 2996° С широко использовался в виде вытянутой проволоки с 1903 по 1911 благодаря работам фон Болтона из фирмы Сименс и Хальске. Эффективность танталовых ламп составляла 7 люмен/ватт.

Вольфрам начал применяться в лампах накаливания в 1904 и вытеснил в этом качестве все остальные металлы к 1911. Обычная лампа накаливания с вольфрамовой нитью обладает свечением 12 люмен/ватт, а лампы, работающие под высоким напряжением – 22 люмен/ватт. Современные флуоресцентные лампы с вольфрамовым катодом имеют эффективность порядка 50 люмен/ватт.

В 1904 на попытались применить разработанный для тантала процесс волочения проволоки для более тугоплавких металлов, таких как вольфрам и торий. Жесткость и недостаток ковкости вольфрама не позволили гладко провести процесс. Тем не менее, позже, в 1913–1914, было показано, что расплавленный вольфрам может быть раскатан и вытянут с использованием процедуры частичного восстановления. Электрическую дугу пропускали между вольфрамовым стержнем и частично расплавленной вольфрамовой капелькой, помещенной в графитовый тигель, покрытый изнутри вольфрамовым порошком и находящийся в атмосфере водорода. Тем самым были получены небольшие капли расплавленного вольфрама, около 10 мм в диаметре и 20–30 мм в длину. Хотя и с трудом, но с ними уже можно было работать.

В те же годы Юст и Ханнаман запатентовали процесс изготовления вольфрамовых нитей. Тонкий металлический порошок смешивался с органическим связующим, полученная паста пропускалась через фильеры и нагревалась в специальной атмосфере для удаления связующего, при этом получалась тонкая нить чистого вольфрама.

В 1906–1907 был разработан хорошо известный процесс экструзии, применявшийся до начала 1910-х. Черный вольфрамовый порошок очень тонкого помола смешивался с декстрином или крахмалом до образования пластичной массы. Гидравлическим давлением эта масса продавливалась через тонкие алмазные сита. Получающаяся таким образом нить оказывалась достаточно прочной для того, чтобы быть намотанной на катушки и высушенной. Далее нити разрезались на «шпильки», которые нагревались в атмосфере инертного газа до температуры красного каления для удаления остатков влаги и легких углеводородов. Каждая «шпилька» закреплялась в зажиме и нагревалась в атмосфере водорода до яркого свечения пропусканием электрического тока. Это приводило к окончательному удалению нежелательных примесей. При высоких температурах отдельные маленькие частицы вольфрама сплавляются и образуют однородную твердую металлическую нить. Эти нити эластичны, хотя и хрупки.

В начале 20 в. Юст и Ханнаман разработали другой процесс, отличающийся своей оригинальностью. Угольная нить диаметром 0,02 мм покрывалась вольфрамом путем накаливания в атмосфере водорода и паров гексахлорида вольфрама. Покрытая таким образом нить нагревалась до яркого свечения в водороде при пониженном давлении. При этом вольфрамовая оболочка и углеродное ядро полностью сплавлялись друг с другом, образуя карбид вольфрама. Получающаяся нить имела белый цвет и была хрупкой. Далее нить нагревалась в токе водорода, который взаимодействовал с углеродом, оставляя компактную нить из чистого вольфрама. Нити обладали теми же характеристиками, что и полученные в процессе экструзии.

В 1909 американцу Кулиджу удалось получить ковкий вольфрам без применения наполнителей, а лишь с помощью разумной температурной и механической обработки. Основная проблема в получении вольфрамовой проволоки заключалась в быстром окислении вольфрама при высоких температурах и наличии зернистой структуры в получающемся вольфраме, которая приводила к его хрупкости.

Современное производство вольфрамовой проволоки является сложным и точным технологическим процессом. Исходным сырьем служит порошковый вольфрам, получаемый восстановлением паравольфрамата аммония.

Вольфрамовый порошок, применяемый для производства проволоки, должен иметь высокую чистоту. Обычно смешивают порошки вольфрама различного происхождения, чтобы усреднить качество металла. Смешиваются они в мельницах и во избежание окисления нагретого трением металла в камеру пропускают поток азота. Затем порошок прессуется в стальных пресс-формах на гидравлических или пневматических прессах (5–25 кг/мм2). В случае использования загрязненных порошков, прессовка получается хрупкой, и для устранения этого эффекта добавляется полностью окисляемое органическое связующее. На следующей стадии производится предварительное спекание штабиков. При нагревании и охлаждении прессовок в потоке водорода их механические свойства улучшаются. Прессовки еще остаются достаточно хрупкими, и их плотность составляет 60–70% от плотности вольфрама, поэтому штабики подвергают высокотемпературному спеканию. Штабик зажимается между контактами, охлаждаемыми водой, и в атмосфере сухого водорода через него пропускается ток для нагрева его почти до температуры плавления. За счет нагревания вольфрам спекается и его плотность возрастает до 85–95% от кристаллического, в то же время увеличиваются размеры зерен, растут кристаллы вольфрама. Затем следует ковка при высокой (1200–1500° С) температуре. В специальном аппарате штабики пропускаются через камеру, которая сдавливается молотом. За одно пропускание диаметр штабика уменьшается на 12%. При ковке кристаллы вольфрама удлиняются, создается фибриллярная структура. После ковки следует протяжка проволоки. Стержни смазываются и пропускаются через сита из алмаза или карбида вольфрама. Степень вытяжки зависит от назначения получаемых изделий. Диаметр получаемой проволоки составляет около 13 мкм.

Часто задаваемые вопросы и ответы?

Как проходит процесс получения вольфрама?

Процесс получения вольфрама проходит через подстадию выделения триоксида WO3 из рудных концентратов и последующем восстановлении до металлического порошка водородом при температуре около 700 °C.

Что такое плотность вольфрама?

Высокая плотность вольфрама делает его удобным для защиты от ионизирующего излучения.

Несмотря на бо́льшую плотность по сравнению с традиционным и более дешёвым свинцом, защита из вольфрама оказывается менее тяжёлой при равных защитных свойствах или более эффективной при равном весе.

Что такое вольфрам для сварки?

Вольфрам используют в качестве электродов для аргоно-дуговой сварки. Сплавы, содержащие вольфрам, отличаются жаропрочностью, кислотостойкостью, твердостью и устойчивостью к истиранию.

Что такое вольфрам в периодической системе?

Вольфрам (W) (Wolframium) — химический элемент VI группы периодической системы, атомный номер 74, атомная масса 183,85. Название от немецкого Wolf волк и Rahm сливки («волчья пена»).

Вольфрам это метал или не метал?

Это тугоплавкий тяжелый металл светло-серого цвета. В соединениях проявляет степени окисления от 2 до 6, наиболее устойчивы соединения со степенью окисления 6.

Сколько стоит вольфрам?

На 18.01.2022 стоимость вольфрама: Вольфрам до 2300 руб. Цена за 1 кг. Вольфрам чистый до 2000 руб. Цена за 1 кг. Вольфрам печной 1550 руб. Цена за 1 кг. Вольфрам стружка 1200 руб. Цена за 1 кг. Вольфрам ВНД 5/5 (Ni 5%, Cu 5% ост W) 850 руб.

Статья на тему вольфрам

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.