Вольфрам

Вольфрам это химический элемент, обозначается символов W, простое вещество, очень тугоплавок поэтому часто применяется как тигель для плавления других металлов.

А также в получении спиралей для нагревательных печей используемые на производстве с добавлением других металлов.

Что такое вольфрам

(Wolframium; от нем. Wolf — волк и Rahm — пена), W — химический элемент 6-й группы (утаревшая классификация: VIВ группы) периодической системы элементов; атомный номер 74, атомная масса 183,85. вольфрам температура плавления 3422°C.

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

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; t_пл 3395 ± 15° С; t_кип 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.

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. 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 (t_пл 2600° С) и W₂C (t_пл 2750° С).

История

Открыт и выделен в 1781 швед, химиком К. Шееле в виде вольфрамового ангидрида WО₃ из минерала тунгстена, впоследствии назв.шеелитом.

В 1783 исп. химики братья д’Элуяр получили металлический В. в виде порошка восстановлением вольфрамового ангидрида углем.

Применение применение вольфрама началось во второй пол. 19 в. (в качестве добавки в сталь с целью улучшения ее св-в).

Изотопы

Природный вольфрам состоит из смеси стабильных изотопов ¹⁸⁰W (0,135%), ¹⁸²W (26,41%), ¹⁸³W (14,4%), ¹⁸⁴W (30,64%) и ¹⁸⁶W (28,41%).

Известны искусственные радиоактивные изотопы ¹⁸¹W, ¹⁸⁵W и ¹⁸⁷W с периодами полураспада соответственно 145 дней, 74,5 дня и 23,85 ч.

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 кислотах 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.

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.

Поэтому 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 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 (например, Na₂WО₄) применяют в лакокрасочной и текстильной пром-сти, в составе сухих антифрикционных смазок (WS₈, WSe₃) и т. д.

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.
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.
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.

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