Isotope. Chemische Eigenschaften von Wolfram. Eigenschaften und Anwendung der Bezeichnung Wolfram Wolfram

Wolfram ist das feuerfesteste Metall. Nur das nichtmetallische Element Kohlenstoff hat einen höheren Schmelzpunkt, liegt aber nur bei hohen Drücken in flüssiger Form vor. Unter normalen Bedingungen ist Wolfram chemisch beständig.

Geschichte und Herkunft des Namens

Der Name Wolframium wurde auf das Element vom bereits im 16. Jahrhundert bekannten Mineral Wolframit übertragen. „Wolfsschaum“ genannt – lat. spuma lupi oder deutsch. Wolf Rahm. Der Name geht auf die Tatsache zurück, dass Wolfram zusammen mit Zinnerzen das Schmelzen von Zinn störte und es in Schlackenschaum verwandelte („es verschlang Zinn wie ein Wolf, der ein Schaf verschlingt“).

Physikalische Eigenschaften

Wolfram ist ein glänzendes hellgraues Metall mit den höchsten nachgewiesenen Schmelz- und Siedepunkten (man geht davon aus, dass Seaborgium noch feuerfester ist, aber das lässt sich bisher nicht eindeutig sagen – die Lebensdauer von Seaborgium ist sehr kurz). Schmelzpunkt - 3695 (3422 °C), siedet bei 5828 (5555 °C). Die Dichte von reinem Wolfram beträgt 19,25 g/cm³. Es hat paramagnetische Eigenschaften (magnetische Suszeptibilität 0,32⋅10 −9). Brinellhärte 488 kg/mm², elektrischer Widerstand bei 20 °C - 55⋅10 −9 Ohm m, bei 2700 °C - 904⋅10 −9 Ohm m. Die Schallgeschwindigkeit in geglühtem Wolfram beträgt 4290 m/s.

Wolfram ist eines der schwersten, härtesten und feuerfeststen Metalle. In seiner reinen Form ist es ein silberweißes Metall, ähnlich wie Platin, bei einer Temperatur von etwa 1600 °C lässt es sich leicht schmieden und zu einem dünnen Faden ziehen. Das Metall ist im Vakuum sehr stabil.

Chemische Eigenschaften

2 W + 4 H N O 3 + 10 H F ⟶ W F 6 + W O F 4 + 4 N O + 7 H 2 O (\displaystyle (\mathsf (2W+4HNO_(3)+10HF\longrightarrow WF_(6)+WOF_(4)+ 4NO\uparrow +7H_(2)O)))

Reagiert mit geschmolzenen Alkalien in Gegenwart von Oxidationsmitteln:

2 W + 4 N a O H + 3 O 2 ⟶ 2 N a 2 W O 4 + 2 H 2 O (\displaystyle (\mathsf (2W+4NaOH+3O_(2)\longrightarrow 2Na_(2)WO_(4)+2H_ (2)O))) W + 2 N a O H + 3 N a N O 3 ⟶ N a 2 W O 4 + 3 N a N O 2 + H 2 O (\displaystyle (\mathsf (W+2NaOH+3NaNO_(3)\longrightarrow Na_(2)WO_ (4)+3NaNO_(2)+H_(2)O)))

Zunächst laufen diese Reaktionen langsam ab, aber wenn sie 400 °C erreichen (500 °C bei einer Reaktion mit Sauerstoff), beginnt sich Wolfram selbst zu erhitzen, und die Reaktion verläuft ziemlich heftig, wobei eine große Wärmemenge entsteht.

Es löst sich in einer Mischung aus Salpeter- und Flusssäure und bildet Hexafluorwolframsäure H2. Von den Wolframverbindungen sind die wichtigsten: Wolframtrioxid oder Wolframanhydrid, Wolframate, Peroxidverbindungen mit der allgemeinen Formel Me 2 WO X sowie Verbindungen mit Halogenen, Schwefel und Kohlenstoff. Wolframate neigen zur Bildung von Polymeranionen, einschließlich Heteropolyverbindungen unter Einschluss anderer Übergangsmetalle.

Anwendung

Wolfram wird hauptsächlich als Grundlage für feuerfeste Materialien in der Metallurgie verwendet.

Wolframmetall

Wolframverbindungen

Für die mechanische Bearbeitung von Metallen und nichtmetallischen Strukturwerkstoffen im Maschinenbau (Drehen, Fräsen, Hobeln, Meißeln), im Brunnenbau und im Bergbau werden häufig Hartlegierungen und Verbundwerkstoffe auf Basis von Wolframkarbid eingesetzt (z. B. Win , bestehend aus WC-Kristallen in einer Kobaltmatrix; in Russland weit verbreitete Qualitäten - VK2, VK4, VK6, VK8, VK15, VK25, T5K10, T15K6, T30K4) sowie Mischungen aus Wolframcarbid, Titancarbid, Tantalcarbid (TT Sorten für besonders schwierige Bearbeitungsbedingungen, z. B. Meißeln und Hobeln von Schmiedestücken aus hitzebeständigen Stählen und Bohrhammerbohren von starken Materialien). Wird häufig als Legierungselement (oft zusammen mit Molybdän) in Stählen und Eisenlegierungen verwendet. Hochlegierter Stahl, klassifiziert als „Hochgeschwindigkeitsstahl“, dessen Kennzeichnung mit dem Buchstaben P beginnt, enthält fast immer Wolfram.
Wolframsulfid WS 2 wird als Hochtemperaturschmierstoff (bis 500 °C) eingesetzt.

Einige Wolframverbindungen werden als Katalysatoren und Pigmente verwendet.

Einkristalle aus Wolframaten (Blei-, Cadmium-, Calciumwolframat) werden als Szintillationsdetektoren für Röntgenstrahlen und andere ionisierende Strahlung in der Kernphysik und Nuklearmedizin verwendet.

Wolframditellurid WTe 2 wird zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie (Thermo-EMK ca. 57 μV/K) verwendet.

Andere Anwendungen

Wolframmarkt

Die Preise für das Metall Wolfram (Elementgehalt etwa 99 %) lagen Ende 2010 bei etwa 40–42 US-Dollar pro Kilogramm, im Mai 2011 bei etwa 53–55 US-Dollar pro Kilogramm. Halbzeuge von 58 USD (Stäbe) bis 168 USD (dünne Streifen). Im Jahr 2014 schwankten die Wolframpreise im Bereich von 55 bis 57 USD.

Biologische Rolle

Wolfram spielt biologisch keine bedeutende Rolle. Einige Archaebakterien und Bakterien verfügen über Enzyme, deren aktives Zentrum Wolfram enthält. Es gibt obligat wolframabhängige Formen hyperthermophiler Archaebakterien, die in der Nähe hydrothermaler Quellen in der Tiefsee leben. Das Vorhandensein von Wolfram in Enzymen kann als physiologisches Relikt der frühen Archaeen betrachtet werden – es gibt Hinweise darauf, dass Wolfram in den frühen Stadien der Entstehung des Lebens eine Rolle spielte.

Natürliches Wolfram besteht aus einer Mischung von fünf Isotopen (180 W – 0,12(1) %, 182 W – 26,50(16) %, 183 W – 14,31(4) %, 184 W – 30,64(2) % und 186 W – 28,43 (19) %). Die extrem schwache Radioaktivität von natürlichem Wolfram wurde entdeckt (etwa zwei Zerfälle pro Gramm Element pro Jahr), was auf die α-Aktivität von 180 W zurückzuführen ist, die eine Halbwertszeit von 1,8⋅10 18 Jahren hat.

Notizen

Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O'Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang-Kun Zhu. Atomgewichte der Elemente 2011 (IUPAC Technical Report) // Reine und angewandte Chemie. - 2013. - Bd. 85, nein. 5. - S. 1047-1078. – DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02.
Wolfram: physikalische Eigenschaften(Englisch) . WebElements. Abgerufen am 17. August 2013.

Wolfram ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 74 im Periodensystem und wird mit dem Symbol W (lat.) bezeichnet. Wolframium).

Ordnungszahl - 74

Atommasse - 183,84

Dichte, kg/m³ – 19300

Schmelzpunkt, °C – 3410

Wärmekapazität, kJ/(kg °C) – 0,134

Elektronegativität - 1,7

Kovalenter Radius, Å - 1,30

1. Ionisierung Potenzial, eV - 7,98

Geschichte der Entdeckung von Wolfram

Die Entdeckung von Wolfram ist mit den Namen des schwedischen Chemikers Carl Wilhelm Scheele (bekannt für seine wissenschaftlichen Forschungen und Entdeckungen vieler Substanzen, insbesondere war er der erste, der Chlor entdeckte) sowie des spanischen Chemikers d' Eluyar-Brüder (d'Elguire).
Im Jahr 1781 untersuchte Scheele das Mineral Wolfram, das ins Russische als schwerer Stein übersetzt wird, und stellte fest, dass es sich um eine Verbindung von Kalzium mit einer unbekannten Säure handelte, die K. Scheele Wolfram nannte. Die gleiche Säure wurde 1783 von den Gebrüdern d'Eluyard in einem anderen Mineral in Wolframit entdeckt, das seit langem bekannt war und häufig in Zinnerzen gefunden wurde. Der berühmte Wissenschaftler Agricola sagte darüber: „Verschlingt Zinn wie ein Wolf.“ ein Schaf“, da beim Schmelzen von Zinnerzen zusammen mit Wolframit eine erhebliche Menge Zinn in den Schlackenschaum schwamm. Deshalb nannte Agricola dieses Mineral „Wolfsschaum“.
Nachdem die Brüder d'Eluyard aus Wolframit Wolframsäure (heute Wolfram genannt) gewonnen hatten, konnten sie daraus mithilfe von Kohlenstoff ein neues Element in Form von reinem Metall extrahieren, das in Analogie zum ursprünglichen Mineral Wolfram genannt wurde. In vielen Ländern, insbesondere in England und den Vereinigten Staaten von Amerika, wird dieses Mineral Wolfram genannt, und der Begriff Wolfram wird manchmal für das Mineral Wolframit verwendet.
Es sei darauf hingewiesen, dass Wolfram, das Mineral, in dem K. Scheele erstmals ein neues Element etablierte, zu Ehren dieses Chemikers in Scheelit umbenannt wurde.

Wolfram in der Natur finden

Der Wolfram-Clarke der Erdkruste beträgt (nach Winogradow) 1,3 g/t. Sein durchschnittlicher Gesteinsgehalt, g/t: ultrabasisch – 0,1, basisch – 0,7, mittel – 1,2, sauer – 1,9.

Wolfram kommt in der Natur hauptsächlich in Form oxidierter Komplexverbindungen vor, die aus Wolframtrioxid WO 3 mit Oxiden von Eisen und Mangan oder Kalzium und manchmal auch Blei, Kupfer, Thorium und Seltenerdelementen gebildet werden. Wolframit (Eisen- und Manganwolframat nFeWO 4 * mMnWO 4 – Ferberit bzw. Hübnerit) und Scheelit (Kalziumwolframat CaWO 4) sind von industrieller Bedeutung. Wolframmineralien sind normalerweise in Granitgestein eingebettet, sodass die durchschnittliche Wolframkonzentration 1-2 % beträgt.

Die gesamten weltweiten Wolframreserven (ohne Russland) belaufen sich auf etwa 7,5 Millionen Tonnen, die bestätigten Reserven belaufen sich auf etwa 4 Millionen Tonnen. Kasachstan, China, Kanada und die USA verfügen über die größten Reserven; Vorkommen sind auch in Bolivien, Portugal, Russland und Südkorea bekannt. Die weltweite Wolframproduktion beträgt 18-20.000 Tonnen pro Jahr, davon in China 10, in Russland 3,5; Kasachstan 0,7, Österreich 0,5. Hauptexporteure von Wolfram: China, Südkorea, Österreich. Hauptimporteure: USA, Japan, Deutschland, Großbritannien.

Herstellung von Wolfram

Der Prozess zur Gewinnung von Wolfram durchläuft die Unterstufe der Abtrennung von Trioxid WO 3 aus Erzkonzentraten und der anschließenden Reduktion zu Metallpulver mit Wasserstoff bei einer Temperatur von etwa 700 °C. Aufgrund des hohen Schmelzpunkts von Wolfram werden pulvermetallurgische Methoden eingesetzt, um eine kompakte Form zu erhalten: Das resultierende Pulver wird gepresst, in einer Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 1200–1300 °C gesintert und anschließend von elektrischem Strom durchflossen. Das Metall wird auf 3000 °C erhitzt und es kommt zu einem Sintern zu einem monolithischen Material. Zur anschließenden Reinigung und Gewinnung einer einkristallinen Form wird Zonenschmelzen eingesetzt.

Wenn man eine kompaktere Wolframprobe erhalten möchte, wird das Pulver komprimiert. In der Industrie werden daraus Stäbe mit einer Dichte von 13-15 g/cm 3 gewonnen, die jedoch eine geringe mechanische Festigkeit aufweisen und daher anschließend gesintert werden. Das Erhitzen auf 2000 °C im Vakuum oder in einer Wasserstoffatmosphäre erfolgt durch direktes Durchleiten eines elektrischen Stroms durch das Metall. Die Abmessungen der Stifte nach dem Sintern nehmen ab und die Dichte steigt auf 17,5 g/cm 3 .

Neben dem Elektronenstrahlschmelzen gibt es noch eine weitere Möglichkeit, Wolfram zu schmelzen. Das ist Argon-Lichtbogenschmelzen. Eine der Rheniumproben wurde mit der gleichen Methode hergestellt. Im Gegensatz zum Elektronenstrahlschmelzen lassen sich beim Schmelzen im Lichtbogen flüchtige Metallverunreinigungen weniger leicht entfernen (da das Schmelzen bei Atmosphärendruck und nicht im Vakuum erfolgt). Aber es ist diese Methode, die es ermöglicht, Wolframlegierungen mit so flüchtigen Metallen herzustellen, dass sie im Vakuum leicht von der Legierung wegfliegen können.

Gewinnung von Wolframkristallen

Die Dichte von Wolfram ist zweieinhalb Mal größer als die von Eisen! (Und die siebenfache Dichte von Aluminium.) Sie entspricht fast der Dichte von Gold (Unterschied um weniger als 1 %). Wolframkristalle werden nach der Zonenmethode unter Erhitzen durch einen Elektronenstrahl gezüchtet. Bei dieser Methode wird das Werkstück (Wolframstab) in einer Vakuumkammer vertikal verfestigt. Um das Werkstück herum befindet sich eine Ringkathode der Elektronenkanone, aus der durch Hochspannung beschleunigte Elektronen herausfliegen. Wenn sie auf die Probe treffen, bringen sie einen kleinen Bereich davon zum Schmelzen. In der resultierenden geschmolzenen Zone wird das flüssige Metall durch Oberflächenspannungskräfte daran gehindert, nach unten zu fließen. Die Kathode (und mit ihr die geschmolzene Zone) bewegt sich langsam am Kristall entlang. In diesem Fall laufen mehrere nützliche Prozesse ab: Alle flüchtigen Verunreinigungen fliegen von der Probe weg (in der Vakuumkammer wird der Druck unter 10 -5 mm Hg gehalten und die Temperatur beträgt 3500 Grad – unter solchen Bedingungen verlassen die meisten Verunreinigungen die Probe Probe in Form von Dampf); nach mehreren Durchgängen, wie beim Zonenschmelzen, konzentrieren sich die verbleibenden nichtflüchtigen Verunreinigungen auf einer Seite der Probe. Außerdem kommt es zu einer gerichteten Kristallisation des Barrens, die es bei Verwendung eines Impfkristalls ermöglicht, einen Einkristall mit einer bestimmten Orientierung zu erhalten. Solche Einkristalle werden zur Herstellung von Anoden für Röntgenröhren und in der physikalischen Forschung verwendet. Auch die Glühfäden hochwertiger Halogenlampen bestehen aus monokristallinen Barren, wodurch sich ihre Lebensdauer um ein Vielfaches verlängern lässt.

Physikalische Eigenschaften von Wolfram

Wolfram ist ein hellgraues Metall mit den höchsten Schmelz- und Siedepunkten.

Einige physikalische Eigenschaften sind in Tabellen angegeben. Weitere physikalische Eigenschaften von Wolfram:

Wolfram kristallisiert in einem kubisch raumzentrierten Gitter mit einer Periode a = 3,1647 Å; Dichte 19,3 g/cm 3, Schmelzpunkt 3410 °C, Siedepunkt 5900 °C. Wärmeleitfähigkeit (cal/cm·s·°С) 0,31 (20°С); 0,26 (1300°C).

Brinellhärte (kgf/mm2) für einen gesinterten Barren 200–230, für einen geschmiedeten Barren 350–400 (1 kgf/mm2 = 10 MN/m2). Bei Raumtemperatur ist Wolfram wenig plastisch.
elektrischer Widerstand bei 20 °C 55 × 10 −9 Ohm m, bei 2700 °C - 904 × 10 −9 Ohm m. Elektronenarbeitsfunktion 7,21·10 -19 J (4,55 eV), Strahlungsenergieleistung bei hohen Temperaturen (W/cm2): 18,0 (1000°C); 64,0 (2200 °C); 153,0 (2700 °C); 255,0 (3030 °C).
Die Schallgeschwindigkeit in geglühtem Wolfram beträgt 4290 m/s.
Die mechanischen Eigenschaften von Wolfram hängen von der vorherigen Verarbeitung ab. Zugfestigkeit (kgf/mm 2) für einen gesinterten Barren 11 bei Druckbehandlung von 100 bis 430; Elastizitätsmodul (kgf/mm 1) 35.000–38.000 für Draht und 39.000–41.000 für einkristallinen Faden;

Wolfram ist eines der schwersten und feuerfeststen Metalle. In seiner reinen Form ist es ein silberweißes Metall, ähnlich wie Platin, bei einer Temperatur von etwa 1600 °C lässt es sich leicht schmieden und zu einem dünnen Faden ziehen.

Chemische Eigenschaften von Wolfram

Wertigkeit von 2 bis 6. Am stabilsten ist 6-wertiges Wolfram. 3- und 2-wertige Wolframverbindungen sind instabil und haben keine praktische Bedeutung.

Wolfram weist eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf: Bei Raumtemperatur verändert es sich an der Luft nicht; bei glühend heißen Temperaturen oxidiert es langsam zu Wolfram-VI-Oxid; nahezu unlöslich in Salz-, Schwefel- und Flusssäure. In Salpetersäure und Königswasser oxidiert es an der Oberfläche. Es löst sich in einer Mischung aus Salpeter- und Flusssäure und bildet Wolframsäure. Von den Wolframverbindungen sind die wichtigsten: Wolframtrioxid oder Wolframanhydrid, Wolframate, Peroxidverbindungen mit der allgemeinen Formel Me 2 WO X sowie Verbindungen mit Halogenen, Schwefel und Kohlenstoff. Wolframate neigen zur Bildung von Polymeranionen, einschließlich Heteropolyverbindungen unter Einschluss anderer Übergangsmetalle.

Unter normalen Bedingungen ist Wolfram chemisch beständig. Bei 400–500 °C oxidiert das kompakte Metall an der Luft merklich zu WO 3 . Wasserdampf oxidiert es oberhalb von 600°C intensiv zu WO 3 . Halogene, Schwefel, Kohlenstoff, Silizium, Bor interagieren bei hohen Temperaturen mit Wolfram (Fluor mit Wolframpulver - bei Raumtemperatur). Wolfram reagiert nicht mit Wasserstoff bis zum Schmelzpunkt; mit Stickstoff über 1500°C bildet sich Nitrid. Unter normalen Bedingungen ist Wolfram beständig gegen Salz-, Schwefel-, Salpeter- und Flusssäure sowie Königswasser; bei 100°C interagiert es schwach mit ihnen; löst sich schnell in einer Mischung aus Flusssäure und Salpetersäure auf. In alkalischen Lösungen löst sich Wolfram beim Erhitzen leicht auf, und in geschmolzenen Alkalien löst es sich bei Luftzutritt oder in Gegenwart von Oxidationsmitteln schnell auf; in diesem Fall entstehen Wolframate. In Verbindungen weist Wolfram eine Wertigkeit von 2 bis 6 auf; Verbindungen mit höherer Wertigkeit sind am stabilsten.

Wolfram bildet vier Oxide: das höchste – WO 3 (Wolframanhydrid), das niedrigste – WO 2 und zwei mittlere – W 10 O 29 und W 4 O 11. Wolframanhydrid ist ein zitronengelbes kristallines Pulver, das sich in Alkalilösungen unter Bildung von Wolframaten löst. Bei der Reduktion mit Wasserstoff entstehen nacheinander niedere Oxide und Wolfram. Wolframsäureanhydrid entspricht Wolframsäure H 2 WO 4 – ein gelbes Pulver, praktisch unlöslich in Wasser und Säuren. Bei der Wechselwirkung mit Lösungen von Alkalien und Ammoniak entstehen Lösungen von Wolframaten. Bei 188 °C spaltet H 2 WO 4 Wasser ab und bildet WO 3 . Wolfram bildet mit Chlor eine Reihe von Chloriden und Oxychloriden. Die wichtigsten davon: WCl 6 (Schmelzpunkt 275 °C, Siedepunkt 348 °C) und WO 2 Cl 2 (Schmelztemperatur 266 °C, sublimiert über 300 °C), gewonnen durch Einwirkung von Chlor auf Wolframanhydrid in das Vorhandensein von Kohle. Wolfram bildet mit Schwefel zwei Sulfide WS 2 und WS 3. Die Wolframcarbide WC (Schmelze 2900 °C) und W 2 C (Schmelze 2750 °C) sind harte, feuerfeste Verbindungen; werden durch die Wechselwirkung von Wolfram mit Kohlenstoff bei 1000-1500°C gewonnen.

Anwendungen von Wolfram

Wolfram hat lange Zeit keine praktische Anwendung gefunden. Erst Ende des 19. Jahrhunderts begann man, die bemerkenswerten Eigenschaften dieses Metalls industriell zu nutzen. Derzeit werden etwa 80 Prozent des geförderten Wolframs in Wolframstählen und etwa 15 Prozent des Wolframs zur Herstellung von Hartlegierungen verwendet.

DEFINITION

Wolfram- vierundsiebzigstes Element des Periodensystems. Bezeichnung - W vom lateinischen „Wolframium“. Befindet sich in der sechsten Periode, VIB-Gruppe. Bezieht sich auf Metalle. Die Grundgebühr beträgt 74.

In Bezug auf die Häufigkeit in der Erdkruste ist Wolfram Chrom unterlegen, Molybdän jedoch überlegen. Natürliche Wolframverbindungen sind in den meisten Fällen Wolframate – Salze der Wolframsäure H 2 WO 4. So besteht das wichtigste Wolframerz – Wolframit – aus Wolframaten von Eisen und Mangan. Auch das Mineral Scheelit CaWO 4 kommt häufig vor.

Wolfram ist ein schweres weißes Metall (Abb. 1) mit einer Dichte von 19,3 g/cm 3 . Sein Schmelzpunkt (ca. 3400 °C) ist höher als der Schmelzpunkt aller anderen Metalle. Wolfram kann geschweißt und in dünne Stränge gezogen werden.

Reis. 1. Wolfram. Aussehen.

Atom- und Molekülmasse von Wolfram

DEFINITION

Relative Molekülmasse des Stoffes (M r) ist eine Zahl, die angibt, wie oft die Masse eines bestimmten Moleküls größer als 1/12 der Masse eines Kohlenstoffatoms ist, und relative Atommasse eines Elements (A r)— Wie oft ist die durchschnittliche Masse der Atome eines chemischen Elements größer als 1/12 der Masse eines Kohlenstoffatoms?

Da Wolfram im freien Zustand in Form einatomiger Moleküle W vorliegt, stimmen die Werte seiner Atom- und Molekülmassen überein. Sie betragen 183,84.

Wolframisotope

Es ist bekannt, dass Wolfram in der Natur in Form der fünf stabilen Isotope 180 W, 182 W, 183 W, 184 W und 186 W vorkommt. Ihre Massenzahlen betragen 180, 182, 183, 184 bzw. 186. Der Kern eines Atoms des Wolframisotops 180 W enthält vierundsiebzig Protonen und einhundertsechs Neutronen, der Rest unterscheidet sich davon nur in der Anzahl der Neutronen.

Es gibt künstliche instabile Wolframisotope mit Massenzahlen von 158 bis 192 sowie elf isomere Zustände von Kernen.

Wolframionen

Das äußere Energieniveau eines Wolframatoms besteht aus sechs Elektronen, die Valenzelektronen sind:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 14 5s 2 5p 6 5d 4 6s 2 .

Durch chemische Wechselwirkung gibt Wolfram seine Valenzelektronen ab, d.h. ist ihr Donor und verwandelt sich in ein positiv geladenes Ion:

W o -2e → W 2+ ;

W o -3e → W 3+ ;

W o -4e → W 4+ ;

W o -5e → W 5+ ;

W o -6e → W 6+ .

Wolframmolekül und -atom

Im freien Zustand liegt Wolfram in Form einatomiger W-Moleküle vor. Hier sind einige Eigenschaften, die das Wolframatom und -molekül charakterisieren:

Wolframlegierungen

Der größte Teil des geförderten Wolframs wird in der Metallurgie zur Herstellung von Spezialstählen und -legierungen verwendet. Schnellarbeitsstahl enthält bis zu 20 % Wolfram und besitzt die Fähigkeit zur Selbsthärtung. Selbst bei glühender Hitze verliert dieser Stahl nicht an Härte.

Neben Schnellarbeitsstählen werden häufig auch andere Wolfram- und Chrom-Wolfram-Stähle verwendet. Für die Herstellung von Sägen, Fräsern und Matrizen wird beispielsweise Stahl mit 1 bis 6 % Wolfram und bis zu 2 % Chrom verwendet.

Als feuerfestes Metall ist Wolfram Teil einer Reihe hitzebeständiger Legierungen. Insbesondere seine Legierungen mit Kobalt und Chrom – Stellite – weisen eine hohe Härte, Verschleißfestigkeit und Hitzebeständigkeit auf. Wolfram-Kupfer-Legierungen vereinen hohe elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Verschleißfestigkeit. Sie werden zur Herstellung von Arbeitsteilen von Messerschaltern, Schaltern und Elektroden zum Punktschweißen verwendet.

Beispiele für Problemlösungen

BEISPIEL 1

Wolfram ist ein Metall mit einzigartigen Eigenschaften. Es hat den höchsten Siedepunkt (5555 °C – die gleiche Temperatur in der Photosphäre der Sonne) und Schmelzpunkt (3422 °C) unter den Metallen und gleichzeitig den niedrigsten Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Darüber hinaus ist es eines der härtesten, schwersten, stabilsten und dichtesten Metalle: Die Dichte von Wolfram ist vergleichbar mit der von Uran und 1,7-mal höher als die von Blei.

Seine elektrische Leitfähigkeit ist fast dreimal geringer als die von Kupfer, aber recht hoch. In seiner gereinigten Form ist Wolfram silberweiß, ähnelt im Aussehen Stahl oder Platin und lässt sich bei starker Erhitzung – bis zu 1600 °C – perfekt schmieden.

Entdeckungs- und Anwendungsgeschichte

Seinen Namen erhielt das Metall von Wolframit, einem Mineral, dessen Name aus dem Lateinischen als „Wolfsschaum“ und aus dem Deutschen als „Wolfscreme“ übersetzt wird. Dieser seltsame Name ist mit dem Verhalten des Minerals verbunden: Es störte die Verhüttung von Zinn, wenn es das abgebauten Zinnerz begleitete, und verwandelte das im Mittelalter wertvolle Material in einen Schlackenschaum. Damals sagten sie über ihn: „Er frisst Zinn wie ein Wolf ein Schaf.“

Die Entdeckung von reinem Wolfram erfolgte gleichzeitig an zwei Orten. Im Jahr 1781 erhielt der Chemiker Scheele (Schweden) einen „schweren Stein“, indem er Scheelit mit Salpetersäure behandelte. Und 1783 berichteten Chemiker in Eluard (Spanien) auch über die Isolierung von reinem Wolfram.

Die Hauptreserven des Metalls befanden sich in Kasachstan, Kanada, China und den USA.

Anwendung von Wolfram. Wolframkarbid.

Ungefähr 50 % des Wolframs werden zur Herstellung von Hartstoffen verwendet, insbesondere Wolframcarbid mit einem Schmelzpunkt von 2770 °C.

Wolframkarbid ist eine chemische Verbindung aus gleich vielen Wolfram- und Kohlenstoffatomen. Es ist 2-mal härter als Stahl und hat einen Härtekoeffizienten von 9 auf der Mohs-Skala (Faktor 10).

Wolframkarbid wird zur Herstellung von:

— Schneidwerkzeuge, die äußerst widerstandsfähig gegen Abrieb und hohe Temperaturen sind;

— panzerbrechende Munition;

— Panzerpanzerung;

— Flugzeug- und Triebwerksteile;

— Teile von Raumschiffen und Raketen;

— Ausrüstung für die Nuklearindustrie;

— Ballaste, Verkehrsflugzeuge, Rennwagen;

- chirurgische Instrumente für die offene (Bauch-)Chirurgie und die laparoskopische Chirurgie (Scheren, Pinzetten, Greifer, Schneider und andere) – sie sind teurer als medizinischer Stahl, haben aber eine bessere Leistung;

- Schmuck, insbesondere Eheringe: Die Beliebtheit von Wolfram in Eheringen wird durch die physikalischen Eigenschaften des Metalls (Festigkeit, Feuerfestigkeit, als ob es die gleiche Stärke von Beziehungen symbolisieren würde) und sein Aussehen – poliert, behält Wolfram einen glänzenden Spiegel – verursacht. wie das Aussehen auf unbestimmte Zeit, da es im gewöhnlichen Leben unmöglich ist, es mit irgendetwas zu zerkratzen;

- eine Kugel in teuren Kugelschreibern;

— Kalibrierblöcke, die wiederum zur Herstellung von Präzisionslängen in der Dimensionsmesstechnik verwendet werden.

Andere Verwendungen von Wolfram

Wolfram wird bei der Herstellung von Heizelementen für Hochtemperatur-Vakuumöfen und Glühfäden in verschiedenen Beleuchtungsgeräten verwendet.

Wolframsulfid hat als Hochtemperaturschmierstoff Verwendung gefunden, der Temperaturen bis zu 500 °C standhält. Wolframat-Einkristalle werden in der Kernphysik und Medizin eingesetzt.

Eines der häufigsten chemischen Elemente ist Wolfram. Es wird mit dem Symbol W bezeichnet und hat die Ordnungszahl 74. Wolfram gehört zu einer Gruppe von Metallen, die eine hohe Verschleißfestigkeit und einen hohen Schmelzpunkt aufweisen. Im Periodensystem von Mendeleev gehört es zur 6. Gruppe und hat ähnliche Eigenschaften wie seine „Nachbarn“ – Molybdän und Chrom.

Entdeckung und Geschichte

Bereits im 16. Jahrhundert war ein Mineral wie Wolframit bekannt. Das war interessant, denn wenn Zinn aus Erz geschmolzen wurde, verwandelte sich dessen Schaum in Schlacke, was natürlich die Produktion beeinträchtigte. Seitdem wird Wolframit auch „Wolfsschaum“ (deutsch: Wolf Rahm) genannt. Der Name des Minerals wurde auf das Metall selbst übertragen.

Der schwedische Chemiker Scheele behandelte 1781 Scheelitmetall mit Salpetersäure. Während des Experiments erhielt er einen gelben schweren Stein – Wolfram(VI)-oxid. Zwei Jahre später gewannen die Gebrüder Eluard (spanische Chemiker) Wolfram selbst in seiner reinen Form aus dem sächsischen Mineral.

Dieses Element und seine Erze werden in Portugal, Bolivien, Südkorea, Russland und Usbekistan abgebaut. Die größten Reserven wurden in Kanada, den USA, Kasachstan und China gefunden. Pro Jahr werden nur 50 Tonnen dieses Elements abgebaut, es ist also teuer. Schauen wir uns genauer an, was für ein Metall Wolfram ist.

Elementeigenschaften

Wie bereits erwähnt, ist Wolfram eines der feuerfeststen Metalle. Es hat eine glänzende hellgraue Farbe. Sein Schmelzpunkt liegt bei 3422 °C, sein Siedepunkt bei 5555 °C, seine reine Dichte beträgt 19,25 g/cm3 und seine Härte beträgt 488 kg/mm². Es ist eines der schwersten Metalle und weist eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Es ist in Schwefel-, Salz- und Flusssäure praktisch unlöslich, reagiert jedoch schnell mit Wasserstoffperoxid. Was für ein Metall ist Wolfram, wenn es nicht mit geschmolzenen Alkalien reagiert? Bei der Reaktion mit Natriumhydroxid und Sauerstoff entstehen zwei Verbindungen – Natriumwolframat und gewöhnliches Wasser H 2 O. Interessanterweise verläuft Wolfram bei steigender Temperatur selbsterhitzt, sodass der Prozess viel aktiver abläuft.

Herstellung von Wolfram

Auf die Frage, zu welcher Metallgruppe Wolfram gehört, können wir antworten, dass es zur Kategorie der seltenen Elemente wie Rubidium und Molybdän gehört. Und das wiederum bedeutet, dass es sich durch einen kleinen Produktionsumfang auszeichnet. Darüber hinaus wird dieses Metall nicht durch Rückgewinnung aus Rohstoffen gewonnen, sondern zunächst zu chemischen Verbindungen verarbeitet. Wie erfolgt die Produktion seltener Metalle?

Das benötigte Element wird aus dem Erzmaterial isoliert und in einer Lösung oder einem Sediment konzentriert.
Der nächste Schritt besteht darin, durch Reinigung eine reine chemische Verbindung zu erhalten.
Aus der resultierenden Substanz wird reines seltenes Metall – Wolfram – isoliert.

Zur Anreicherung von Erzen werden Schwerkraft, Flotation, magnetische oder elektrostatische Trennung eingesetzt. Das Ergebnis ist ein Konzentrat, das 55–65 % Wolframanhydrid WO 3 enthält. Um ein Pulver zu erhalten, wird es mit Wasserstoff oder Kohlenstoff reduziert. Bei einigen Produkten endet hier der Prozess zur Beschaffung des Elements. Daher wird Wolframpulver zur Herstellung harter Legierungen verwendet.

Herstellung von Pfosten

Wir haben bereits herausgefunden, was für ein Metall Wolfram ist, und nun erfahren wir, in welchem Bereich es hergestellt wird. Aus der Pulvermasse werden kompakte Barren – Riegel – hergestellt. Dabei wird ausschließlich mit Wasserstoff reduziertes Pulver verwendet. Sie werden durch Pressen und Sintern hergestellt. Die resultierenden Barren sind ziemlich stark, aber zerbrechlich. Mit anderen Worten: Sie sind schwer zu fälschen. Um diese technologische Eigenschaft zu verbessern, werden die Stäbe einer Hochtemperaturbehandlung unterzogen. Aus diesem Produkt wird ein anderes Sortiment hergestellt.

Wolframstäbe

Dies ist natürlich eine der häufigsten Arten von Produkten aus diesem Metall. Welche Art von Wolfram wird für ihre Herstellung verwendet? Hierbei handelt es sich um die oben beschriebenen Pfosten, die auf einer Rotationsschmiedemaschine geschmiedet werden. Es ist wichtig zu beachten, dass der Prozess im erhitzten Zustand (1450–1500 °C) stattfindet. Die resultierenden Stäbe werden in den unterschiedlichsten Branchen eingesetzt. Beispielsweise zur Herstellung von Schweißelektroden. Darüber hinaus werden Wolframstäbe häufig in Heizgeräten verwendet. Sie arbeiten in Öfen bei Temperaturen bis zu 3000 °C im Vakuum, Inertgas oder Wasserstoff. Stäbe können auch als Kathoden von elektronischen und Gasentladungsgeräten sowie Radioröhren verwendet werden.

Interessanterweise sind die Elektroden selbst nicht verbrauchbar und daher ist beim Schweißen die Zufuhr von Zusatzwerkstoff (Draht, Stab) erforderlich. Wenn es mit dem zu schweißenden Material verschmilzt, entsteht ein Schweißbad. Diese Elektroden werden üblicherweise zum Schweißen von Nichteisenmetallen verwendet.

Wolfram und Draht

Hier ist eine andere Art von weit verbreitetem Produkt. Wolframdraht wird aus den zuvor besprochenen geschmiedeten Stäben hergestellt. Das Ziehen erfolgt mit einer allmählichen Temperaturabsenkung von 1000 °C auf 400 °C. Anschließend wird das Produkt durch Glühen, elektrolytisches Polieren oder elektrolytisches Ätzen gereinigt. Da Wolfram ein hochschmelzendes Metall ist, wird der Draht in Widerstandselementen in Heizöfen bei Temperaturen bis zu 3000 °C verwendet. Daraus werden thermoelektrische Wandler hergestellt, aber auch Spiralen aus Glühlampen, Schleifenheizer und vieles mehr.

Wolframverbindungen mit Kohlenstoff

Wolframcarbide gelten aus praktischer Sicht als sehr wichtig. Sie werden zur Herstellung von Hartlegierungen verwendet. Verbindungen mit Kohlenstoff haben einen positiven elektrischen Widerstandskoeffizienten und eine gute Metallleitfähigkeit. Wolframcarbide werden in zwei Arten gebildet: WC und W 2 C. Sie unterscheiden sich in ihrem Verhalten in Säuren sowie in der Löslichkeit in anderen Verbindungen mit Kohlenstoff.

Auf der Basis von Wolframcarbiden werden zwei Arten von Hartlegierungen hergestellt: gesintert und gegossen. Letztere werden aus einer pulverförmigen Verbindung und Karbid mit einem Unterschuss an C (weniger als 3 %) durch Gießen gewonnen. Der zweite Typ besteht aus Wolframmonokarbid WC und einem zementären Bindemetall, bei dem es sich um Nickel oder Kobalt handeln kann. Sinterlegierungen werden ausschließlich pulvermetallurgisch hergestellt. Das zementäre Metallpulver und Wolframcarbid werden gemischt, gepresst und gesintert. Solche Legierungen weisen eine hohe Festigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit auf.

In der modernen metallurgischen Industrie werden sie zur Metallzerspanung und zur Herstellung von Bohrwerkzeugen eingesetzt. Zu den gebräuchlichsten Legierungen zählen VK6 und VK8. Sie werden zur Herstellung von Fräsern, Fräsern, Bohrern und anderen Schneidwerkzeugen verwendet.

Der Anwendungsbereich von Wolframkarbiden ist recht umfangreich. Sie werden also verwendet zur Herstellung von:

panzerbrechendes Zubehör;
Triebwerksteile, Flugzeuge, Raumfahrzeuge und Raketen;
Ausrüstung in der Nuklearindustrie;
chirurgische Instrumente.

Im Westen werden Wolframcarbide besonders häufig in Schmuck verwendet, insbesondere zur Herstellung von Eheringen. Metall sieht schön aus, ist ästhetisch ansprechend und lässt sich leicht verarbeiten.

Das liegt daran, dass sie unglaublich langlebig sind. Um ein solches Produkt zu zerkratzen, müssen Sie sich viel Mühe geben. Auch nach einigen Jahren sieht der Ring noch wie neu aus. Es verblasst nicht, das Reliefmuster wird nicht beschädigt und der polierte Teil verliert nicht seinen Glanz.

Wolfram und Rhenium

Die Legierung dieser beiden Elemente wird häufig zur Herstellung von Hochtemperatur-Thermoelementen verwendet. Wolfram – welches Metall? Wie Rhenium ist es ein hitzebeständiges Metall, und das Legieren der Elemente verringert diese Eigenschaft. Was aber, wenn man zwei nahezu identische Substanzen einnimmt? Dann sinkt ihr Schmelzpunkt nicht.

Bei Verwendung von Rhenium als Zusatzstoff ist eine Erhöhung der Hitzebeständigkeit und Duktilität von Wolfram zu beobachten. Diese Legierung wird durch Schmelzen in der Pulvermetallurgie hergestellt. Thermoelemente aus diesen Materialien sind hitzebeständig und können Temperaturen über 2000 °C messen, allerdings nur in einer inerten Umgebung. Natürlich sind solche Produkte teuer, denn in einem Jahr werden nur 40 Tonnen Rhenium und nur 51 Tonnen Wolfram gefördert.