VOLFRAM: HISTORIA, EGENSKAPER, STRUKTUR, ANVÄNDNINGAR - KEMI - 2024

Den volfram , volfram eller volfram tungmetall är en övergångs vars kemiska symbolen W. ligger under perioden 6 grupp 6 i det periodiska systemet, och atomnummer 74. Dess namn har två etymologiska betydelser: hård sten och vargskum; Den andra beror på att denna metall också kallas volfram.

Det är en silvergrå metall och även om den är spröd har den stor hårdhet, densitet och höga smält- och kokpunkter. Därför har den använts i alla de applikationer som involverar höga temperaturer, tryck eller mekaniska krafter, såsom borrar, projektiler eller strålning som avger strålar.

Volframstång med sin delvis oxiderade yta. Källa: Hi-Res Images of Chemical Elements

Den mest kända användningen av denna metall på kulturell och populär nivå är i glödtrådarna av elektriska glödlampor. Den som har hanterat dem kommer att inse hur ömtåliga de är; de är emellertid inte gjorda av ren volfram, som är formbar och mjuk. Dessutom ger det i metalliska matriser som legeringar utmärkt motståndskraft och hårdhet.

Det kännetecknas och kännetecknas av att den är den metall som har den högsta smältpunkten, och den är också tätare än själva blyet, överträffas endast av andra metaller som osmium och iridium. På samma sätt är det den tyngsta metallen som är känd för att fylla någon biologisk roll i kroppen.

Wolframat-anjonen, WO ₄ ^2- , deltar i de flesta av sina joniska föreningar , som kan polymerisera för att bilda kluster i ett surt medium. Å andra sidan kan volfram bilda intermetalliska föreningar eller sintras med metaller eller oorganiska salter så att dess fasta ämnen får olika former eller konsistenser.

Det finns inte mycket rikligt i jordskorpan, med bara 1,5 gram av denna metall per ton. Eftersom det är ett tungt element är dess ursprung intergalaktiskt; speciellt från supernovaexplosioner, som måste ha kastat "strålar" av volframatomer mot vår planet under dess bildning.

Historia

Etymologi

Wolfram- eller wolframhistoria har två ansikten precis som deras namn: en schweizisk och den andra tyska. På 1600-talet, i regioner som för närvarande ockuperas av Tyskland och Österrike, arbetade gruvarbetare för att utvinna koppar och tenn för att producera brons.

Då befann gruvarbetarna sig med en torn i processen: det fanns ett extremt svårt mineral att smälta; mineral bestående av wolframit, (Fe, Mn, Mg) WO ₄ , som behöll eller "förtärde" tennet som om det var en varg.

Därför etymologin för detta element, "varg" för varg på spanska, en varg som åt tenn; och "ram" av skum eller grädde, vars kristaller liknade en lång svart päls. Det var sålunda som namnet 'wolfram' eller 'wolfram' uppstod för att hedra dessa första observationer.

1758, på schweizisk sida, kallades ett liknande mineral, scheelite, CaWO ₄ , 'tungsten', vilket betyder 'hård sten'.

Båda namnen, wolfram och volfram, används ofta omväxlande, beroende enbart på kulturen. I Spanien, till exempel och i Västeuropa, är denna metall bäst känd som volfram; medan på den amerikanska kontinenten dominerar namnet tungsten.

Erkännande och upptäckt

Det var då känt att mellan det sjuttonde och artonde århundradet fanns två mineraler: wolframit och scheelite. Men vem såg att det fanns en metall i dem annorlunda än de andra? De kunde bara karakteriseras som mineraler, och det var 1779 som den irländska kemisten Peter Woulfe analyserade noggrant volfram och drog upp tillvaron av volfram.

På schweizisk sida kunde Carl Wilhelm Scheele 1781 isolera volfram som WO ₃ ; och ännu mer, erhållen han volfram (eller volfram) syra, H ₂ WO ₄ och andra föreningar.

Detta räckte emellertid inte för att komma till den rena metallen, eftersom det var nödvändigt att minska denna syra; det vill säga utsätta den för en process så att den lossnar från syre och kristalliseras som metall. Carl Wilhelm Scheele hade inte lämpliga ugnar eller metodik för denna kemiska reduktionsreaktion.

Det är här där de spanska bröderna d'Elhuyar, Fausto och Juan José, kom till handling och minskade båda mineraler (wolframit och scheelite) med kol i staden Bergara. De två tilldelas meriter och ära att vara upptäckare av metallisk volfram (W).

Stål och lökar

Varje glödlampa med en volframtråd. Källa: Pxhere.

Liksom andra metaller definierar dess användning dess historia. Bland de mest framträdande i slutet av 1800-talet var stål-volframlegeringarna och volframfilamenten för att ersätta kolerna i de elektriska glödlamporna. Det kan sägas att de första glödlamporna, som vi känner dem, marknadsfördes 1903-1904.

Egenskaper

Fysiskt utseende

Det är en glansig silvergrå metall. Bräckliga men mycket hårda (för att inte förväxlas med seghet). Om biten har hög renhet blir den formbar och hård, lika mycket eller mer som flera stål.

Atomnummer

74.

Molmassa

183,85 g / mol.

Smältpunkt

3422 ° C

Kokpunkt

5930 ° C

Densitet

19,3 g / ml.

Smältvärme

52,31 kJ / mol.

Förångningsvärme

774 kJ / mol.

Molär värmekapacitet

24,27 kJ / mol.

Mohs hårdhet

7,5.

Elektronnegativitet

2.36 på Pauling-skalan.

Atomradio

139 pm

Elektrisk resistans

52,8 nΩ · m vid 20 ° C

isotoper

Det förekommer huvudsakligen i naturen som fem isotoper: ¹⁸² W, ¹⁸³ W, ¹⁸⁴ W, ¹⁸⁶ W och ¹⁸⁰ W. Enligt den molära massan på 183 g / mol, som är medelvärdena atommassorna i dessa isotoper (och de andra trettio radioisotoper) har varje volfram- eller volframatom cirka hundra och tio neutroner (74 + 110 = 184).

Kemi

Det är en metall som är mycket motståndskraftig mot korrosion, eftersom dess tunna lager av WO ₃ skyddar den mot angrepp av syre, syra och alkalier. När de har lösts och fällts ut med andra reagens erhålls dess salter, som kallas volframat eller wolframater; i dem har volfram vanligtvis ett oxidationstillstånd på +6 (förutsatt att det finns W6 ⁺ -katjoner ).

Syraklustering

Decatungstate, ett exempel på volframpolyoxometalater. Källa: Scifanz

Kemiskt volfram är ganska unikt eftersom dess joner tenderar att klustera för att bilda heteropolysyror eller polyoxometalater. Vad är dem? De är grupper eller kluster av atomer som samlas för att definiera en tredimensionell kropp; I huvudsak en med en sfärisk burliknande struktur, där de "omsluter" en annan atom.

Det hela börjar från volframanjonen, WO ₄ ^2- , som i ett surt medium snabbt protonerar (HWO ₄ ^- ) och binds med en angränsande anjon för att bilda ^2- ; och detta i sin tur förenas med ytterligare ^{2- för} att komma från ^4- . Så vidare tills det finns flera politungstats i lösning.

Paratungstates A och B, ^6- och H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ^10- , respektive, är en av de mest framstående av dessa polyanjoner.

Det kan vara utmanande att komma med din Lewis skiss och strukturer; men i princip räcker det att visualisera dem som uppsättningar av WO ₆ octahedra (övre bild).

Observera att dessa gråaktiga oktaedrarna slutar definiera dekatungstaten, en politungstat; Om ett heteroatom (till exempel fosfor) innehöll det, skulle det då vara ett polyoxometalat.

Struktur och elektronisk konfiguration

Kristallina faser

Volframatomer definierar en kristall med en kroppscentrerad kubisk (bcc) struktur. Denna kristallina form är känd som a-fasen; medan p-fasen också är kubisk, men lite tätare. Både faser eller kristallina former, a och β, kan samexistera i jämvikt under normala förhållanden.

De kristallina kornen i a-fasen är isometriska, medan de i p-fasen liknar kolumner. Oavsett hur kristallen är, styrs den av de metalliska bindningarna som håller W-atomerna tätt ihop. Annars kunde de höga smält- och kokpunkterna, eller den höga hårdheten och densiteten för volfram, inte förklaras.

Metallisk bindning

Volframatomer måste på något sätt vara tätt bundna. För att göra ett antagande måste elektronmetoden för denna metall först observeras:

4f ¹⁴ 5d ⁴ 6s ²

5d-orbitalerna är mycket stora och otydliga, vilket skulle innebära att mellan två närliggande W-atomer finns effektiva överlappningar i omloppet. Också 6-talets orbitaler bidrar till de resulterande banden, men i mindre grad. Medan 4f-orbitalerna är "djupt i bakgrunden" och därför är deras bidrag till den metalliska bindningen mindre.

Detta, storleken på atomerna och de kristallina kornen, är variablerna som bestämmer hårdheten för volfram och dess densitet.

Oxidationstillstånd

I metallisk volfram eller wolfram har W-atomerna noll oxidationstillstånd (W ⁰ ). Återvändande till den elektroniska konfigurationen kan 5d- och 6-orbitalerna "tömmas" för elektroner beroende på om W är i sällskap med mycket elektronegativa atomer, såsom syre eller fluor.

När de två 6s-elektronerna går förlorade, har volfram ett +2-oxidationstillstånd (W2 ⁺ ), vilket får sin atom att dras samman.

Om den också tappar alla elektroner i sina 5d-orbital blir dess oxidationstillstånd +6 (W ⁶⁺ ); Härifrån kan det inte bli mer positivt (i teorin), eftersom 4f-orbitalerna, eftersom de är interna, skulle kräva stora energier för att ta bort sina elektroner. Med andra ord är det mest positiva oxidationstillståndet +6, där volfram är ännu mindre.

Denna volfram (VI) är mycket stabil under sura förhållanden eller i många syresatta eller halogenerade föreningar. Andra möjliga och positiva oxidationstillstånd är: +1, +2, +3, +4, +5 och +6.

Volfram kan också få elektroner om den kombineras med atomer som är mindre elektronegativa än sig själv. I detta fall blir dess atomer större. Det kan få högst fyra elektroner; det vill säga ha ett oxidationstillstånd på -4 (W ^4- ).

Erhållande

Det nämndes tidigare att volfram finns i mineralerna wolframit och scheelite. Beroende på processen, är två föreningar erhålls från dem: volframoxid, WO ₃ , eller ammoniumparavolframat, (NH ₄ ) ₁₀ (H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ) · 4H ₂ O (eller ATP). Endera av dem kan reduceras till metalliskt W med kol över 1050 ° C.

Det är inte ekonomiskt lönsamt att producera volframgöt, eftersom de skulle behöva mycket värme (och pengar) för att smälta dem. Det är därför det föredras att producera det i pulverform för att behandla det på en gång med andra metaller för att erhålla legeringar.

Det är värt att nämna att Kina är det land som har världens största volframproduktion. Och på den amerikanska kontinenten ockuperar Kanada, Bolivia och Brasilien även listan över de största tillverkarna av denna metall.

tillämpningar

En ring gjord av volframkarbid - ett exempel på hur hårdheten hos denna metall kan användas för att odödliga och härda material. Källa: SolitaryAngel (SolitaryAngel)

Här är några av de kända användningarna för denna metall:

-Salter användes för att färga bomull från gamla teatrar.

-Kombinerat med stål härdar det ännu mer och kan även motstå mekaniska snitt i höga hastigheter.

-Sintermed volframfilament har använts i över hundra år i elektriska glödlampor och halogenlampor. På grund av dess höga smältpunkt har den också fungerat som ett material för katodstrålerör och för munstyckena i raketmotorer.

-Borttagningar leder till tillverkning av projektiler och radioaktiva skärmar.

-Tungsten nanotrådar kan användas i pH och gaskänsliga nanodon.

-Tungsten katalysatorer användes för att hantera svavelproduktionen i oljeindustrin.

-Tungstenkarbid är den mest använda av alla dess föreningar. Från förstärkning av skär- och borrverktyg eller tillverkning av delar av militära beväpningar till bearbetning av trä, plast och keramik.

Risker och försiktighetsåtgärder

Biologisk

Eftersom det är en relativt sällsynt metall i jordskorpan är dess negativa effekter knappast. I sura jordar kan polyungstater inte påverka enzymer som använder molybdatanjoner; men i basjordar ingriper WO ₄ ^2- (positivt eller negativt) i de metaboliska processerna i MoO ₄ ^2- och koppar.

Växter kan till exempel ta upp lösliga volframföreningar, och när ett djur äter dem och sedan efter att ha konsumerat sitt kött kommer W-atomer in i våra kroppar. De flesta förvisas i urinen och avföringen, och lite är känt vad som händer med resten av dem.

Djurstudier har visat att när de inhalerar höga koncentrationer av pulveriserad volfram utvecklar de symtom som liknar lungcancer.

Genom intag skulle en vuxen människa behöva dricka tusentals liter vatten berikad med volframsalter för att uppvisa märkbar hämning av enzymerna kolinesteras och fosfatas.

Fysisk

Generellt sett är volfram ett lågt giftigt element och därför finns det få miljörisker för hälsoskador.

Beträffande metallisk volfram, undvik att andas in dammet. och om provet är fast måste det komma ihåg att det är mycket tätt och att det kan orsaka fysisk skada om det tappas eller träffar andra ytor.

referenser

1. Bell Terence. (Sf). Volfram (Wolfram): Egenskaper, produktion, applikationer och legeringar. Balansen. Återställd från: thebalance.com
2. Wikipedia. (2019). Volfram. Återställd från: en.wikipedia.org
3. Lenntech BV (2019). Volfram. Återställd från: lenntech.com
4. Jeff Desjardins. (1 maj 2017). Historia av tungsten, den starkaste naturliga metallen på jorden. Återställd från: visualcapitalist.com
5. Doug Stewart. (2019). Fakta om volframelement. Återställd från: chemicool.com
6. Art Fisher och Pam Powell. (Sf). Volfram. University of Nevada. Återställd från: unce.unr.edu
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (02 mars 2019). Volfram- eller Wolfram-fakta. Återställd från: thoughtco.com