VOLFRAMI: HISTORIA, OMINAISUUDET, RAKENNE, KÄYTÖT - KEMIA - 2025

Volframi, volframia tai volframin raskasmetalli on siirtymämetalli, jonka kemiallinen symboli W. sijaitsee aikana 6-ryhmä, 6 jaksollisen, ja atomiluku 74. Sen nimi on kaksi etymologisen merkitykset: kiven ja susi vaahto; Toinen syy on se, että tämä metalli tunnetaan myös nimellä volframi.

Se on hopeanharmaa metalli ja vaikka se on hauras, sillä on suuri kovuus, tiheys ja korkeat sulamis- ja kiehumispisteet. Siksi sitä on käytetty kaikissa niissä sovelluksissa, joihin liittyy korkeita lämpötiloja, paineita tai mekaanisia voimia, kuten porat, ammukset tai säteilyä emittoivat filamentit.

Volframitanko osittain hapettuneella pinnallaan. Lähde: Hi-Res-kuvat kemiallisista elementeistä

Tämän metallin tunnetuin käyttö kulttuurisella ja suositulla tasolla on sähkölamppujen hehkulangat. Kuka tahansa on käsitellyt heidät, tajuaa kuinka heikko he ovat; niitä ei kuitenkaan ole valmistettu puhdasta volframia, joka on muovattavissa ja taipuisaa. Lisäksi metallisissa matriiseissa, kuten seoksissa, se tarjoaa erinomaisen vastuksen ja kovuuden.

Sille on tunnusomaista ja erottuva sillä, että sillä on korkeimman sulamispisteen omaava metalli, ja se on myös tiheämpi kuin lyijy itse, ja sen ylittävät vain muut metallit, kuten osmium ja iridium. Samoin se on raskain metalli, jonka tiedetään täyttävän jonkin verran biologista roolia kehossa.

Volframa-anioni, WO ₄ ^2-, osallistuu suurimpaan osaan ioniyhdisteitään, jotka voivat polymeroitua muodostaen klusterit happamassa väliaineessa. Toisaalta volframi voi muodostaa metallien välisiä yhdisteitä tai sintrata metalleilla tai epäorgaanisilla suoloilla siten, että sen kiinteät aineet saavat erilaisia ​​muotoja tai johdonmukaisuuksia.

Se ei ole kovin runsas maankuoressa, sillä metallia on vain 1,5 grammaa tonnilta. Lisäksi, koska se on raskas elementti, sen alkuperä on galaktien välinen; Erityisesti supernoova-räjähdyksistä, joiden on täytynyt heittää volframiatomien "suihkukoneita" kohti planeettamme sen muodostuksen aikana.

Historia

Etymologia

Volframin tai wolframin historialla on kaksi nimeä vastaavaa kasvoja: yksi sveitsiläinen ja toinen saksalainen. 1600-luvulla Saksan ja Itävallan tällä hetkellä miehittämillä alueilla kaivostyöläiset työskentelivät kuparin ja tinan uuttamiseksi pronssien tuottamiseksi.

Siihen mennessä kaivostyöläisten prosessi oli piikki: siellä oli erittäin vaikea mineraali sulaa; mineraali, joka koostuu wolframiitista, (Fe, Mn, Mg) WO ₄, joka pidätti tai "syöi" tinan ikään kuin se olisi susi.

Tästä syystä tämän elementin etymologia, ”susi” suden espanjaksi, susi, joka söi tinaa; ja vaahdon tai kerman 'mäntä', jonka kiteet muistuttivat pitkää mustaa turkista. Niinpä nimi ”wolfram” tai ”wolfram” syntyi näiden ensimmäisten havaintojen kunniaksi.

Vuonna 1758 Sveitsin puolella samankaltainen mineraali, scheeliitti, CaWO ₄, nimettiin ”tung sten”, mikä tarkoittaa ”kovaa kiveä”.

Molempia nimiä, wolfram ja volframi, käytetään laajasti keskenään, yksinomaan viljelmästä riippuen. Esimerkiksi Espanjassa ja Länsi-Euroopassa tämä metalli tunnetaan parhaiten volframina; kun taas Amerikan mantereella nimi volframi on vallitseva.

Tunnistaminen ja löytäminen

Silloin tiedettiin, että seitsemännentoista ja kahdeksannentoista vuosisadan välillä oli kaksi mineraalia: wolframite ja scheeliitti. Mutta kuka näki, että heissä oli metalli, joka oli erilainen kuin muut? Niitä voidaan luonnehtia vain mineraaleiksi, ja juuri vuonna 1779 irlantilainen kemisti Peter Woulfe analysoi huolellisesti volframia ja päätteli volframin olemassaolosta.

Jälleen Sveitsin puolella Carl Wilhelm Scheele vuonna 1781 pystyi eristämään volframin WO _{3: na}; ja jopa enemmän, hän sai volframi- (tai volframihappo) happoa, H ₂ WO ₄ ja muita yhdisteitä.

Tämä ei kuitenkaan riittänyt päästäkseen puhtaaseen metalliin, koska tämä happo oli tarpeen vähentää; ts. altistamalla se prosessille siten, että se irtoaa hapesta ja kiteytyy metalliksi. Carl Wilhelm Scheelella ei ollut asianmukaisia ​​uuneja tai menetelmiä tähän kemialliseen pelkistysreaktioon.

Juuri täällä espanjalaiset veljet d'Elhuyar, Fausto ja Juan José, ryhtyivät toimiin, jotka vähensivät molemmat mineraalit (wolframite ja scheelite) kivihiilellä Bergaran kaupungissa. Heille kahdelle annetaan ansio ja kunnia olla metallisen volframin (W) löytäjä.

Teräkset ja sipulit

Mikä tahansa hehkulamppu, jossa on volframihehku. Lähde: Pxhere.

Kuten muutkin metallit, sen käyttö määrittelee sen historian. Yksi 1800-luvun lopun näkyvimmistä tuotteista oli teräs-volframiseokset ja volframilangat, jotka korvaavat sähköhihnassa hiilen. Voidaan sanoa, että ensimmäiset sipulit, kuten me tunnemme, markkinoitiin vuosina 1903-1904.

ominaisuudet

Fyysinen ulkonäkö

Se on kiiltävä hopeanharmaa metalli. Hauras, mutta erittäin kova (ei pidä sekoittaa sitkeyteen). Jos pala on erittäin puhdasta, se muuttuu muokattavaksi ja kovaksi, yhtä paljon tai enemmän kuin useita teräksiä.

Atominumero

74.

Moolimassa

183,85 g / mol.

Sulamispiste

3422 ° C.

Kiehumispiste

5930 ° C.

Tiheys

19,3 g / ml.

Fuusion lämpö

52,31 kJ / mol.

Höyrystymislämpö

774 kJ / mol.

Molaarinen lämpökapasiteetti

24,27 kJ / mol.

Mohin kovuus

7.5.

elektronegatiivisuus

2.36 Paulingin asteikolla.

Atomiradio

139 pm

Sähkövastus

52,8 nm · 20 ° C: ssa.

isotoopit

Sitä esiintyy pääasiassa luonteessa viiteen isotooppina: ¹⁸² W, ¹⁸³ W, ¹⁸⁴ W, ¹⁸⁶ W ja ¹⁸⁰ W. Moolimassan 183 g / mol mukaan, joka laskee näiden isotooppien (ja muidenkin kolmekymmentä radioisotooppia), jokaisessa volframi- tai volframiatomissa on noin sata kymmenen neutronia (74 + 110 = 184).

Kemia

Se on erittäin korroosionkestävä metalli, koska sen ohut WO ₃ -kerros suojaa sitä hapen, hapon ja emästen hyökkäyksiltä. Kun se on liuotettu ja saostettu muilla reagensseilla, saadaan sen suoloja, joita kutsutaan volframeeneiksi tai susiramateiksi; niissä volframin hapetustila on yleensä +6 (olettaen, että ^{W6 +} -kationeja on).

Happoklusteroituminen

Decatungstate, esimerkki volframipolyoksometalaateista. Lähde: Scifanz

Kemiallisesti volframi on melko ainutlaatuinen, koska sen ioneilla on taipumus ryhmittyä muodostaen heteropoly-happoja tai polyoksometalaatteja. Mitä ne ovat? Ne ovat atomien ryhmiä tai klustereita, jotka kokoontuvat määrittelemään kolmiulotteisen ruumiin; Pääasiassa sellainen, jolla on pallomainen häkkimainen rakenne, jossa ne “sulkevat” toisen atomin.

Se kaikki alkaa volframaatti-anionista, WO ₄ ^2-, joka happoväliaineessa protonei nopeasti (HWO ₄ ^-) ja sitoutuu viereisen anionin kanssa muodostamaan ^2-; ja tämä puolestaan ​​yhdistyy toisen ^{2- kanssa} saadakseen ^4-. Joten, kunnes ratkaisussa on useita poliittisia asioita.

Paravolframaatteja A ja B, ^6- ja H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ¹⁰, vastaavasti, ovat yksi merkittävimmistä näistä polyanioneja.

Lewis-luonnoksen ja rakenteiden keksiminen voi olla haastavaa; mutta periaatteessa riittää, kun ne visualisoidaan WO _6- oktaedrajoukkoina (ylempi kuva).

Huomaa, että nämä harmahtava oktaedra lopulta määrittelevät desatungstate-tilan, poliittisen valtion; Jos siinä oleva heteroatomi (esimerkiksi fosfori) olisi silloin polyoksometalaatti.

Rakenne ja elektroninen kokoonpano

Kiteiset faasit

Volframiatomit määrittelevät kiteen, jonka rakenne on kehon keskittynyt kuutiometriä (bcc). Tämä kiteinen muoto tunnetaan a-faasina; samalla kun β-vaihe on myös kuutiomainen, mutta hieman tiheämpi. Molemmat faasit tai kiteiset muodot, α ja β, voivat esiintyä tasapainossa normaaleissa olosuhteissa.

A-faasin kiteiset jyvät ovat isometrisiä, kun taas p-faasin rakeet muistuttavat sarakkeita. Kristallista riippumatta, sitä säätelevät metallisidokset, jotka pitävät W-atomeja tiukasti yhdessä.Muuten korkeita sulamis- ja kiehumispisteitä tai volframin korkeaa kovuutta ja tiheyttä ei voitu selittää.

Metallisidos

Volframiatomit on sidottava jotenkin tiukasti. Arvioinnin tekemiseksi on ensin tarkkailtava tämän metallin elektronikonfiguraatiota:

4f ¹⁴ 5d ⁴ 6s ²

5d: n kiertoradat ovat erittäin suuria ja epäselviä, mikä tarkoittaisi, että kahden lähellä olevan W-atomin välillä olisi tehokkaita kiertoradan päällekkäisyyksiä. Myös 6s: n kiertoradat osallistuvat tuloksena oleviin kaistoihin, mutta vähemmässä määrin. Vaikka 4f-kiertoradat ovat "syvällä taustalla", ja siksi niiden osuus metallisessa sidoksessa on vähemmän.

Tämä, atomien koko ja kiteiset rakeet ovat muuttujia, jotka määrittävät volframin kovuuden ja sen tiheyden.

Hapetustilat

Metallisessa volframissa tai wolframissa W-atomien hapetustila on nolla (W ⁰). Palattuaan elektroniseen kokoonpanoon, 5d- ja 6s-kiertoradat voidaan "tyhjentää" elektroneista riippuen siitä, onko W erittäin elektronegatiivisten atomien, kuten hapen tai fluorin, seurassa.

Kun kaksi 6s-elektronia menetetään, volframilla on +2 hapetustila (W ²⁺), mikä aiheuttaa sen atomin supistumisen.

Jos se myös menettää kaikki elektronit 5d-kiertoradallaan, sen hapetustilasta tulee +6 (W ⁶⁺); Tästä eteenpäin siitä ei voi tulla positiivisempaa (teoriassa), koska 4f-kiertoradat, jotka ovat sisäisiä, vaativat suuria energioita elektroniensa poistamiseksi. Toisin sanoen positiivisin hapetustila on +6, jossa volframi on vielä pienempi.

Tämä volframi (VI) on erittäin stabiili happamissa olosuhteissa tai monissa hapetetuissa tai halogenoiduissa yhdisteissä. Muita mahdollisia ja positiivisia hapetustiloja ovat: +1, +2, +3, +4, +5 ja +6.

Volframi voi myös saada elektroneja, jos se yhdistyy atomien kanssa, jotka ovat vähemmän elektronisesti negatiivisia kuin itse. Tässä tapauksessa sen atomit suurenevat. Se voi saada korkeintaan neljä elektronia; toisin sanoen, niiden hapetustila on -4 (^W4).

Saada

Aikaisemmin mainittiin, että volframia on mineraaleissa wolframite ja scheeliitti. Prosessista riippuen, kaksi yhdisteet saadaan niistä: volframioksidi, WO ₃, tai ammonium- paratungstate, (NH ₄) ₁₀ (H ₂ W ₁₂ O ₄₂) · 4H ₂ O (tai ATP). Kumpi tahansa niistä voidaan pelkistää metalliseksi W hiilen ollessa yli 1050 ° C.

Volframiharkojen tuottaminen ei ole taloudellisesti kannattavaa, koska niiden sulamiseen tarvitaan paljon lämpöä (ja rahaa). Siksi on edullista valmistaa se jauhemuodossa sen käsittelemiseksi kerralla muilla metalleilla seosten saamiseksi.

On syytä mainita, että Kiina on maa, jolla on suurin volframituotanto maailmassa. Ja Yhdysvaltojen mantereella Kanada, Bolivia ja Brasilia ovat myös tämän metallin suurimpien tuottajien luettelossa.

Sovellukset

Rengas, joka on tehty volframikarbidista - esimerkki siitä, kuinka tämän metallin kovuutta voidaan käyttää materiaalien immortalointiin ja kovettumiseen. Lähde: SolitaryAngel (SolitaryAngel)

Tässä on joitain tämän metallin tunnetuista käyttötavoista:

-Sitä suoloja käytettiin vanhojen teattereiden puvun värjämiseen.

-Teräksellä yhdistettynä se kovettuu vielä enemmän, koska se pystyy kestämään jopa mekaanisia leikkauksia suurella nopeudella.

-Sintrattuja volframfilamentteja on käytetty yli sata vuotta sähkölampuissa ja halogeenilampuissa. Korkean sulamispisteensä takia se on myös toiminut materiaalina katodisädeputkille ja rakettimoottorien suuttimille.

-Asentaa lyijyä ammusten ja radioaktiivisten kilpien valmistuksessa.

-Volframinanolankoja voidaan käyttää pH- ja kaasuherkissä nanolaitteissa.

-Volframikatalyyttejä käytettiin käsittelemään rikin tuotantoa öljyteollisuudessa.

-Volframikarbidi on yleisimmin käytetty kaikista sen yhdisteistä. Leikkaus- ja poraustyökalujen vahvistamisesta tai armeijan kappaleiden valmistuksesta puun, muovin ja keramiikan työstöön.

Riskit ja varotoimet

biologinen

Koska maankuoressa on suhteellisen harvinainen metalli, sen kielteiset vaikutukset ovat vähäiset. Happamassa maaperässä polyungstaatit eivät saa vaikuttaa entsyymeihin, jotka käyttävät molybdaatti-anioneja; mutta emäksisissä maaperäissä WO ₄ ² puuttuu (positiivisesti tai negatiivisesti) MoO ₄ ^{2: n} ja kuparin aineenvaihduntaprosesseihin.

Esimerkiksi kasvit voivat absorboida liukoisia volframiyhdisteitä, ja kun eläin syö niitä ja sitten kuluttuaan lihaa, W-atomit pääsevät kehomme. Suurin osa karkotetaan virtsaan ja ulosteeseen, ja vain vähän tiedetään, mitä muille tapahtuu.

Eläintutkimukset ovat osoittaneet, että hengitettäessä suuria pitoisuuksia jauhemaista volframia heillä kehittyy samanlaisia ​​oireita kuin keuhkosyöpään.

Nielemisen vuoksi aikuisen ihmisen tulisi juoda tuhansia galloneita vettä, joka on rikastettu volframisuoloilla, jotta voidaan havaita kolinesteraasi- ja fosfataasi-entsyymien estävä vaikutus.

fyysinen

Yleisesti ottaen volframi on vähän myrkyllistä alkuainetta, ja siksi terveyshaittojen ympäristövaaroista on vähän.

Vältä metallisen volframin osalta sen pölyn hengittämistä; ja jos näyte on kiinteää, on pidettävä mielessä, että se on erittäin tiheä ja että se voi aiheuttaa fyysisiä vaurioita, jos se putoaa tai osuu muihin pintoihin.

Viitteet

1. Bell Terence. (SF). Volframi (Wolfram): Ominaisuudet, tuotanto, sovellukset ja seokset. Tasapaino. Palautettu osoitteesta: thebalance.com
2. Wikipedia. (2019). Volframi. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
3. Lenntech BV (2019). Volframi. Palautettu sivustolta: lenntech.com
4. Jeff Desjardins. (1. toukokuuta 2017). Volframin, maan voimakkaimman luonnonmetallin, historia. Palautettu sivustolta: visualcapitalist.com
5. Doug Stewart. (2019). Volframielementti tosiasiat. Palautettu osoitteesta: chemicool.com
6. Art Fisher ja Pam Powell. (SF). Volframi. Nevadan yliopisto. Palautettu: eba.unr.edu
7. Helmenstine, tohtori Anne Marie (2. maaliskuuta 2019). Volframi- tai Wolfram-tosiasiat. Palautettu osoitteesta: gondo.com