MINISTARSTVO OBRAZOVANJA I ZNANOSTI RUSKE FEDERACIJE

SEVERSKY TEHNOLOŠKI INSTITUT - podružnica

savezna državna autonomna obrazovna ustanova

visoko stručno obrazovanje

"Nacionalno istraživačko nuklearno sveučilište "MEPhI"

Zavod za ChiTMSE

VOLFRAM

apstrakt o disciplini

"Odabrana poglavlja iz kemije elemenata"

Student gr. D-143

Androsov V. O.

"____" ___________ 2014

provjereno

Izvanredni profesor Katedre za ChiTMSE

Bezrukova S.A.

"____" _________ 2014

Seversk 2014

Uvod

Povijest podrijetla imena

Priznanica

Fizička svojstva

Kemijska svojstva

1. Primjena

   1. Metalni volfram

      Spojevi volframa

   2. izotopi

Biološka uloga

Zaključak

Bibliografija

Uvod

Volfram je kemijski element s atomskim brojem 74 u periodnom sustavu kemijskih elemenata D. I. Mendeljejeva, koji se označava simbolom W (lat. Wolframium). U normalnim uvjetima, to je tvrd, sjajan, srebrno-sivi prijelazni metal.

Volfram je najvatrostalniji metal. Samo nemetalni element, ugljik, ima više talište. U standardnim uvjetima, kemijski otporan.

Povijest podrijetla imena

Naziv Wolframium prenesen je na element iz minerala volframita, poznatog još u 16. stoljeću. naziva se "vučja pjena" - "Spuma lupi" na latinskom, ili "Wolf Rahm" na njemačkom. Naziv je dobio zbog činjenice da je volfram, prateći kositrene rude, ometao taljenje kositra, pretvarajući ga u pjenu troske ("ždere kositar kao vuk ovcu").

Trenutno se u SAD-u, Velikoj Britaniji i Francuskoj za volfram koristi naziv "volfram" (švedski tung sten - "teški kamen").

Godine 1781. poznati švedski kemičar Scheele, tretirajući mineral šeelit dušičnom kiselinom, dobio je žuti "teški kamen" (volframov trioksid). Godine 1783. španjolski kemičari, braća Eluard, objavili su da su iz saksonskog minerala volframita dobili i žuti oksid novog metala topljivog u amonijaku i sam metal. U isto vrijeme, jedan od braće, Fausto, bio je u Švedskoj 1781. godine i komunicirao sa Scheeleom. Scheele nije tvrdio da je otkrio volfram, a braća Eluard nisu inzistirala na svom prioritetu.

Priznanica

Koncentrati volframita i šeelita (50-60% WO 3) služe kao sirovine za proizvodnju volframa.

Ferovolfram (legura željeza sa 65-80% volframa) izravno se tali iz koncentrata, koji se koristi u proizvodnji čelika; za dobivanje volframa, njegovih legura i spojeva, anhidrid volframa se izolira iz koncentrata.

U industriji se koristi nekoliko metoda za dobivanje WO 3:

1. Šeelitni koncentrati se razgrađuju u autoklavima s otopinom sode na 180-200 ° C (dobiva se tehnička otopina natrijevog volframata) ili klorovodične kiseline (dobiva se tehnička volframova kiselina):

1. CaWO 4 (tv) + Na 2 CO 3 (l) = Na 2 WO 4 (l) + CaCO 3 (tv)

2. CaWO 4 (tv) + 2 HCl (l) \u003d H 2 WO 4 (tv) + CaCl 2 (otopina).

Koncentrati volframita se razgrađuju bilo sinteriranjem sa sodom na 800-900°C, nakon čega slijedi ispiranje Na 2 WO 4 vodom, ili obradom otopinom natrijevog hidroksida kada se zagrijava. Kada se razgradi alkalnim sredstvima (soda ili kaustična soda), nastaje otopina Na 2 WO 4, onečišćena nečistoćama. Nakon njihovog izdvajanja iz otopine oslobađa se H 2 WO 4 . Za dobivanje grubljih taloga koji se lako filtriraju i peru, CaWO 4 se najprije istaloži iz otopine Na 2 WO 4, koja se zatim razgrađuje s klorovodičnom kiselinom. Osušeni H 2 WO 4 sadrži 0,2 - 0,3% nečistoća.

Kalciniranjem H 2 WO 4 na 700-800 ° C dobiva se WO 3, a iz njega se dobivaju tvrde legure.

2. Za proizvodnju metalnog volframa, H 2 WO 4 se dodatno pročišćava metodom amonijaka - otapanjem u amonijaku i kristalizacijom amonijevog paravolframata 5 (NH 4) 2 O 12WO 3 nH 2 O. Kalciniranjem ove soli dobiva se čisti WO 3.

3. Volframov prah se dobiva redukcijom WO 3 s vodikom (i u proizvodnji tvrdih legura - također s ugljikom) u cjevastim električnim pećima na 700-850°C. Kompaktni metal dobiva se iz praha kermetnom metodom, odnosno prešanjem u čeličnim kalupima pod tlakom od 3000-5000 (kg * s / cm 2) i toplinskom obradom prešanih proizvoda - šipki. Posljednji stupanj toplinske obrade - zagrijavanje do oko 3000°C provodi se u posebnim aparatima izravno propuštanjem električne struje kroz šipku u atmosferi vodika. Kao rezultat, dobiva se volfram, koji je dobro podložan obradi pod tlakom (kovanje, izvlačenje, valjanje itd.) kada se zagrijava.

Fizička svojstva

Volfram je sjajni svijetlosivi metal s najvišim dokazanim talištem i vrelištem (pretpostavlja se da je seaborgij još vatrostalniji, ali zasad se to ne može čvrsto tvrditi - životni vijek seaborgija je vrlo kratak). Talište - 3695 K (3422 °C), vrije na 5828 K (5555 °C). Gustoća čistog volframa je 19,25 g/cm³. Ima paramagnetska svojstva. Tvrdoća po Brinellu 488 kg/mm², električni otpor na 20 °C - 55·10−9 Ohm·m, na 2700°C - 904·10−9 Ohm·m. Dobro je podložan kovanju i može se izvući u tanku nit.

Kemijska svojstva

Ima valenciju II, III i VI. Najstabilniji je valentni volfram VI. II, III valentni spojevi volframa su nestabilni i nemaju praktičnog značaja.

U normalnim uvjetima volfram je kemijski stabilan. Na 400-500°C oksidira se na zraku u WO 3 . Vodena ga para intenzivno oksidira iznad 600°C u WO 3 . Halogeni, sumpor, ugljik, silicij, bor međusobno djeluju s volframom na visokim temperaturama (fluor s volframom u prahu - na sobnoj temperaturi). Volfram ne reagira s vodikom do točke taljenja; s dušikom iznad 1500°C stvara nitrid. U normalnim uvjetima volfram je otporan na klorovodičnu, sumpornu, dušičnu i fluorovodičnu kiselinu, kao i na aqua regia; na 100 ° C, slabo komunicira s njima; brzo se otapa u smjesi fluorovodične i dušične kiseline.

U otopinama lužina, kada se zagrijava, volfram se lagano otapa, au rastaljenim lužinama s pristupom zraku ili u prisutnosti oksidacijskih sredstava - brzo; u ovom slučaju nastaju volframati.

Volfram tvori četiri oksida:

viši - WO 3 (anhidrid volframa),

donji - WO 2 i

dva intermedijera W 10 O 29 i W 4 O 11.

Volframov anhidrid je limunžuti kristalni prah koji se otapa u alkalijskim otopinama i stvara volframate. Kada se reducira vodikom, sukcesivno nastaju niži oksidi i volfram.

Volframov anhidrid odgovara volframovoj kiselini H 2 WO 4 - žuti prah, praktički netopljiv u vodi i kiselinama. Kada stupa u interakciju s otopinama lužina i amonijaka, nastaju otopine volframata. Na 188°C H 2 WO 4 se raspada na WO 3 i vodu.

S klorom, volfram tvori niz klorida i oksiklorida. Najvažniji od njih: WCl 6 (ttal. 275°C, tbp 348°C) i WO 2 Cl 2 (ttal. 266°C, sublimira iznad 300°C), dobivaju se djelovanjem klora na anhidrid volframa u prisustvu ugljena.

Sa sumporom volfram stvara dva sulfida WS 2 i WS 3 .

Volframovi karbidi WC (ttal. 2900°C) i W 2 C (ttal. 2750°C) tvrdi su vatrostalni spojevi; dobiven interakcijom volframa s ugljikom na 1000-1500°C

Volfram je kemijski element periodnog sustava Mendeljejeva, koji pripada VI skupini. U prirodi se volfram pojavljuje kao mješavina pet izotopa. U svom normalnom obliku i pod normalnim uvjetima, to je srebrnasto-sivi tvrdi metal. Također je najvatrostalniji od svih metala.

Glavna svojstva volframa

Volfram je metal s izvanrednim fizičkim i kemijskim svojstvima. Praktično u svim granama moderne proizvodnje koristi se volfram. Njegova formula se obično izražava kao oznaka metalnog oksida - WO 3 . Volfram se smatra najvatrostalnijim metalom. Pretpostavlja se da jedino seaborgij može biti još vatrostalniji. Ali to je nemoguće još sa sigurnošću reći, jer seaborgium ima vrlo kratko vrijeme postojanja.

Ovaj metal ima posebna fizikalna i kemijska svojstva. Volfram ima gustoću od 19300 kg / m 3, njegova točka topljenja je 3410 ° C. Prema ovom parametru, zauzima drugo mjesto nakon ugljika - grafita ili dijamanta. U prirodi se volfram pojavljuje u obliku pet stabilnih izotopa. Njihovi maseni brojevi su u rasponu od 180 do 186. Volfram ima 6. valenciju, au spojevima može biti 0, 2, 3, 4 i 5. Metal također ima prilično visoku razinu toplinske vodljivosti. Za volfram, ova brojka je 163 W/(m*deg). Ovim svojstvom premašuje čak i takve spojeve kao što su aluminijske legure. Masa volframa je zbog njegove gustoće, koja je jednaka 19 kg / m 3. Oksidacijsko stanje volframa kreće se od +2 do +6. U višim stupnjevima svoje oksidacije, metal ima kisela svojstva, au nižim - bazična.

U ovom slučaju, legure nižih spojeva volframa smatraju se nestabilnima. Najotporniji su spojevi sa stupnjem +6. Oni također pokazuju najkarakterističnija kemijska svojstva metala. Volfram lako stvara komplekse. Ali metalni volfram obično je vrlo otporan. Počinje interakciju s kisikom tek na temperaturi od +400 °C. Kristalna rešetka volframa pripada kubičnom tjelesnocentričnom tipu.

Interakcija s drugim kemikalijama

Ako se volfram pomiješa sa suhim fluorom, tada se može dobiti spoj nazvan "heksafluorid", koji se tali već na temperaturi od 2,5 °C, a vrije na 19,5 °C. Slična tvar dobiva se spajanjem volframa s klorom. Ali takva reakcija zahtijeva dovoljno visoku temperaturu - oko 600 ° C. Međutim, tvar se lako odupire destruktivnom djelovanju vode i praktički se ne mijenja na hladnoći. Volfram je metal koji, bez kisika, ne proizvodi reakciju otapanja u alkalijama. Međutim, lako se otapa u smjesi HNO 3 i HF. Najvažniji kemijski spojevi volframa su njegov trioksid WO 3, H 2 WO 4 - volframova kiselina, kao i njegovi derivati ​​- soli volframa.

Možete razmotriti neka kemijska svojstva volframa pomoću reakcijskih jednadžbi. Na primjer, formula WO 3 + 3H 2 = W + 3H 2 O. U njemu se metal volframa reducira iz oksida, očituje se njegovo svojstvo interakcije s vodikom. Ova jednadžba odražava proces dobivanja volframa iz njegovog trioksida. Sljedeća formula označava takvo svojstvo kao što je praktična netopljivost volframa u kiselinama: W + 2HNO3 + 6HF = WF6 + 2NO + 4H2O. Jedna od najznačajnijih tvari koje sadrže volfram je karbonil. Od njega se dobivaju gusti i ultratanki premazi čistog volframa.

Povijest otkrića

Volfram je metal koji je dobio ime po latinskom jeziku. U prijevodu ova riječ znači "vučja pjena". Takvo neobično ime pojavilo se zbog ponašanja metala. Prateći iskopanu kositrenu rudu, volfram je ometao oslobađanje kositra. Zbog toga se tijekom procesa taljenja stvarala samo troska. Rečeno je da ovaj metal "jede kositar kao što vuk jede ovcu". Mnogima je zanimljivo tko je otkrio kemijski element volfram?

Do ovog znanstvenog otkrića došlo je istovremeno na dva mjesta od strane različitih znanstvenika, neovisno jedan o drugom. Godine 1781. švedski kemičar Scheele eksperimentiranjem s dušičnom kiselinom i šeelitom dobio je takozvani "teški kamen". Godine 1783. braća kemičari iz Španjolske po imenu Eluard također su objavili otkriće novog elementa. Točnije, otkrili su volframov oksid, koji je bio otopljen u amonijaku.

Legure s drugim metalima

Trenutno se razlikuju jednofazne i višefazne legure volframa. Sadrže jedan ili više stranih elemenata. Najpoznatiji spoj je legura volframa i molibdena. Dodatak molibdena daje volframu vlačnu čvrstoću. Također, spojevi volframa s titanom, hafnijem i cirkonijem pripadaju kategoriji jednofaznih legura. Renij daje najveću plastičnost volframu. Međutim, praktična primjena takve legure prilično je naporan proces, budući da je renij vrlo teško dobiti.

Budući da je volfram jedan od najvatrostalnijih materijala, dobivanje legura volframa nije lak zadatak. Kad ovaj metal tek počne ključati, drugi već prelaze u tekuće ili plinovito stanje. Ali moderni znanstvenici mogu dobiti legure pomoću procesa elektrolize. Za nanošenje zaštitnog sloja na lomljive materijale koriste se legure koje sadrže volfram, nikal i kobalt.

Moderna metalurška industrija također proizvodi legure pomoću volframovog praha. Njegovo stvaranje zahtijeva posebne uvjete, uključujući stvaranje vakuumskog okruženja. Zbog nekih značajki interakcije volframa s drugim elementima, metalurzi radije stvaraju legure ne s dvofaznom karakteristikom, već s upotrebom 3, 4 ili više komponenti. Ove legure su posebno jake, ali uz strogo pridržavanje formula. Uz najmanja odstupanja u postotnim komponentama, legura se može pokazati krhkom i neprikladnom za upotrebu.

Volfram - element koji se koristi u tehnologiji

Žarne niti običnih žarulja izrađene su od ovog metala. Kao i cijevi za rendgenske aparate, komponente vakuumskih peći koje se moraju koristiti na ekstremno visokim temperaturama. Čelik, koji uključuje volfram, ima vrlo visoku razinu čvrstoće. Takve se legure koriste za izradu alata u raznim područjima: za bušenje bunara, u medicini i strojarstvu.

Glavna prednost spajanja čelika i volframa je otpornost na trošenje i mala vjerojatnost oštećenja. Najpoznatija legura volframa u građevinarstvu naziva se "win". Također, ovaj element se naširoko koristi u kemijskoj industriji. Njegovim dodatkom nastaju boje i pigmenti. U ovom području posebno se koristi volframov oksid 6. Koristi se za proizvodnju karbida i volframovih halogenida. Drugi naziv za ovu tvar je volframov trioksid. 6 se koristi kao žuti pigment u bojama za keramiku i staklo.

Što su teške legure?

Sve legure na bazi volframa koje imaju visok indeks gustoće nazivaju se teškima. Dobivaju se samo metodama metalurgije praha. Volfram je uvijek osnova teških legura, gdje njegov sadržaj može biti i do 98%. Osim ovog metala, teškim legurama dodaju se nikal, bakar i željezo. Međutim, oni također mogu uključivati ​​krom, srebro, kobalt, molibden. Najpopularnije legure su VMZh (volfram - nikal - željezo) i VNM (volfram - nikal - bakar). Visoka razina gustoće takvih legura omogućuje im apsorpciju opasnog gama zračenja. Od njih se izrađuju zamašnjaci, električni kontakti, rotori za žiroskope.

Wolfram karbid

Otprilike polovica ukupnog volframa koristi se za izradu izdržljivih metala, posebno volframovog karbida, koji ima talište od 2770 C. Volframov karbid je kemijski spoj koji sadrži jednak broj atoma ugljika i volframa. Ova legura ima posebna kemijska svojstva. Volfram mu daje takvu snagu da u ovom pokazatelju dvostruko nadmašuje čelik.

Volframov karbid ima široku primjenu u industriji. Koristi se za izradu reznih predmeta, koji moraju biti vrlo otporni na visoke temperature i habanje. Također iz ovog elementa izrađeni su:

• Dijelovi zrakoplova, motori automobila.
• Dijelovi za svemirske brodove.
• Medicinski kirurški instrumenti koji se koriste u području abdominalne kirurgije. Takvi instrumenti su skuplji od običnog medicinskog čelika, ali su produktivniji.
• Nakit, posebno vjenčano prstenje. Takva popularnost volframa povezana je s njegovom snagom, koja za one koji se vjenčaju simbolizira snagu veze, ali i izgled. Karakteristike poliranog volframa su takve da zadržava zrcalni, sjajni izgled jako dugo.
• Kemijske olovke za luksuzne kemijske olovke.

Win - legura volframa

Otprilike u drugoj polovici 1920-ih, u mnogim su se zemljama počele proizvoditi legure za rezne alate, koje su dobivene od volframovih karbida i metalnog kobalta. U Njemačkoj se takva legura zvala vidia, u Sjedinjenim Državama - karbola. U Sovjetskom Savezu takva se legura zvala "win". Ove legure su se pokazale izvrsnim za strojnu obradu proizvoda od lijevanog željeza. Pobedite je legura kermeta izuzetno visoke čvrstoće. Izrađuje se u obliku ploča različitih oblika i veličina.

Proces proizvodnje Pobedita svodi se na sljedeće: uzima se prah volfram karbida, fini prah nikla ili kobalta, te se sve miješa i preša u posebnim oblicima. Ovako prešane ploče podvrgavaju se daljnjoj toplinskoj obradi. Time se dobiva vrlo tvrda legura. Ovi se umeci ne koriste samo za rezanje lijevanog željeza, već i za izradu alata za bušenje. Ploče iz Pobedita lemljene su bakrom na opremu za bušenje.

Prevalencija volframa u prirodi

Ovaj metal je vrlo rijedak u okolišu. Nakon svih elemenata nalazi se na 57. mjestu i nalazi se u obliku volframovog klarka. Metal također tvori minerale - šeelit i volframit. Volfram migrira u podzemnu vodu ili kao vlastiti ion ili kao različiti spojevi. Ali njegova najveća koncentracija u podzemnim vodama je zanemariva. To je stoti dio mg/l i praktički ne mijenja njihova kemijska svojstva. Volfram također može dospjeti u prirodna vodena tijela iz otpadnih voda postrojenja i tvornica.

Utjecaj na ljudsko tijelo

Volfram praktički ne ulazi u tijelo s vodom ili hranom. Može postojati opasnost od udisanja čestica volframa s industrijskim zrakom. No, unatoč tome što pripada kategoriji teških metala, volfram nije otrovan. Otrovanje volframom događa se samo kod onih povezanih s proizvodnjom volframa. Istodobno, stupanj utjecaja metala na tijelo je različit. Na primjer, volframov prah, volframov karbid i tvari poput volframovog anhidrita mogu uzrokovati oštećenje pluća. Njegovi glavni simptomi su opća slabost, groznica. Ozbiljniji simptomi javljaju se kod trovanja legurama volframa. To se događa pri udisanju prašine legura i dovodi do bronhitisa, pneumoskleroze.

Metalni volfram, ulazeći u ljudsko tijelo, ne apsorbira se u crijevima i postupno se izlučuje. Spojevi volframa, koji su topljivi, mogu biti velika opasnost. Talože se u slezeni, kostima i koži. Kod dugotrajne izloženosti spojevima volframa mogu se pojaviti simptomi kao što su lomljivi nokti, ljuštenje kože i razne vrste dermatitisa.

Rezerve volframa u raznim zemljama

Najveće zalihe volframa nalaze se u Rusiji, Kanadi i Kini. Prema znanstvenicima, oko 943 tisuće tona ovog metala nalazi se na domaćim teritorijima. Prema tim procjenama, velika većina rezervi nalazi se u južnom Sibiru i na Dalekom istoku. Udio istraženih resursa vrlo je beznačajan - samo oko 7%.

Po broju istraženih nalazišta volframa, Rusija je druga nakon Kine. Većina ih se nalazi u regijama Kabardino-Balkaria i Buryatia. Ali u tim naslagama ne vadi se čisti volfram, već njegove rude, koje također sadrže molibden, zlato, bizmut, telur, skandij i druge tvari. Dvije trećine volumena volframa dobivenog iz istraženih izvora nalazi se u vatrostalnim rudama, gdje je glavni mineral koji sadrži volfram šeelit. Udio lako obogaćenih ruda čini tek trećinu ukupne proizvodnje. Karakteristike volframa iskopanog u Rusiji niže su od onih u inozemstvu. Rude sadrže visok postotak volframovog trioksida. U Rusiji ima vrlo malo naslaga aluvijalnih metala. Volframov pijesak također je niske kvalitete, s velikom količinom oksida.

Volfram u ekonomiji

Globalna proizvodnja volframa počela je rasti oko 2009., kada se azijska industrija počela oporavljati. Kina ostaje najveći proizvođač volframa. Primjerice, 2013. godine proizvodnja ove zemlje činila je 81% svjetske ponude. Oko 12% potražnje za volframom odnosi se na proizvodnju rasvjetnih proizvoda. Prema riječima stručnjaka, upotreba volframa u ovom području smanjit će se u odnosu na upotrebu LED i fluorescentnih svjetiljki u domaćim uvjetima iu proizvodnji.

Vjeruje se da će potražnja za volframom u elektroničkoj industriji rasti. Visoka otpornost na trošenje volframa i njegova sposobnost da izdrži struju čine ga najprikladnijim metalom za proizvodnju regulatora napona. No, količinski gledano, ta je potražnja još uvijek prilično mala, a procjenjuje se da će do 2018. rasti tek 2%. Međutim, prema predviđanjima znanstvenika, u bliskoj budućnosti trebala bi doći do povećanja potražnje za cementnim karbidom. Razlog tome je rast automobilske proizvodnje u SAD-u, Kini, Europi, kao i porast rudarske industrije. Vjeruje se da će do 2018. potražnja za volframom porasti za 3,6%.

DEFINICIJA

Volfram- sedamdeset i četvrti element periodnog sustava. Oznaka - W od latinskog "wolframium". Smješten u šestu periodu, VIB grupa. Odnosi se na metale. Naboj jezgre je 74.

Što se tiče rasprostranjenosti u zemljinoj kori, volfram je inferioran od kroma, ali nadmašuje molibden. Prirodni spojevi volframa u većini slučajeva su volframati - soli volframove kiseline H 2 WO 4. Tako se najvažnija ruda volframa - volframit - sastoji od volframata željeza i mangana. Često se nalazi i mineral šeelit CaWO 4 .

Volfram je teški bijeli metal (slika 1) s gustoćom od 19,3 g / cm 3. Njegovo talište (oko 3400 o C) više je od tališta svih ostalih metala. Volfram se može zavarivati ​​i izvlačiti u tanke niti.

Riža. 1. Volfram. Izgled.

Atomska i molekularna težina volframa

DEFINICIJA

Relativna molekulska težina tvari (M r) je broj koji pokazuje koliko je puta masa dane molekule veća od 1/12 mase ugljikovog atoma, i relativna atomska masa elementa (A r)- koliko je puta prosječna masa atoma kemijskog elementa veća od 1/12 mase atoma ugljika.

Budući da u slobodnom stanju volfram postoji u obliku monatomskih W molekula, vrijednosti njegovih atomskih i molekularnih masa se podudaraju. One su jednake 183,84.

Izotopi volframa

Poznato je da se volfram u prirodi može pojaviti u obliku pet stabilnih izotopa 180 W, 182 W, 183 W, 184 W i 186 W. Njihovi maseni brojevi su 180, 182, 183, 184, odnosno 186. Jezgra izotopa volframa od 180 W sadrži sedamdeset i četiri protona i sto šest neutrona, dok se ostale od nje razlikuju samo po broju neutrona.

Postoje umjetni nestabilni izotopi volframa s masenim brojevima od 158 do 192, kao i jedanaest izomernih stanja jezgri.

Ioni volframa

Na vanjskoj energetskoj razini atoma volframa postoji šest elektrona koji su valentni:

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 .

Kao rezultat kemijske interakcije, volfram odustaje od svojih valentnih elektrona, tj. je njihov donor i pretvara se u pozitivno nabijen 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+.

Molekula i atom volframa

U slobodnom stanju, volfram postoji u obliku monoatomskih molekula W. Evo nekih svojstava koja karakteriziraju atom i molekulu volframa:

Volframove legure

Većina iskopanog volframa koristi se u metalurgiji za pripremu specijalnih čelika i legura. Brzorezni alatni čelik sadrži do 20% volframa i ima sposobnost samootvrdnjavanja. Takav čelik ne gubi tvrdoću čak ni užarenim zagrijavanjem.

Osim brzog rezanja, naširoko se koriste i drugi čelici od volframa i krom-volframa. Na primjer, čelik koji sadrži od 1 do 6% volframa i do 2% kroma koristi se za proizvodnju pila, glodala i matrica.

Kao najvatrostalniji metal, volfram je dio niza legura otpornih na toplinu. Konkretno, njegove legure s kobaltom i kromom - steliti - imaju visoku tvrdoću, otpornost na habanje, otpornost na toplinu. Volfram-bakrene legure kombiniraju visoku električnu vodljivost, toplinsku vodljivost i otpornost na trošenje. Koriste se za izradu radnih dijelova noževa, prekidača, elektroda za točkasto zavarivanje.

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1

Volfram je najvatrostalniji metal. Više talište ima samo nemetalni element - ugljik, ali on u tekućem obliku postoji samo pri visokim tlakovima. U standardnim uvjetima, volfram je kemijski stabilan.

Povijest i porijeklo imena

Naziv Wolframium prenesen je na element iz minerala volframita, poznatog još u 16. stoljeću. pod nazivom "vučja pjena" - lat. spuma lupi ili njemački. Vuk Rahm. Naziv je dobio zbog činjenice da je volfram, prateći rude kositra, ometao taljenje kositra, pretvarajući ga u pjenu troske ("žderao je kositar kao vuk ovcu").

Fizička svojstva

Volfram je sjajni svijetlosivi metal s najvišim dokazanim talištem i vrelištem (pretpostavlja se da je seaborgij još vatrostalniji, ali za sada se to ne može čvrsto tvrditi - životni vijek seaborgija je vrlo kratak). Talište - 3695 (3422 ° C), vrije na 5828 (5555 ° C). Gustoća čistog volframa je 19,25 g/cm³. Ima paramagnetska svojstva (magnetska osjetljivost 0,32⋅10 −9). Tvrdoća po Brinellu 488 kg/mm², električni otpor na 20 °C - 55⋅10 −9 Ohm m, na 2700 °C - 904⋅10 −9 Ohm m. Brzina zvuka u žarenom volframu je 4290 m/s.

Volfram je jedan od najtežih, najtvrđih i najvatrostalnijih metala. U svom čistom obliku, to je srebrno-bijeli metal, sličan platini, na temperaturi od oko 1600 ° C dobro se podvrgava kovanju i može se izvući u tanku nit. Metal je vrlo otporan u vakuumu.

Kemijska svojstva

Reagira s rastaljenim alkalijama u prisutnosti oksidirajućih sredstava:

U početku su te reakcije spore, ali kada dosegne 400 °C (500 °C za reakciju s kisikom), volfram se počinje samozagrijavati, a reakcija se odvija prilično brzo, uz stvaranje velike količine topline.

Otapa se u smjesi dušične i fluorovodične kiseline, pri čemu nastaje heksafluorvolframova kiselina H 2 . Od volframovih spojeva najvažniji su: volframov trioksid ili volframov anhidrid, volframati, peroksidni spojevi opće formule Me 2 WO X, kao i spojevi s halogenima, sumporom i ugljikom. Volframati imaju tendenciju stvaranja polimernih aniona, uključujući heteropoli spojeve s inkluzijama drugih prijelaznih metala.

Primjena

Glavna primjena volframa je kao osnova vatrostalnih materijala u metalurgiji.

Metalni volfram

Spojevi volframa

• Za mehaničku obradu metala i nemetalnih konstrukcijskih materijala u strojogradnji (tokarenje, glodanje, blanjanje, urezovanje), bušenje bušotina, u rudarstvu, široko se koriste tvrde legure i kompozitni materijali na bazi volfram karbida (na primjer, win, koji se sastoje od WC kristala u kobaltnoj matrici; vrste koje se široko koriste u Rusiji - VK2, VK4, VK6, VK8, VK15, VK25, T5K10, T15K6, T30K4), kao i mješavine volfram karbida, titan karbida, tantal karbida (TT klase za posebno teške uvjete obrade, na primjer, klesanje i blanjanje otkovaka od čelika otpornih na toplinu i rotacijsko udarno bušenje čvrstog materijala). Naširoko se koristi kao legirajući element (često u kombinaciji s molibdenom) u čelicima i legurama na bazi željeza. Visokolegirani čelik, klasificiran kao "brzi" s oznakom koja počinje slovom P, gotovo uvijek sadrži volfram.
• Volfram sulfid WS 2 koristi se kao mazivo za visoke temperature (do 500 °C).

• Neki spojevi volframa koriste se kao katalizatori i pigmenti.

• Monokristali volframata (volframati olova, kadmija, kalcija) koriste se kao scintilacijski detektori X-zraka i drugih ionizirajućih zračenja u nuklearnoj fizici i nuklearnoj medicini.

• Volframov ditelurid WTe 2 koristi se za pretvaranje toplinske energije u električnu (termo-EMF oko 57 μV/K).

Ostale aplikacije

Tržište volframa

Cijene metalnog volframa (sadržaj elementa oko 99%) krajem 2010. bile su oko 40-42 USD po kilogramu, u svibnju 2011. bile su oko 53-55 USD po kilogramu. Poluproizvodi od 58 USD (šipke) do 168 (tanke trake). Godine 2014. cijene volframa kretale su se od 55 do 57 USD.

Biološka uloga

Volfram nema značajnu biološku ulogu. Neke arhebakterije i bakterije imaju enzime koji uključuju volfram u svom aktivnom mjestu. Postoje obvezni oblici hipertermofilnih arhebakterija ovisni o volframu koji žive oko dubokomorskih hidrotermalnih izvora. Prisutnost volframa u sastavu enzima može se smatrati fiziološkim reliktom ranog Arheja - postoje sugestije da je volfram igrao ulogu u ranim fazama nastanka života.

Prirodni volfram sastoji se od mješavine pet izotopa (180 W - 0,12 (1)%, 182 W - 26,50 (16)%, 183 W - 14,31 (4)%, 184 W - 30,64 (2) % i 186 W - 28,43 (19) %. Otkrivena je izuzetno slaba radioaktivnost prirodnog volframa (oko dva raspada po gramu elementa godišnje), zbog α-aktivnosti od 180 W, koja ima vrijeme poluraspada od 1,8⋅10 18 godina.

Bilješke

1. 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. Atomske težine elemenata 2011. (tehničko izvješće IUPAC-a) // Pure and Applied Chemistry. - 2013. - Vol. 85, br. 5 . - Str. 1047-1078. - DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02.
2. Volfram: fizikalna svojstva(Engleski) . WebElements. Preuzeto 17. kolovoza 2013.

Jedan od najčešćih kemijskih elemenata je volfram. Označava se simbolom W i ima atomski broj 74. Volfram pripada skupini metala visoke otpornosti na habanje i tališta. U periodnom sustavu Mendelejeva, nalazi se u 6. skupini, ima slična svojstva sa svojim "susjedima" - molibdenom, kromom.

Otkriće i povijest

Već u 16. stoljeću bio je poznat takav mineral kao volframit. Bilo je to zanimljivo jer se prilikom taljenja kositra iz rude njegova pjena pretvarala u trosku i to je, naravno, ometalo proizvodnju. Od tada se volframit naziva "vučja pjena" (od njemačkog Wolf Rahm). Naziv minerala prenesen je na sam metal.

Švedski kemičar Scheele 1781. obradio je metalni šeelit dušičnom kiselinom. Tijekom pokusa dobio je žuti teški kamen - volframov oksid (VI). Dvije godine kasnije, braća Eluard (španjolski kemičari) dobili su čisti volfram iz saksonskog minerala.

Ovaj element i njegove rude vade se u Portugalu, Boliviji, Južnoj Koreji, Rusiji, Uzbekistanu, a najveće rezerve pronađene su u Kanadi, SAD-u, Kazahstanu i Kini. Godišnje se iskopa samo 50 tona ovog elementa, pa je skup. Razmotrimo detaljnije kakav je metalni volfram.

Svojstva elementa

Kao što je ranije spomenuto, volfram je jedan od najvatrostalnijih metala. Ima sjajnu svijetlo sivu boju. Talište mu je 3422 ° C, a vrelište 5555 ° C, gustoća u čistom obliku je 19,25 g / cm 3, a tvrdoća 488 kg / mm². Jedan je od najtežih metala s visokom otpornošću na koroziju. Praktički je netopljiv u sumpornoj, klorovodičnoj i fluorovodičnoj kiselini, ali brzo reagira s vodikovim peroksidom. Kakav je metal volfram ako ne reagira s rastaljenim alkalijama? Reagirajući s natrijevim hidroksidom i kisikom, formira dva spoja - natrijev volframat i običnu vodu H 2 O. Zanimljivo je da se s porastom temperature volfram samozagrijava, tada je proces mnogo aktivniji.

Dobivanje volframa

Na pitanje kojoj skupini metala volfram pripada, može se odgovoriti da se ubraja u kategoriju rijetkih elemenata, poput rubidija i molibdena. A to pak znači da ga karakterizira mali opseg proizvodnje. Osim toga, takav se metal ne dobiva redukcijom iz sirovina, već se prvo prerađuje u kemijske spojeve. Kako se dobivaju rijetki metali?

1. Potrebni element se izolira iz rudnog materijala i koncentrira u otopini ili sedimentu.
2. Sljedeći korak je dobivanje čistog kemijskog spoja pročišćavanjem.
3. Iz dobivene tvari izdvaja se čisti rijedak metal, volfram.

Za obogaćivanje rude koriste se gravitacija, flotacija, magnetska ili elektrostatska separacija. Rezultat je koncentrat koji sadrži 55-65% anhidrida volframa WO 3 . Da bi se dobio prah, reducira se vodikom ili ugljikom. Za neke proizvode time se završava proces dobivanja elementa. Dakle, volframov prah se koristi za pripremu tvrdih legura.

Proizvodnja šipki

Već smo saznali kakav je metalni volfram, a sada ćemo saznati u kojem asortimanu je napravljen. Od praškaste smjese izrađuju se kompaktni ingoti - šipke. Za to se koristi samo prah koji je reduciran vodikom. Izrađuju se prešanjem i sinterovanjem. Ispadaju prilično jaki, ali krhki ingoti. Drugim riječima, teško ih je krivotvoriti. Da bi se poboljšalo ovo tehnološko svojstvo, šipke se podvrgavaju visokotemperaturnoj obradi. Od ovog proizvoda napravljen je drugačiji asortiman.

Volframove šipke

Naravno, ovo je jedna od najčešćih vrsta proizvoda izrađenih od ovog metala. Koja se vrsta volframa koristi za njihovu izradu? To su gore opisane šipke koje su kovane na rotacijskom stroju za kovanje. Važno je napomenuti da se proces odvija u zagrijanom stanju (1450-1500°C). Dobivene šipke koriste se u raznim industrijama. Na primjer, za proizvodnju elektroda za zavarivanje. Osim toga, volframove šipke naširoko se koriste u grijačima. Rade u pećima na temperaturama do 3000 °C u vakuumu, inertnom plinu ili vodiku. Šipke se također mogu koristiti kao katode za elektroničke uređaje i uređaje s izbojem u plinu, radio cijevi.

Zanimljivo je da su same elektrode nepotrošne, pa je za vrijeme zavarivanja potrebna opskrba dodatnim materijalom (žica, šipka). Kada se rastali s materijalom za zavarivanje, stvara se zavareni bazen. Ove se elektrode obično koriste za zavarivanje obojenih metala.

Volfram i žica

Evo još jedne vrste raširenog proizvoda. Volframova žica izrađena je od kovanih šipki o kojima smo ranije govorili. Izvlačenje se provodi uz postupno smanjenje temperature od 1000°C do 400°C. Zatim se proizvod čisti žarenjem, elektrolitičkim poliranjem ili elektrolitičkim jetkanjem. Budući da je volfram vatrostalni metal, žica se koristi u otpornim elementima u pećima za grijanje na temperaturama do 3000°C. Od njega se izrađuju termoelektrični pretvarači, kao i zavojnice žarulja sa žarnom niti, grijači petlje i još mnogo toga.

Spojevi volframa s ugljikom

Volfram karbidi se smatraju vrlo važnim s praktičnog gledišta. Koriste se za proizvodnju tvrdih legura. Spojevi s ugljikom imaju pozitivan koeficijent električnog otpora i dobru vodljivost metala. Volfram karbidi nastaju u dvije vrste: WC i W 2 C. Razlikuju se po ponašanju u kiselinama, kao i po topljivosti u drugim spojevima s ugljikom.

Na temelju volframovih karbida izrađuju se dvije vrste tvrdih legura: sinterirane i lijevane. Potonji se dobivaju iz praškastog spoja i karbida s nedostatkom C (manje od 3%) lijevanjem. Drugi tip je izrađen od volfram monokarbida WC i cementnog vezivnog metala, koji može biti nikal ili kobalt. Sinterirane legure dobivaju se samo metalurgijom praha. Metalni prah za cementiranje i volframov karbid se miješaju, prešaju i sinteriraju. Takve legure imaju visoku čvrstoću, tvrdoću i otpornost na habanje.

U modernoj metalurškoj industriji koriste se za rezanje metala i za izradu alata za bušenje. Jedne od najčešćih legura su VK6 i VK8. Koriste se za izradu glodala, rezača, svrdla i drugih alata za rezanje.

Raspon volframovih karbida prilično je obiman. Dakle, koriste se za izradu:

• pribor za probijanje oklopa;
• dijelovi motora, zrakoplova, svemirskih letjelica i raketa;
• oprema u nuklearnoj industriji;
• kirurški instrumenti.

Na Zapadu se volfram karbidi osobito široko koriste u nakitu, posebno za izradu vjenčanog prstenja. Metal izgleda lijepo, estetski ugodan, lako se obrađuje.

To je zato što su nevjerojatno izdržljivi. Da biste ogrebali takav proizvod, morat ćete uložiti puno truda. Čak i nakon nekoliko godina, prsten će izgledati kao nov. Neće izblijediti, reljefni uzorak neće se oštetiti, a polirani dio neće izgubiti sjaj.

Volfram i renij

Legura ova dva elementa prilično se široko koristi za proizvodnju visokotemperaturnih termoparova. Volfram - koji metal? Kao i renij, on je metal otporan na toplinu, a legirajući elementi smanjuju to svojstvo. Ali što ako uzmemo dvije praktički identične tvari? Tada im se talište neće smanjiti.

Ako se renij koristi kao dodatak, primijetit će se povećanje otpornosti na toplinu i duktilnosti volframa. Ova se legura dobiva taljenjem u metalurgiji praha. Termoparovi izrađeni od ovih materijala otporni su na toplinu i mogu mjeriti temperature iznad 2000°C, ali samo u inertnoj atmosferi. Naravno, takvi proizvodi su skupi, jer se u jednoj godini iskopa samo 40 tona renija i samo 51 tona volframa.