Volframs ir ugunsizturīgākais no metāliem. Tikai nemetāliskam elementam ir augstāka kušanas temperatūra - ogleklis, bet šķidrā veidā tas pastāv tikai tad, kad augsts spiediens. Standarta apstākļos volframs ir ķīmiski stabils.
Vārda vēsture un izcelsme
Nosaukums Wolframium tika pārnests uz elementu no minerāla volframīta, kas pazīstams jau 16. gadsimtā. ar nosaukumu "vilku putas" - lat. spuma lupi vai vācu. Vilks Rāms. Nosaukums radies tāpēc, ka volframs, kas pavada alvas rūdas, traucēja alvas kausēšanai, pārvēršot to sārņu putās ("tas aprija alvu kā vilks aita").
Fizikālās īpašības
Volframs ir spīdīgs gaiši pelēks metāls ar visaugstāko pierādīto kušanas un viršanas temperatūru (tiek pieņemts, ka seaborgium ir vēl ugunsizturīgāks, bet pagaidām to nevar droši apgalvot - seaborgium kalpošanas laiks ir ļoti īss). Kušanas temperatūra - 3695 (3422 ° C), vārās 5828 (5555 ° C). Tīra volframa blīvums ir 19,25 g/cm³. Tam ir paramagnētiskas īpašības (magnētiskā jutība 0,32⋅10 -9). Brinela cietība 488 kg/mm², elektriskā pretestība pie 20 °C - 55⋅10 -9 omi m, pie 2700 °C - 904⋅10 -9 omi m. Skaņas ātrums atkausētā volframā ir 4290 m/s.
Volframs ir viens no smagākajiem, cietākajiem un ugunsizturīgākajiem metāliem. Tīrā veidā tas ir sudrabbalts metāls, līdzīgs platīnam, aptuveni 1600 ° C temperatūrā tas ir labi piemērots kalšanai un to var ievilkt plānā pavedienā. Metāls ir ļoti izturīgs vakuumā.
Ķīmiskās īpašības
2 W + 4 H N O 3 + 10 H F ⟶ W F 6 + W O F 4 + 4 N O + 7 H 2 O (\displeja stils (\mathsf (2W+4HNO_(3)+10HF\longrightarrow WF_(6)+WOF_(4))) 4NO\augšā +7H_(2)O)))Reaģē ar izkausētiem sārmiem oksidētāju klātbūtnē:
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)) \longright bultiņa 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)))Sākotnēji šīs reakcijas ir lēnas, bet, sasniedzot 400 °C (500 °C reakcijai ar skābekli), volframs sāk pašsasilt, un reakcija norit diezgan ātri, veidojoties lielam siltuma daudzumam.
Tas izšķīst slāpekļskābes un fluorūdeņražskābes maisījumā, veidojot heksafluorvolframskābi H 2 . No volframa savienojumiem svarīgākie ir: volframa trioksīds vai volframa anhidrīds, volframāti, peroksīda savienojumi ar vispārīgo formulu Me 2 WO X, kā arī savienojumi ar halogēniem, sēru un oglekli. Volframāti mēdz veidot polimēru anjonus, tostarp heteropoli savienojumus ar citu pārejas metālu ieslēgumiem.
Pieteikums
Galvenais volframa pielietojums ir ugunsizturīgo materiālu pamats metalurģijā.
Metāla volframs
Volframa savienojumi
- Metālu un nemetālisku konstrukciju materiālu mehāniskai apstrādei mašīnbūvē (virpošana, frēzēšana, ēvelēšana, rievošana), urbumu urbšanā, kalnrūpniecībā plaši izmanto cietos sakausējumus un kompozītmateriālus uz volframa karbīda bāzes (piemēram, win, kas sastāv no WC kristāliem kobalta matricā; Krievijā plaši izmantotās markas - VK2, VK4, VK6, VK8, VK15, VK25, T5K10, T15K6, T30K4), kā arī volframa karbīda, titāna karbīda, tantala karbīda maisījumi (TT markas) īpaši sarežģītiem apstrādes apstākļiem, piemēram, kalumu kalšanai un ēvelēšanai no karstumizturīga tērauda un stipra materiāla rotācijas triecienurbšanai). To plaši izmanto kā leģējošu elementu (bieži kopā ar molibdēnu) tēraudos un sakausējumos uz dzelzs bāzes. Augsti leģētais tērauds, kas klasificēts kā "ātrgaitas" ar marķējumu, kas sākas ar burtu P, gandrīz vienmēr satur volframu.
- Volframa sulfīds WS 2 tiek izmantots kā augstas temperatūras (līdz 500 °C) smērviela.
- Daži volframa savienojumi tiek izmantoti kā katalizatori un pigmenti.
- Volframāta monokristāli (svina, kadmija, kalcija volframāti) tiek izmantoti kā rentgenstaru un cita jonizējošā starojuma scintilācijas detektori kodolfizikā un kodolmedicīnā.
- Volframa ditelurīdu WTe 2 izmanto, lai pārvērstu siltumenerģiju elektroenerģijā (termo-EMF aptuveni 57 μV/K).
Citas lietojumprogrammas
Volframa tirgus
Cenas metāla volframam (elementu saturs aptuveni 99%) 2010.gada beigās bija aptuveni 40-42 ASV dolāri par kilogramu, 2011.gada maijā tās bija aptuveni 53-55 ASV dolāri par kilogramu. Pusfabrikāti no 58 USD (stieņi) līdz 168 (plāna sloksne). 2014. gadā volframa cenas svārstījās no 55 līdz 57 USD.
Bioloģiskā loma
Volframam nav nozīmīgas bioloģiskas nozīmes. Dažām arhebaktērijām un baktērijām ir fermenti, kuru aktīvajā vietā ir iekļauts volframs. Ap dziļūdens hidrotermiskajām atverēm mīt obligātas no volframa atkarīgas hipertermofīlo arhebaktēriju formas. Volframa klātbūtni enzīmu sastāvā var uzskatīt par agrīnā arheja fizioloģisku relikviju – ir pieņēmumi, ka volframam bijusi nozīme dzīvības rašanās sākumposmā.
Dabīgais volframs sastāv no piecu izotopu maisījuma (180 W - 0,12 (1), 182 W - 26,50 (16), 183 W - 14,31 (4), 184 W - 30,64 (2) % un 186 W - 28,43 (19) %. Tika atklāta ārkārtīgi vājā dabiskā volframa radioaktivitāte (apmēram divi sabrukšanas gadījumi uz gramu elementa gadā), pateicoties α-aktivitātei 180 W, kuras pussabrukšanas periods ir 1,8⋅10 18 gadi.
Piezīmes
- Maikls E. Vīzers, Normans Holdens, Tailers B. Koplens, Džons K. Bēhlke, Maikls Berglunds, Villijs A. Brends, Pols De Bjērs, Manfrēds Grēnings, Roberts D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Tomass Prohaska, Ronijs Šēnbergs, Glenda O'Konora, Tomass Valčiks, Šige Joneda, Sjans Kun Džu. Elementu atomu svari 2011 (IUPAC tehniskais ziņojums) // Pure and Applied Chemistry. - 2013. - Sēj. 85, Nr. 5 . - P. 1047-1078. - DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02.
- Volframs: fizikālās īpašības(Angļu) . WebElements. Iegūts 2013. gada 17. augustā.
Volframs(lat. Wolframium), W, Mendeļejeva periodiskās sistēmas VI grupas ķīmiskais elements, sērijas numurs 74, atomu masa 183,85; ugunsizturīgs smagais metāls gaiši pelēkā krāsā. Dabiskais volframs sastāv no piecu stabilu izotopu maisījuma ar masas skaitļiem 180, 182, 183, 184 un 186. Volframu kā volframa anhidrīdu WO 3 1781. gadā atklāja un izdalīja zviedru ķīmiķis K. Šēle no minerāla volframa, ko vēlāk sauca par šelitu. . 1783. gadā spāņu ķīmiķi brāļi d "Eluyar izdalīja WO 3 no minerāla volframīta un, reducējot WO 3 ar oglekli, pirmo reizi ieguva pašu metālu, ko viņi sauca par Volframu. Minerālu volframītu zināja arī Agrikola (16. gadsimts) un viņu sauc par "Spuma lupi" - vilku putām (vācu: Wolf - vilks, Rahm - putas) sakarā ar to, ka volframs, kas vienmēr pavadīja alvas rūdas, traucēja alvas kausēšanai, pārvēršot to par izdedžu putām ( "alva ēd kā vilks aitu"). ASV un dažās citās valstīs elementu sauca arī par "volframu" (zviedru valodā - smagais akmens). Volframs ilgu laiku neatrada rūpniecisku pielietojumu. Tikai g. 19. gadsimta otrajā pusē sāka pētīt volframa piedevu ietekmi uz tērauda īpašībām.
Volframs dabā nav plaši izplatīts; tā saturs zemes garozā ir 1·10 -4 % no svara. Brīvā stāvoklī tas nenotiek, veido savus minerālus, galvenokārt volframātus, no kuriem rūpnieciska nozīme ir volframītam (Fe, Mn)WO 4 un šeelītam CaWO 4.
Volframa fizikālās īpašības. Volframs kristalizējas uz ķermeni centrētā kubiskā režģī ar periodu a = 3,1647Å; blīvums 19,3 g/cm 3, t pl 3410°C, t bp 5900°C. Siltumvadītspēja (cal/cm sec °C) 0,31 (20°C); 0,26 (1300°C). Elektriskā pretestība (om cm 10 -6) 5,5 (20°C); 90,4 (2700°C). Elektronu darba funkcija 7,21·10 -19 j (4,55 eV), starojuma enerģijas jauda augstās temperatūrās (W/cm2): 18,0 (1000°C); 64,0 (2200 °C); 153,0 (2700 °C); 255,0 (3030°C). Volframa mehāniskās īpašības ir atkarīgas no iepriekšējās apstrādes. Stiepes izturība (kgf / mm 2) saķepinātam lietņam 11, ar spiedienu apstrādātam no 100 līdz 430; elastības modulis (kgf / mm 1) 35000-38000 stieplēm un 39000-41000 vienkristāla vītnei; Brinela cietība (kgf / mm 2) saķepinātam lietņam 200-230, kaltam lietnim 350-400 (1 kgf / mm 2 \u003d 10 MN / m 2). Istabas temperatūrā volframam ir zema plastiskums.
Volframa ķīmiskās īpašības. Normālos apstākļos volframs ir ķīmiski stabils. 400-500°C temperatūrā kompaktais metāls gaisā jūtami oksidējas līdz WO 3 . Ūdens tvaiki to intensīvi oksidē virs 600°C līdz WO 3 . Halogēni, sērs, ogleklis, silīcijs, bors mijiedarbojas ar volframu augstās temperatūrās (fluors ar pulverveida volframu - istabas temperatūrā). Volframs nereaģē ar ūdeņradi līdz kušanas temperatūrai; ar slāpekli virs 1500°C veido nitrīdus. Normālos apstākļos Volframs ir izturīgs pret sālsskābi, sērskābi, slāpekļskābi un fluorūdeņražskābi, kā arī pret ūdens regiju; 100 ° С, vāji mijiedarbojas ar tiem; ātri šķīst fluorūdeņražskābes un slāpekļskābes maisījumā. Sārmu šķīdumos, sildot, volframs nedaudz izšķīst, un kausētos sārmos ar piekļuvi gaisam vai oksidētāju klātbūtnē - ātri; šajā gadījumā veidojas volframāti. Savienojumos volframa valence ir no 2 līdz 6; savienojumi ar augstāku valenci ir visstabilākie.
Volframs veido četrus oksīdus: augstākais - WO 3 (volframa anhidrīds), zemākais - WO 2 un divi starpprodukti W 10 O 29 un W 4 O 11. Volframinhidrīds ir citrondzeltens kristālisks pulveris, kas izšķīst sārmu šķīdumos, veidojot volframātus. Kad to reducē ar ūdeņradi, secīgi veidojas zemāki oksīdi un volframs. Volframinhidrīds atbilst volframskābei H 2 WO 4 - dzeltens pulveris, praktiski nešķīst ūdenī un skābēs. Kad tas mijiedarbojas ar sārmu un amonjaka šķīdumiem, veidojas volframātu šķīdumi. 188°C temperatūrā H 2 WO 4 atdala ūdeni, veidojot WO 3 . Ar hloru volframs veido virkni hlorīdu un oksihlorīdu. Svarīgākie no tiem: WCl 6 (t pl 275 ° C, bp 348 ° C) un WO 2 Cl 2 (t pl 266 ° C, sublimāti virs 300 ° C) tiek iegūti, iedarbojoties hloram uz volframa anhidrīdu. ogļu klātbūtnē. Ar sēru Volframs veido divus sulfīdus WS 2 un WS 3 . Volframa karbīdi WC (t pl 2900°C) un W 2 C (t pl 2750°C) - cietie ugunsizturīgie savienojumi; iegūts volframa mijiedarbībā ar oglekli 1000-1500°C temperatūrā.
Volframa iegūšana. Volframa ražošanai kā izejvielas kalpo volframīta un šelīta koncentrāti (50-60% WO 3). Ferrotungstens (dzelzs sakausējums ar 65-80% volframa) tiek tieši kausēts no koncentrātiem, ko izmanto tērauda ražošanā; lai iegūtu volframu, tā sakausējumus un savienojumus, no koncentrāta izdala volframa anhidrīdu. Rūpniecībā WO 3 iegūšanai izmanto vairākas metodes. Šēelīta koncentrātus sadala autoklāvos ar sodas šķīdumu 180-200 ° C temperatūrā (iegūst nātrija volframāta tehnisko šķīdumu) vai sālsskābe(iegūstiet tehnisko volframskābi):
1. CaWO 4 tv + Na 2 CO 3 w = Na 2 WO 4 w + CaCO 3 tv
2. CaWO 4 tv + 2HCl w = H 2 WO 4 tv + CaCl 2 sol.
Volframīta koncentrātus sadala, vai nu saķepinot ar sodu 800-900°C temperatūrā, kam seko Na 2 WO 4 izskalošana ar ūdeni, vai arī apstrādājot ar nātrija hidroksīda šķīdumu karsējot. Sadaloties ar sārmainiem līdzekļiem (soda vai kaustiskā soda), veidojas Na 2 WO 4 šķīdums, kas ir piesārņots ar piemaisījumiem. Pēc to atdalīšanas no šķīduma izdala H 2 WO 4 . Lai iegūtu rupjākas, viegli filtrējamas un mazgājamas nogulsnes, CaWO 4 vispirms tiek izgulsnēts no Na 2 WO 4 šķīduma, kas pēc tam tiek sadalīts ar sālsskābi.) Kaltētais H 2 WO 4 satur 0,2 - 0,3% piemaisījumu. Kalcinējot H 2 WO 4 700-800 ° C temperatūrā, tiek iegūts WO 3, un no tā tiek iegūti cietie sakausējumi. Metāliskā Volframa ražošanai H 2 WO 4 papildus attīra ar amonjaka metodi - izšķīdinot amonjakā un kristalizējot amonija paravolframu 5(NH 4) 2 O 12WO 3 nH 2 O. Apkalcinējot šo sāli, iegūst tīru WO 3 . Volframa pulveri iegūst, reducējot WO 3 ar ūdeņradi (un cieto sakausējumu ražošanā - arī ar oglekli) cauruļveida elektriskās krāsnīs 700-850°C temperatūrā. Kompakto metālu iegūst no pulvera ar metālkeramikas metodi, tas ir, presējot tērauda veidnēs ar spiedienu 3000-5000 kgf / cm 2 un termiski apstrādājot presētas sagataves - stieņus. pēdējais posms termiskā apstrāde - karsēšana līdz aptuveni 3000 ° C tiek veikta speciālos aparātos tieši caurlaidi elektriskā strāva caur stieni ūdeņraža atmosfērā. Rezultātā tiek iegūts volframs, kas karsējot ir piemērots apstrādei ar spiedienu (kalšana, vilkšana, velmēšana utt.). Volframa monokristālus iegūst no stieņiem, kausējot beztīģeļu elektronu staru zonu.
Wolfram pielietojums. Volframs tiek plaši izmantots mūsdienu tehnoloģijās tīra metāla veidā un vairākos sakausējumos, no kuriem svarīgākie ir leģētie tēraudi, cietie sakausējumi uz volframa karbīda bāzes, nodilumizturīgi un karstumizturīgi sakausējumi. Volframs ir daļa no vairākiem nodilumizturīgiem sakausējumiem, ko izmanto mašīnu detaļu (lidmašīnu dzinēju vārstu, turbīnu lāpstiņu un citu) virsmu pārklāšanai. Aviācijas un raķešu tehnoloģijā tiek izmantoti karstumizturīgi volframa sakausējumi ar citiem ugunsizturīgiem metāliem. Ugunsizturība un zemais tvaika spiediens augstās temperatūrās padara volframu neaizstājamu elektrisko spuldžu kvēldiegos, kā arī vakuumierīču detaļu ražošanā radioelektronikā un rentgena inženierijā. Dažādās tehnoloģiju jomās tiek izmantoti daži volframa ķīmiskie savienojumi, piemēram, Na 2 WO 4 (krāsu un laku un tekstilrūpniecībā), WS 2 (organiskās sintēzes katalizators, efektīva cieta smērviela berzes detaļām).
Istabas temperatūrā volframs ir izturīgs pret atmosfēras koroziju, bet, uzkarsējot jau līdz 750 K, tas oksidējas līdz WO 3, reaģē ar halogēniem: ar fluoru istabas temperatūrā un ar jodu aptuveni 900 K temperatūrā.
Karsējot līdz augstām temperatūrām, tas reaģē ar oglekli, silīciju un boru, veidojot attiecīgi karbīdus, silicīdus un borīdus. Sērs un fosfors normālos apstākļos neiedarbojas uz volframu. Gaisā tas izšķīst karstos sārmu ūdens šķīdumos, bet ir vāji pakļauts skābju iedarbībai, izņemot fluorūdeņražskābi un slāpekļskābi karsējot.
Ūdeņradis un slāpeklis nedod ķīmiskus savienojumus ar volframu, līdz
3000 0 C, lai gan daži avoti norāda uz WH 2 hidrīda veidošanās iespējamību.
Ar skābekli volframs veido trīs stabilus oksīdus:
WO 2 - brūns;
WO 3 - dzeltens;
W 2 O 5 - zilgana krāsa.
Visi šie oksīdi veidojas aptuveni 800 K temperatūrā gaisā vai skābeklī, un tie visi ir ļoti gaistoši un tiem ir zema kušanas temperatūra. Piemēram, WO 3 kūst 1645 K temperatūrā.
Praksē, lai atšķirtu volframa stiepli no molibdēna stieples, tiek izmantots vienkāršs triks: stieples galu aizdedzina ar sērkociņu. Ja tajā pašā laikā tiek novēroti dzelteni vai brūni dūmi, tad šī ir volframa stieple, ja balta - molibdēns.
Ogleklis samazina oksīdus W:
825 K temperatūrā;
1325 K temperatūrā;
1425 K temperatūrā.
Ar slāpekli volframs veido nitrīdus temperatūrā virs 1600 K, bet virs 2275 K tie sadalās.
Mijiedarbojoties ar oglekli un temperatūru virs 1800 K, volframs veido W 2 C un WC karbīdus. Blīvums W 2 C - 16000 kg / m 3, WC - 9000 kg / m 3, cietība apmēram 9 Mosa vienības. 2875 K temperatūrā WC karbīds sadalās reakcijas rezultātā
73. attēlā parādīta W–C stāvokļa diagramma.
Kā redzams diagrammā, volframa karbīdu kušanas temperatūra ir krietni zemāka par paša metāla kušanas temperatūru. Tātad, WC kūst aptuveni 2875 K temperatūrā, W 2 C - 3065 K. Turklāt karbīdi var veidot eitektiskos sakausējumus ar volframu, kura kušanas temperatūra ir daudz zemāka nekā metālam, kas kūst pie 3683 K. Tāpēc raķešu zinātnieki Jāpievērš uzmanība karbīdu reakcijas veidošanās bīstamībai grafīta-volframa saskarnē, kas rodas, karsējot virs 2675 K. Brīdinājums ir saistīts ar faktu, ka sprauslas kritiskās daļas starplikas dizains. cietās degvielas dzinējs apvieno volframa iekšējo oderi ar grafīta klipsi.
Lai izvairītos no šīs reakcijas starp volframa oderi un apvalka grafītu, tiek uzklāts tā sauktais "barjeras" slānis no tantala vai titāna karbīda (TaC, TiC).
Sakarā ar volframa lielo blīvumu un tā trūkumu, dizaineri un tehnologi cenšas to aizstāt ar vieglākiem un mazāk ierobežotiem materiāliem, kas tiks apspriesti turpmāk.
Rīsi. 73. Diagramma norāda W-C
Rīsi. 74. Masas pārneses shēma lampā
kvēlspuldze: 1 - kolbas sieniņa, kur veidojas WJ 2; 2 - spirāle, kur WJ 2 sadalās W un J
Lai gan volframa reakcija ar jodu nav saistīta ar raķešu tehnoloģiju, es tomēr gribētu īsi pie tā pakavēties.
Temperatūrā virs 850 K volframs ar joda tvaikiem veido jodīdu, kas ir viegli sublimējams jodīda skābes sāls:
2475 K temperatūrā jodīds sadalās:
Šīs divas reakcijas tiek izmantotas, lai pārnestu volframu, piemēram, kvēlspuldzēs: neskatoties uz zemo tvaika spiedienu tajās, volframs joprojām iztvaiko vakuumā. Tās tvaiki atrodas uz lampas stikla spuldzes sienām, un tā caurspīdīgums samazinās. Ja kolba ir piepildīta ar joda tvaikiem, tad pēdējais reaģēs ar volframu uz lampas karstās sienas un veidos WJ 2, kas difūzijas dēļ nonāk sakarsētajā volframa spirālē un sadalās. Brīvais jods atkal pārvietosies uz sienu, un volframs paliks uz spirāles un tā tālāk bez gala. Gala rezultāts ir palielināts ar jodu pildītu lampu spožums un izturība.
Tāda pati reakcija tiek izmantota tehnoloģijās, lai iegūtu tīrus ugunsizturīgos metālus: volframu, tantalu, molibdēnu, hafniju utt.
Šo reakciju var izmantot arī plānu volframa apvalku iegūšanai. Papildus jodīda metodei šim nolūkam var izmantot karbonilu, t.i. PCO 2 sadalīšanās. Reaktīvās degvielas dzinējos volframs tīrā veidā, kā likums, netiek izmantots tā zemās termiskās stabilitātes dēļ, bet tiek izmantots tā saukto pseido sakausējumu veidā ar varu. Tas tiks apspriests tālāk.
Kodoltehnoloģijā volframu var izmantot kā apšuvuma slāni degvielas stieņiem, kuru pamatā ir UC–ZrC, lai palielinātu to izturību, samazinātu iztvaikošanu un uzbriest. Tā var būt daļa no šāda veida keramikas-metāla elementiem
W - UC vai W - UO 2 utt. Šādi degvielas elementi var darboties temperatūrā līdz 2000 K, jo volframs, neskatoties uz daudziem trūkumiem, ir karstumizturīgs metāls, lēni iztvaiko un aizsargā pret skaldīšanas fragmentiem un starojumu. Sadaļā "Oglekļa materiāli" volframs tiek uzskatīts par pastiprinošu materiālu oglekļa-metāla-plastmasā, ko izmanto cieto degvielu raķešu dzinēju sastāvdaļu un daļu ražošanai, kas darbojas skarbos augstas temperatūras un ātrgaitas gāzes plūsmas apstākļos. .
Fizikālās īpašības Volframs.
Volframs.
Volframs(Wolframium) W - VI grupas elements, D. I. Mendeļejeva periodiskās sistēmas 6. periods, lpp. 74, atommasa 183,85. 1781. gadā atvēra K. Šēle. Volframs dabā nav plaši izplatīts. Veido savus minerālus – volframītu un šelītu; satur kā piemaisījumu alvas, molibdēna, titāna minerālos. Volframs ir gaiši pelēks metāls, normālos apstākļos ķīmiski izturīgs. Paaugstinātā temperatūrā tas reaģē ar skābekli, oglekli un citiem elementiem. Reaģē ar fluoru 20°C temperatūrā, ar citiem halogēniem – karsējot. Skābes, izņemot fluorūdeņražskābi un slāpekļskābi, neietekmē volframu. Savienojumos tam ir mainīga valence. 6-valentā volframa savienojumi ir visstabilākie. Volframs tiek izmantots tēraudu leģēšanai, cieto sakausējumu ražošanai kvēlspuldzēm, elektrisko krāsniņu sildītājiem, metināšanas elektrodiem, ģeneratora lampu katodiem un augstsprieguma taisngriežiem.
Volframs kristalizējas uz ķermeni centrētā kubiskā režģī ar periodu a = 3,1647Å; blīvums 19,3 g/cm3, tp 3410°C, tbp 5900°C. Siltumvadītspēja (cal/cm sec °C) 0,31 (20°C); 0,26 (1300°C). Elektriskā pretestība (om cm 10-6) 5,5 (20°C); 90,4 (2700°C). Elektronu darba funkcija 7,21 10-19 J (4,55 eV), starojuma enerģijas jauda augstā temperatūrā (W/cm2): 18,0 (1000°C); 64,0 (2200 °C); 153,0 (2700 °C); 255,0 (3030°C). Volframa mehāniskās īpašības ir atkarīgas no iepriekšējās apstrādes. Stiepes izturība (kgf/mm2) saķepinātam lietņam 11, ar spiedienu apstrādātam no 100 līdz 430; elastības modulis (kgf/mm1) 35000-38000 stieplēm un 39000-41000 vienkristāla vītnei; Brinela cietība (kgf/mm2) saķepinātam lietņam 200-230, kaltam lietnim 350-400 (1 kgf/mm2 = 10 MN/m2). Istabas temperatūrā volframam ir zema plastiskums.
Normālos apstākļos Volframs ir ķīmiski izturīgs. 400–500°C temperatūrā kompaktais metāls gaisā jūtami oksidējas līdz WO3. Ūdens tvaiki to intensīvi oksidē virs 600°C līdz WO3. Halogēni, sērs, ogleklis, silīcijs, bors mijiedarbojas ar volframu augstās temperatūrās (fluors ar pulverveida volframu - istabas temperatūrā). Volframs nereaģē ar ūdeņradi līdz kušanas temperatūrai; ar slāpekli virs 1500°C veido nitrīdus. Normālos apstākļos Volframs ir izturīgs pret sālsskābi, sērskābi, slāpekļskābi un fluorūdeņražskābi, kā arī pret ūdens regiju; 100 ° С, vāji mijiedarbojas ar tiem; ātri šķīst fluorūdeņražskābes un slāpekļskābes maisījumā. Sārmu šķīdumos, sildot, volframs nedaudz izšķīst, un kausētos sārmos ar piekļuvi gaisam vai oksidētāju klātbūtnē - ātri; šajā gadījumā veidojas volframāti. Savienojumos volframa valence ir no 2 līdz 6; savienojumi ar augstāku valenci ir visstabilākie.
Volframs veido četrus oksīdus: augstāko - WO3 (volframa anhidrīdu), zemāko - WO2 un divus starpposma oksīdus W10O29 un W4O11. Volframinhidrīds ir citrondzeltens kristālisks pulveris, kas izšķīst sārmu šķīdumos, veidojot volframātus. Kad to reducē ar ūdeņradi, secīgi veidojas zemāki oksīdi un volframs. Volframinhidrīds atbilst volframskābei H2WO4 - dzeltens pulveris, praktiski nešķīst ūdenī un skābēs. Kad tas mijiedarbojas ar sārmu un amonjaka šķīdumiem, veidojas volframātu šķīdumi. 188°C temperatūrā H2WO4 atdala ūdeni, veidojot WO3. Ar hloru volframs veido virkni hlorīdu un oksihlorīdu. Nozīmīgākie no tiem: WCl6 (temp. 275°C, vir. 348°C) un WO2Cl2 (temp. 266°C, sublimāti virs 300°C) tiek iegūti, hlora iedarbībā uz volframa anhidrīdu ogļu klātbūtnē. Ar sēru volframs veido divus sulfīdus WS2 un WS3. Volframa karbīdi WC (kušanas temperatūra 2900°C) un W2C (kušanas temperatūra 2750°C) ir cieti ugunsizturīgi savienojumi; iegūts volframa mijiedarbībā ar oglekli 1000-1500°C temperatūrā.
Viens no visizplatītākajiem ķīmiskie elementi ir volframs. To apzīmē ar simbolu W, un tā atomskaitlis ir 74. Volframs pieder pie metālu grupas ar augstu nodilumizturību un kušanas temperatūru. Mendeļejeva periodiskajā sistēmā tas ir 6. grupā, ir līdzīgas īpašības ar saviem "kaimiņiem" - molibdēnu, hromu.
Atklājumi un vēsture
Jau 16. gadsimtā bija zināms tāds minerāls kā volframīts. Tas bija interesanti, jo, kausējot alvu no rūdas, tās putas pārvērtās par izdedžiem un, protams, tas traucēja ražošanai. Kopš tā laika vilkframītu sauc par "vilku putām" (no vācu Wolf Rahm). Minerāla nosaukums tika pārnests uz pašu metālu.
Zviedru ķīmiķis Šēle 1781. gadā apstrādāja metāla šelītu ar slāpekļskābi. Eksperimenta laikā viņš ieguva dzeltenu smagu akmeni – volframa oksīdu (VI). Divus gadus vēlāk brāļi Eluardi (spāņu ķīmiķi) ieguva tīru volframu no Saksijas minerāla.
Šis elements un tā rūdas tiek iegūtas Portugālē, Bolīvijā, Dienvidkorejā, Krievijā, Uzbekistānā, bet lielākās rezerves tika atrastas Kanādā, ASV, Kazahstānā un Ķīnā. Gadā tiek iegūtas tikai 50 tonnas šī elementa, tāpēc tas ir dārgi. Ļaujiet mums sīkāk apsvērt, kāds ir metāla volframs.
Elementa īpašības
Kā minēts iepriekš, volframs ir viens no ugunsizturīgākajiem metāliem. Tam ir izcili gaiši pelēka krāsa. Tā kušanas temperatūra ir 3422 ° C, un tā viršanas temperatūra ir 5555 ° C, tā blīvums tīrā veidā ir 19,25 g / cm 3, un tā cietība ir 488 kg / mm². Tas ir viens no smagākajiem metāliem ar augstu izturību pret koroziju. Tas praktiski nešķīst sērskābē, sālsskābē un fluorūdeņražskābē, bet ātri reaģē ar ūdeņraža peroksīdu. Kāds metāls ir volframs, ja tas nereaģē ar izkausētiem sārmiem? Reaģējot ar nātrija hidroksīdu un skābekli, veidojas divi savienojumi - nātrija volframāts un parasts ūdens H 2 O. Interesanti, ka, temperatūrai paaugstinoties, volframs pašizsilst, tad process norit daudz aktīvāk.
Volframa iegūšana
Uz jautājumu, pie kuras metālu grupas pieder volframs, var atbildēt, ka tas ir iekļauts reto elementu kategorijā, piemēram, rubīdijs un molibdēns. Un tas, savukārt, nozīmē, ka to raksturo neliels ražošanas apjoms. Turklāt šādu metālu neiegūst reducējot no izejvielām, to vispirms pārstrādā ķīmiskos savienojumos. Kā iegūst reto metālu?
- Nepieciešamais elements tiek izolēts no rūdas materiāla un koncentrēts šķīdumā vai nogulsnēs.
- Nākamais solis ir iegūt tīru ķīmisku savienojumu ar attīrīšanu.
- No iegūtās vielas tiek izdalīts tīrs rets metāls, volframs.
Rūdas bagātināšanai izmanto gravitāciju, flotāciju, magnētisko vai elektrostatisko atdalīšanu. Rezultāts ir koncentrāts, kas satur 55-65% volframa anhidrīda WO 3. Lai iegūtu pulveri, to reducē ar ūdeņradi vai oglekli. Dažiem produktiem tas pabeidz elementa iegūšanas procesu. Tātad, volframa pulveris tiek izmantots cieto sakausējumu pagatavošanai.
Stieņu ražošana
Mēs jau esam noskaidrojuši, kāds ir metāla volframs, un tagad mēs uzzināsim, kādā sortimentā tas ir izgatavots. Kompakti lietņi - stieņi ir izgatavoti no pulvera maisījuma. Šim nolūkam tiek izmantots tikai pulveris, kas reducēts ar ūdeņradi. Tos izgatavo presējot un saķepinot. Izrādās diezgan spēcīgi, bet trausli lietņi. Citiem vārdiem sakot, tos ir grūti viltot. Lai uzlabotu šo tehnoloģisko īpašību, stieņi tiek pakļauti augstas temperatūras apstrādei. No šī produkta tiek izgatavots cits diapazons.
Volframa stieņi
Protams, tas ir viens no visizplatītākajiem izstrādājumu veidiem, kas izgatavoti no šī metāla. Kādu volframu izmanto to izgatavošanai? Tie ir iepriekš aprakstītie stieņi, kas tiek kalti uz rotācijas kalšanas mašīnas. Svarīgi ņemt vērā, ka process notiek uzkarsētā stāvoklī (1450-1500°C). Iegūtos stieņus izmanto dažādās nozarēs. Piemēram, metināšanas elektrodu ražošanai. Turklāt volframa stieņi ir atrasti plašs pielietojums sildītājos. Tie darbojas krāsnīs temperatūrā līdz 3000 °C vakuumā, inertā gāzē vai ūdeņradi. Stieņus var izmantot arī kā katodus elektroniskām un gāzizlādes ierīcēm, radiolampām.
Interesanti, ka paši elektrodi nav patērējami, un tāpēc metināšanas laikā ir nepieciešams piegādāt pildvielu (stiepli, stieni). Sakausējot ar metināmo materiālu, veidojas metināšanas baseins. Šos elektrodus parasti izmanto krāsaino metālu metināšanai.
Volframs un stieple
Šeit ir cita veida plaši izplatīts produkts. Volframa stieple ir izgatavota no kaltiem stieņiem, par kuriem mēs runājām iepriekš. Zīmēšana tiek veikta, pakāpeniski samazinot temperatūru no 1000°C līdz 400°C. Pēc tam produkts tiek notīrīts ar atlaidināšanu, elektrolītisko pulēšanu vai elektrolītisko kodināšanu. Tā kā volframs ir ugunsizturīgs metāls, stiepli izmanto pretestības elementos apkures krāsnīs temperatūrā līdz 3000°C. No tā tiek izgatavoti termoelektriskie pārveidotāji, kā arī kvēlspuldžu spoles, cilpas sildītāji un daudz kas cits.
Volframa savienojumi ar oglekli
Volframa karbīdi tiek uzskatīti par ļoti svarīgiem no praktiskā viedokļa. Tos izmanto cieto sakausējumu ražošanai. Savienojumiem ar oglekli ir pozitīvs elektriskās pretestības koeficients un laba metāla vadītspēja. Volframa karbīdi veidojas divu veidu: WC un W 2 C. Tie atšķiras pēc uzvedības skābēs, kā arī pēc šķīdības citos savienojumos ar oglekli.
Pamatojoties uz volframa karbīdiem, tiek izgatavoti divu veidu cietie sakausējumi: saķepināti un lietie. Pēdējos iegūst no pulverveida savienojuma un karbīda ar C trūkumu (mazāk par 3%), liejot. Otrais tips ir izgatavots no volframa monokarbīda WC un cementējoša saistvielas metāla, kas var būt niķelis vai kobalts. Saķepinātos sakausējumus iegūst tikai ar pulvermetalurģiju. Cementējošais metāla pulveris un volframa karbīds tiek sajaukti, presēti un saķepināti. Šādiem sakausējumiem ir augsta izturība, cietība un nodilumizturība.
Mūsdienu metalurģijas nozarē tos izmanto metāla griešanai un urbšanas instrumentu ražošanai. Viens no visizplatītākajiem sakausējumiem ir VK6 un VK8. Tos izmanto griezēju, frēžu, urbju un citu griezējinstrumentu ražošanai.
Volframa karbīdu darbības joma ir diezgan apjomīga. Tātad, tos izmanto, lai izgatavotu:
- Bruņu caurduršanas piederumi;
- dzinēju, lidmašīnu, kosmosa kuģu un raķešu daļas;
- iekārtas kodolrūpniecībā;
- ķirurģiskie instrumenti.
Rietumos volframa karbīdus īpaši plaši izmanto juvelierizstrādājumos, īpaši laulības gredzenu ražošanā. Metāls izskatās skaisti, estētiski patīkami, to ir viegli apstrādāt.
Tas ir tāpēc, ka tie ir neticami izturīgi. Lai saskrāpētu šādu produktu, jums būs jāpieliek daudz pūļu. Pat pēc dažiem gadiem gredzens izskatīsies kā jauns. Tas neizbalēs, reljefa raksts netiks bojāts, un pulētā daļa nezaudēs savu spīdumu.
Volframs un rēnijs
Šo divu elementu sakausējums tiek diezgan plaši izmantots augstas temperatūras termopāru ražošanā. Volframs - kāds metāls? Tāpat kā rēnijs, tas ir karstumizturīgs metāls, un leģējošie elementi samazina šo īpašību. Bet ja mēs ņemam divas praktiski identiskas vielas? Tad to kušanas temperatūra nesamazināsies.
Ja rēniju izmanto kā piedevu, tiks novērota volframa karstumizturības un elastības palielināšanās. Šo sakausējumu iegūst, kausējot pulvermetalurģijā. No šiem materiāliem izgatavotie termopāri ir karstumizturīgi un var izmērīt temperatūru virs 2000°C, bet tikai inertā atmosfērā. Protams, šādi produkti ir dārgi, jo vienā gadā tiek iegūtas tikai 40 tonnas rēnija un tikai 51 tonna volframa.