Вольфрам - найтугоплавкіший з металів. Більш високу температуру плавлення має лише неметалевий елемент - вуглець, але він існує в рідкому вигляді тільки при високих тисках. За стандартних умов вольфрам хімічно стійкий.
Історія та походження назви
Назва Wolframium перейшла елемент з мінералу вольфраміт, відомого ще XVI в. під назвою «вовча піна» – лат. spuma lupi чи нім. Wolf Rahm. Назва була пов'язана з тим, що вольфрам, супроводжуючи олов'яні руди, заважав виплавці олова, переводячи його в піну шлаків («пожирав олово як вовк вівцю»).
Фізичні властивості
Вольфрам - блискучий світло-сірий метал, що має найвищі доведені температури плавлення та кипіння (передбачається, що сиборг ще більше тугоплавок, але поки що про це твердо стверджувати не можна - час існування сиборгія дуже мало). Температура плавлення - 3695 (3422 ° C), кипить при 5828 (5555 ° C). Щільність чистого вольфраму становить 19,25 г/см3. Має парамагнітні властивості (магнітна сприйнятливість 0,32⋅10 -9). Твердість по Брінеллю 488 кг/мм², питомий електричний опір при 20 °C - 55⋅10 −9 Ом·м, при 2700 °C - 904⋅10 −9 Ом·м. Швидкість звуку у відпаленому вольфрамі 4290 м/с.
Вольфрам є одним з найбільш важких, твердих і тугоплавких металів. У чистому вигляді є метал сріблясто-білого кольору, схожий на платину, при температурі близько 1600 ° C добре піддається ковці і може бути витягнутий в тонку нитку. Метал має високу стійкість у вакуумі.
Хімічні властивості
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)))Реагує з розплавленими лугами в присутності окислювачів:
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)))Спочатку ці реакції йдуть повільно, проте при досягненні 400 °C (500 °C для реакції за участю кисню) вольфрам починає саморозігріватися, і реакція протікає досить бурхливо, з утворенням великої кількості тепла.
Розчиняється в суміші азотної та плавикової кислоти, утворюючи гексафторвольфрамову кислоту H 2 . Зі сполук вольфраму найбільше значення мають: триоксид вольфраму або вольфрамовий ангідрид, вольфрамати, перекисні сполуки із загальною формулою Me 2 WO X , а також сполуки з галогенами, сіркою та вуглецем. Вольфрамати схильні до утворення полімерних аніонів, у тому числі гетерополісполук із включенням інших перехідних металів.
Застосування
Головне застосування вольфраму – як основа тугоплавких матеріалів у металургії.
Металевий вольфрам
З'єднання вольфраму
- Для механічної обробки металів і неметалічних конструкційних матеріалів в машинобудуванні (точіння, фрезерування, стругання, довбання), буріння свердловин, в гірничодобувній промисловості широко використовуються тверді сплави і композитні матеріали на основі карбіду вольфраму (наприклад, переможе , що складається з кристалів ; широко застосовуються в Росії марки - ВК2, ВК4, ВК6, ВК8, ВК15, ВК25, Т5К10, Т15К6, Т30К4), а також сумішей карбіду вольфраму , карбіду титану , карбіду танталу (марки ТТ для особливо важких умов обробки, наприклад, поковок із жароміцних сталей та перфораторне ударно-поворотне буріння міцного матеріалу). Широко використовується як легуючий елемент (часто спільно з молібденом) у сталях та сплавах на основі заліза. Високолегована сталь, що відноситься до класу "швидкорізальна", з маркуванням, що починається на букву Р, практично завжди містить вольфрам.
- Сульфід вольфраму WS 2 застосовується як високотемпературне (до 500 ° C) мастило .
- Деякі сполуки вольфраму застосовуються як каталізатори та пігменти.
- Монокристали вольфраматів (вольфрамати свинцю, кадмію, кальцію) використовуються як сцинтиляційні детектори рентгенівського випромінювання та інших іонізуючих випромінювань у ядерній фізиці та ядерній медицині.
- Дителлурид вольфраму WTe 2 застосовується для перетворення теплової енергії на електричну (термо-ЕРС близько 57 мкВ/К).
Інші сфери застосування
Ринок вольфраму
Ціни на металевий вольфрам (зміст елемента близько 99%) на кінець 2010 року становили близько 40-42 доларів США за кілограм, у травні 2011 року становили близько 53-55 доларів США за кілограм. Напівфабрикати від 58 USD (прутки) до 168 (тонка смуга). У 2014 році ціни на вольфрам коливалися в діапазоні від 55 до 57 USD.
Біологічна роль
Вольфрам не відіграє значної біологічної ролі. У деяких архебактерій та бактерій є ферменти, що включають вольфрам у своєму активному центрі. Існують облігатно-залежні від вольфраму форми архебактерій-гіпертермофілів, що мешкають навколо глибоководних гідротермальних джерел. Присутність вольфраму у складі ферментів може розглядатися як фізіологічний релікт раннього архея – існують припущення, що вольфрам грав роль ранніх етапах виникнення життя.
Природний вольфрам складається із суміші п'яти ізотопів (180 W - 0,12(1)%, 182 W - 26,50(16) %, 183 W - 14,31(4) %, 184 W - 30,64(2) % та 186 W - 28,43(19) %). Відкрито надзвичайно слабку радіоактивність природного вольфраму (приблизно два розпади на грам елемента на рік), обумовлену α-активністю 180 W, що має період напіврозпаду 1,8⋅10 18 років .
Примітки
- Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bievre, Manfred Groning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O'Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang-Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry . – 2013. – Vol. 85, no. 5 . - P. 1047-1078. - DOI :10.1351/PAC-REP-13-03-02.
- Tungsten: фізичні властивості(англ.). WebElements. Дата звернення 17 серпня 2013 року.
Вольфрам(лат. Wolframium), W, хімічний елемент VI групи періодичної системи Менделєєва, порядковий номер 74, атомна маса 183,85; тугоплавкий важкий метал світло-сірого кольору. Природний Вольфрам складається з суміші п'яти стабільних ізотопів з масовими числами 180, 182, 183, 184 і 186. Вольфрам був відкритий і виділений у вигляді вольфрамового ангідриду WO 3 в 1781 шведським хіміком К. Шееле з мінералу. У 1783 році іспанські хіміки брати д "Елуяр виділили WO 3 з мінералу вольфраміту і, відновивши WO 3 вуглецем, вперше отримали сам метал, названий ними Вольфрамом. Мінерал ж вольфраміт був відомий ще Агриколі (16 століття) і називається у нього " - вовча піна (нім. Wolf - вовк, Rahm - піна) у зв'язку з тим, що Вольфрам, завжди супроводжуючи олов'яні руди, заважав виплавці олова, переводячи його в піну шлаків ("пожирає олово як вовк вівцю"). інших країнах елемент називався також "тунгстен" (по-шведськи - важкий камінь).Вольфрам довго не знаходив промислового застосування.Тільки в другій половині 19 століття почали вивчати вплив добавок Вольфрам на властивості сталі.
Вольфрам мало поширений у природі; його вміст у земній корі 1 · 10 -4 % за масою. У вільному стані не зустрічається, утворює власні мінерали, головним чином вольфрамати, з яких промислове значення мають вольфраміт (Fe, Mn) WO 4 та шееліт CaWO 4 .
Фізичні властивості Вольфраму.Вольфрам кристалізується в об'ємноцентрованих кубічних ґратах з періодом а =3,1647Å; щільність 19,3 г/см 3 t пл 3410°C, t кип 5900°С. Теплопровідність (кал/см·сек·°С) 0,31 (20°С); 0,26 (1300 ° С). Питомий електроопір (ом · см · 10 -6) 5,5 (20 ° С); 90,4 (2700 ° С). Робота виходу електронів 7,21 · 10 -19 дж (4,55 ев), потужність енергії випромінювання при високих температурах (вт/см 2): 18,0 (1000 ° С); 64,0 (2200 ° С); 153,0 (2700 ° С); 255,0 (3030 ° С). Механічні властивості Вольфраму залежить від попередньої обробки. Межа міцності при розтягуванні (кгс/мм 2) для спеченого злитка 11 для обробленого тиском від 100 до 430; модуль пружності (кгс/мм 1) 35000-38000 для дроту та 39000-41000 для монокристалічної нитки; твердість по Брінеллю (кгс/мм 2) для спеченого зливка 200-230, для кованого злитка 350-400 (1 кгс/мм 2 = 10 Мн/м 2). При кімнатній температурі Вольфрам малопластичний.
Хімічні властивості Вольфраму.За звичайних умов Вольфрам хімічно стійкий. При 400-500°С компактний метал помітно окислюється повітря до WO 3 . Пари води інтенсивно окислюють його вище 600°З WO 3 . Галогени, сірка, вуглець, кремній, бір взаємодіють з Вольфрамом при високих температурах (фтор із порошкоподібним Вольфрамом – при кімнатній). З воднем Вольфрам не реагує до температури плавлення; із азотом вище 1500°С утворює нітрид. За звичайних умов Вольфрам стійкий до соляної, сірчаної, азотної та плавикової кислот, а також до царської горілки; при 100°С слабо взаємодіє із нею; швидко розчиняється в суміші плавикової та азотної кислот. У розчинах лугів при нагріванні Вольфрам розчиняється трохи, а в розплавлених лугах при доступі повітря або в присутності окислювачів - швидко; при цьому утворюються вольфрамати. У сполуках Вольфрам виявляє валентність від 2 до 6, найбільш стійкі сполуки вищої валентності.
Вольфрам утворює чотири оксиди: вищий - WO 3 (вольфрамовий ангідрид), нижчий - WO 2 і два проміжні W 10 О 29 і W 4 O 11 . Вольфрамовий ангідрид – кристалічний порошок лимонно-жовтого кольору, що розчиняється у розчинах лугів з утворенням вольфраматів. При його відновленні воднем послідовно утворюються нижчі оксиди та Вольфрам. Вольфрамовому ангідриду відповідає вольфрамова кислота H 2 WO 4 - жовтий порошок, практично не розчинний у воді та кислотах. При її взаємодії з розчинами лугів та аміаку утворюються розчини вольфраматів. При 188°С Н 2 WО 4 відщеплює воду з утворенням WO 3 . З хлором Вольфрам утворює ряд хлоридів та оксихлоридів. Найбільш важливі з них: WCl 6 (t пл 275°С, t кип 348°C) і WO 2 Cl 2 (t пл 266°С, вище 300°С сублімує), виходять при дії хлору на вольфрамовий ангідрид у присутності вугілля. З сіркою Вольфрам утворює два сульфіди WS 2 і WS 3 . Карбіди вольфраму WC (t пл 2900°C) та W 2 C (t пл 2750°С) - тверді тугоплавкі сполуки; виходять при взаємодії Вольфраму з вуглецем за 1000-1500°С.
Отримання Вольфраму.Сировиною для отримання Вольфраму служать вольфрамітові та шеєлітові концентрати (50-60% WO 3). З концентратів безпосередньо виплавляють феровольфрам (сплав заліза з 65-80% Вольфраму), що використовується у виробництві сталі; для отримання Вольфраму, його сплавів та сполук з концентрату виділяють вольфрамовий ангідрид. У промисловості застосовують кілька способів отримання WО 3 . Шеєлітові концентрати розкладають в автоклавах розчином соди при 180-200°С (отримують технічний розчин вольфрамату натрію) або соляною кислотою(отримують технічну вольфрамову кислоту):
1. CaWO 4 тб +Na 2 CO 3 ж = Na 2 WO 4 ж + CaCO 3 тб
2. CaWO 4 тб +2НCl ж = H 2 WO 4 тб +СаCl 2 р-р.
Вольфрамітові концентрати розкладають або спіканням з содою при 800-900°З подальшим вилуговуванням Na 2 WO 4 водою, або обробкою при нагріванні розчином їдкого натру. При розкладанні лужними агентами (содою або їдким натром) утворюється розчин Na 2 WO 4 забруднений домішками. Після їх відокремлення з розчину виділяють H 2 WO 4 . Для отримання більш грубих, легко фільтруються і опадів, що відмиваються, спочатку з розчину Na 2 WO 4 осаджують CaWO 4 , який потім розкладають соляною кислотою.) Висушена H 2 WO 4 містить 0,2 - 0,3% домішок. Прожарюванням H 2 WO 4 при 700-800°З отримують WO 3 а вже з нього - тверді сплави. Для виробництва металевого Вольфраму H 2 WO 4 додатково очищають аміачним способом - розчиненням в аміаку і кристалізацією паравольфрамату амонію 5(NH 4) 2 O·12WO 3 ·nH 2 O. Прожарювання цієї солі дає чистий WO 3 . Порошок Вольфраму отримують відновленням WO 3 воднем (а у виробництві твердих сплавів - також і вуглецем) трубчастих електричних печах при 700-850°С. Компактний метал одержують із порошку металокерамічним методом, тобто пресуванням у сталевих прессформах під тиском 3000-5000 кгс/см 2 та термічною обробкою спресованих заготовок - штабиків. Останню стадіютермічної обробки - нагрівання приблизно до 3000°С проводять у спеціальних апаратах безпосередньо пропущенням електричного струмучерез штабик у атмосфері водню. В результаті одержують Вольфрам, який добре піддається обробці тиском (ковці, волоченню, прокатці і т. д.) при нагріванні. Зі штабиків методом безтигельної електроннопроменевої зонної плавки отримують монокристали Вольфраму.
Застосування Вольфраму.Вольфрам широко застосовується в сучасному техніці у вигляді чистого металу і в ряді сплавів, найбільш важливі з яких - леговані сталі, тверді сплави на основі карбіду Вольфраму, зносостійкі та жароміцні сплави. Вольфрам входить до складу ряду зносостійких сплавів, що використовуються для покриття поверхонь деталей машин (клапани авіадвигунів, лопаті турбін та інші). В авіаційній та ракетній техніці застосовують жароміцні сплави Вольфраму з іншими тугоплавкими металами. Тугоплавкість та низький тиск пари при високих температурах роблять Вольфрам незамінним для ниток розжарення електроламп, а також для виготовлення деталей електровакуумних приладів у радіоелектроніці та рентгенотехніці. У різних галузях техніки використовують деякі хімічні сполуки Вольфраму, наприклад Na 2 WO 4 (в лакофарбовій та текстильній промисловості), WS 2 (каталізатор в органічних синтезі, ефективне тверде мастило для деталей тертя).
При кімнатній температурі вольфрам стійкий до атмосферної корозії, але при нагріванні до 750 К окислюється до WO 3 , реагує з галогенами: з фтором – при кімнатній температурі, а йодом при температурі близько 900 К.
При нагріванні високих температур він реагує з вуглецем, кремнієм та бором, утворюючи відповідно карбіди, силіциди, бориди. Сірка і фосфор у нормальних умов на вольфрам не діють. На повітрі розчиняється у гарячих водних розчинах лугів, але слабо піддається дії кислот, крім плавикової та азотної при нагріванні.
Водень і азот не дають хімічних сполук з вольфрамом,
3000 0, хоча в деяких джерелах є вказівки на можливість утворення гідриду WH 2 .
C киснем вольфрам утворює три стійкі оксиди:
WO 2 – бурового кольору;
WO 3 – жовтого кольору;
W 2 O 5 – синюватого кольору.
Всі ці оксиди утворюються при температурі близько 800 К на повітрі або в кисні, причому всі вони дуже леткі мають невисоку температуру плавлення. Наприклад, WO 3 плавиться при температурі 1645 До.
На практиці, щоб відрізнити вольфрамовий дріт, від молібденового користуються простим прийомом: кінчик дроту підпалюють сірником. Якщо при цьому спостерігається жовтий або бурий димок, значить це вольфрамовий дріт, якщо білий – молібденовий.
Вуглець відновлює оксиди W:
При температурі 825 К;
При температурі 1325;
За температури 1425 До.
З азотом вольфрам утворює нітриди при температурах понад 1600 К, але вище за відмітку 2275 К вони розкладаються.
При взаємодії з вуглецем і температурах вище 1800 До вольфрам утворює карбіди W 2 CіWC. Щільність W 2 C - 16000 кг/м 3 , WC - 9000 кг/м 3 твердість близько 9 одиниць по Мосу. При температурі 2875 К кабрид WC розкладається за реакцією
На рис.73 наведено діаграму стану W-C.
Як видно з діаграми, карбіди вольфраму мають температуру плавлення значно нижче за таку для самого металу. Так, WC плавиться при температурі близько 2875 К, W 2 C – 3065 К. Крім того, карбіди можуть утворювати з вольфрамом евтектичні сплави з температурою плавлення значно нижчою ніж у металу, який плавиться при 3683 К. Тому потрібно звернути увагу ракетників на небезпеку реакції утворення карбідів на кордоні графіт - вольфрам, яка має місце при нагріванні вище 2675 К. Попередження пов'язане з тим, що в конструкції вкладиша критичного перерізу сопла твердопаливного двигуна поєднуються вольфрамова внутрішнє облицювання з графітової обоймою.
Щоб уникнути наведеної реакції між вольфрамовим облицюванням і графітом обойми наноситься так званий бар'єрний шар з карбіду танталу або титану (ТаС, TiC).
У зв'язку з високою щільністю вольфраму та його дефіцитністю конструктори та технологи прагнуть замінити його на більш легкі та менш дефіцитні матеріали, про що буде сказано далі.
Рис. 73. Діаграма стану W-C
Рис. 74. Схема масопереносу в лампі
розжарювання: 1-стінка колби, де утворюється WJ 2; 2-спіраль, де WJ 2 розкладається на W і J
Хоча реакція вольфраму з йодом не має відношення до ракетної техніки, все ж таки на ній хотілося б коротко зупинитися.
При температурі вище 850 До вольфрам з парами йоду утворює іодид, який є легко сублімуючою сілью йодидної кислоти:
При температурі 2475 К йодид розкладається:
Ці дві реакції використовуються для перенесення вольфраму, наприклад, в лампах розжарювання: незважаючи на низьку пружність парів в них вольфрам все ж таки випаровується у вакуумі. Пари його сідають на стінки скляної колби лампи та прозорість її зменшується. Якщо колбу заповнити парами йоду, то останній реагуватиме з вольфрамом на гарячій стінці лампи і утворить WJ 2 , який за рахунок дифузії потрапляє на нагріту вольфрамову спіраль і розкладеться. Вільний йод знову переміститься до стінки, а вольфрам залишиться на спіралі, і так нескінченно. Зрештою підвищується світність і довговічність йодозаповнених ламп.
Ця ж реакція використовується в техніці для одержання чистих тугоплавких металів: вольфраму, танталу, молібдену, гафнію та ін.
Цю реакцію можна використовувати для отримання тонких оболонок з вольфраму. Крім йодидного методу цієї мети можна використовувати карбонільний, тобто. розкладання WCO 2 . У реактивних паливних двигунах вольфрам у чистому вигляді, як правило, не застосовується через низьку термічну стійкість, а застосовується у вигляді так званих псевдосплавів з міддю. Про це сказано нижче.
У ядерній техніці вольфрам може застосовуватися як плакувальний шар ТВЕЛів на основі UC-ZrC підвищення їх міцності, зменшення випаровування та розпухання. Він може входити до складу металокерамічних елементів типу
W - UC або W - UO 2 і т.п. Такі ТВЭли можуть працювати при температурі до 2000 К, оскільки вольфрам, незважаючи на багато недоліків, є жароміцним металом, повільно випаровується і захищає від уламків поділу та випромінювань. У розділі «Вуглецеві матеріали» вольфрам розглядається як армуючий матеріал у вуглеметалопластиках, які застосовуються для виготовлення вузлів та деталей РДТТ, що працюють у жорстких умовах високих температур та високошвидкісних газових потоків.
Фізичні властивостіВольфраму.
Вольфрам.
Вольфрам(Wolframium) W – елемент VI групи, 6-го періоду періодичної системи Д. І. Менделєєва, п. н. 74, атомна маса 183,85. Відкритий 1781 р. К. Шееле. Вольфрам мало поширений у природі. Утворює власні мінерали - вольфраміт та шеєліт; міститься як домішка у мінералах олова, молібдену, титану. Вольфрам – світло-сірий метал, у звичайних умовах хімічно стійкий. За підвищених температур реагує з киснем, вуглецем та іншими елементами. З фтором реагує при 20° C, з іншими галогенами при нагріванні. Кислоти, за винятком плавикової та азотної, на Вольфрам не діють. У сполуках виявляє змінну валентність. Найбільш стійкі сполуки 6-валентного Вольфраму. Застосовують Вольфрам для легування сталей, виготовлення твердих сплавів ниток розжарювання електроламп, нагрівачів в електричних печах, електродів для зварювання, катодів генераторних ламп, випрямлячів високої напруги.
Вольфрам кристалізується в об'ємноцентрованих кубічних ґратах з періодом а =3,1647Å; щільність 19,3 г/см3, tпл 3410°C, tкіп 5900°С. Теплопровідність (кал/см·сек·°С) 0,31 (20°С); 0,26 (1300 ° С). Питомий електроопір (ом · см · 10-6) 5,5 (20 ° С); 90,4 (2700 ° С). Робота виходу електронів 7,21 · 10-19 дж (4,55 ев), потужність енергії випромінювання при високих температурах (вт/см2): 18,0 (1000 ° С); 64,0 (2200 ° С); 153,0 (2700 ° С); 255,0 (3030 ° С). Механічні властивості Вольфраму залежить від попередньої обробки. Межа міцності при розтягуванні (кгс/мм2) для спеченого зливка 11 для обробленого тиском від 100 до 430; модуль пружності (кгс/мм1) 35000-38000 для дроту та 39000-41000 для монокристалічної нитки; твердість за Брінеллем (кгс/мм2) для спеченого зливка 200-230, для кованого зливка 350-400 (1 кгс/мм2 = 10 Мн/м2). При кімнатній температурі Вольфрам малопластичний.
За звичайних умов Вольфрам хімічно стійкий. При 400-500°С компактний метал помітно окислюється повітря до WO3. Пари води інтенсивно окислюють його вище 600°З WO3. Галогени, сірка, вуглець, кремній, бір взаємодіють з Вольфрамом при високих температурах (фтор із порошкоподібним Вольфрамом – при кімнатній). З воднем Вольфрам не реагує до температури плавлення; із азотом вище 1500°С утворює нітрид. За звичайних умов Вольфрам стійкий до соляної, сірчаної, азотної та плавикової кислот, а також до царської горілки; при 100°С слабо взаємодіє із нею; швидко розчиняється в суміші плавикової та азотної кислот. У розчинах лугів при нагріванні Вольфрам розчиняється трохи, а в розплавлених лугах при доступі повітря або в присутності окислювачів - швидко; при цьому утворюються вольфрамати. У сполуках Вольфрам виявляє валентність від 2 до 6, найбільш стійкі сполуки вищої валентності.
Вольфрам утворює чотири оксиди: вищий - WO3 (вольфрамовий ангідрид), нижчий - WO2 і два проміжні W10О29 і W4O11. Вольфрамовий ангідрид – кристалічний порошок лимонно-жовтого кольору, що розчиняється у розчинах лугів з утворенням вольфраматів. При його відновленні воднем послідовно утворюються нижчі оксиди та Вольфрам. Вольфрамового ангідриду відповідає вольфрамова кислота H2WO4 - жовтий порошок, практично не розчинний у воді та в кислотах. При її взаємодії з розчинами лугів та аміаку утворюються розчини вольфраматів. При 188°З Н2WО4 відщеплює воду з утворенням WO3. З хлором Вольфрам утворює ряд хлоридів та оксихлоридів. Найбільш важливі з них: WCl6 (tпл 275°С, tкіп 348°C) і WO2Cl2 (tпл 266°С, вище 300°С сублімує), виходять при дії хлору на вольфрамовий ангідрид у присутності вугілля. З сіркою Вольфрам утворює два сульфіди WS2 і WS3. Карбіди вольфраму WC (tпл2900°C) та W2C (tпл 2750°С) - тверді тугоплавкі сполуки; виходять при взаємодії Вольфраму з вуглецем за 1000-1500°С.
Одним із найпоширеніших хімічних елементівє вольфрам. Він позначається символом W і має атомний номер - 74. Вольфрам відноситься до групи металів, що мають високу стійкість до зношування та температуру плавлення. У періодичній системі Менделєєва він знаходиться в 6-й групі, має схожі властивості з «сусідами» - молібденом, хромом.
Відкриття та історія
Ще XVI столітті був відомий такий мінерал, як вольфраміт. Він був цікавий тим, що при виплавці олова з руди його піна перетворювався на шлак і, звичайно ж, це заважало виробництву. З тих пір вольфраміт стали називати "вовча піна" (з нім. Wolf Rahm). Назва мінералу перейшла і на сам метал.
Шведський хімік Шееле в 1781 обробляв азотною кислотою метал шееліт. У процесі експерименту в нього вийшов важкий жовтий камінь - оксид вольфраму (VI). Через два роки брати Елюар (іспанські хіміки) отримали із саксонського мінералу сам вольфрам у чистому вигляді.
Добувають цей елемент та його руди в Португалії, Болівії, Південній Кореї, Росії, Узбекистані, а найбільші запаси знайшли в Канаді, США, Казахстані та Китаї. У рік видобувається лише 50 тонн цього елементу, тому він дорого коштує. Розглянемо докладніше, що це за метал вольфрам.
Властивості елемента
Як вже було сказано раніше, вольфрам - це один із найтугоплавкіших металів. Він має блискучий світло-сірий колір. Його температура плавлення 3422°С, а кипіння - 5555°C, щільність у чистому вигляді - 19,25 г/см 3 а твердість 488 кг/мм². Це один з найважчих металів, що має високу корозійну стійкість. Він практично не розчинний у сірчаній, соляній та плавиковій кислотах, але швидко вступає в реакцію з перекисом водню. Що за метал вольфрам, якщо він не реагує із розплавленими лугами? Вступаючи в реакцію з гідроксидом натрію та киснем, він утворює дві сполуки - вольфрамат натрію та звичайну воду Н 2 О. Цікаво, що при підвищенні температури вольфрам саморозігрівається, тоді процес відбувається набагато активніше.
Отримання вольфраму
На питання про те, до якої групи металів відноситься вольфрам, можна відповісти, що він входить до категорії рідкісних елементів, як рубідій і молібден. А це, своєю чергою, означає, що для нього характерні невеликі масштаби виробництва. Крім того, такий метал не отримують відновленням із сировини, спочатку він переробляється на хімічні сполуки. Як відбувається отримання рідкісного металу?
- З рудного матеріалу виділяють необхідний елемент та концентрують його в розчині або осаді.
- Наступним кроком отримують чисту хімічну сполуку шляхом очищення.
- З отриманої речовини виділяють чистий рідкісний метал – вольфрам.
Для збагачення руди використовують гравітацію, флотацію, магнітну чи електростатичну сепарацію. В результаті одержують концентрат, який містить 55-65% ангідриду вольфраму WO 3 . Для отримання порошку відновлюють за допомогою водню або вуглецю. Для деяких виробів на цьому процес отримання елемента закінчується. Так, вольфрамовий порошок використовують для виготовлення твердих сплавів.
Виготовлення штабиків
Ми вже з'ясували, що за метал вольфрам, а тепер дізнаємось, у якому сортаменті він виготовляється. З порошкового з'єднання виготовляють компактні зливки – штабики. Для цього використовують лише порошок, який був відновлений воднем. Їх виготовляють шляхом пресування та спікання. Виходять досить міцні, але тендітні зливки. Іншими словами, вони погано піддаються куванню. Для покращення цієї технологічної властивості, штабики піддають високотемпературній обробці. Із цього виробу виготовляють інший сортамент.
Вольфрамові прутки
Звичайно, це один із найпоширеніших видів продукції з цього металу. Що за вольфрам використовується для їхнього виготовлення? Це вищеописані штабики, які піддаються куванню на ротаційній кувальній машині. Важливо, що відбувається у нагрітому стані (1450-1500°С). Отримані прутки застосовують у різних галузях промисловості. Наприклад, виготовлення зварювальних електродів. Крім того, вольфрамові прутки знайшли широке застосуванняу нагрівачах. Вони працюють у печах при температурі до 3000 ° С у вакуумі, інертному газі або водні. Прутки також можуть бути використані як катоди електронних та газорозрядних приладів, радіоламп.
Цікаво, що власними силами електроди є неплавящимися, і тому під час зварювання, потрібна подача присадного матеріалу (дріт, прут). При розплавленні з матеріалом, що зварюється, він створює зварювальну ванну. Дані електроди зазвичай застосовуються для зварювання кольорових металів.
Вольфрам і дріт
Ось ще один вид широко розповсюдженої продукції. Вольфрамова дріт виготовляється з кованих прутків, розглянутих нами раніше. Волочення проводиться з зниженням температури від 1000°С до 400°С. Потім проводять очищення виробу шляхом відпалу, електролітичним поліруванням або електролітичним травленням. Оскільки вольфрам - тугоплавкий метал, дріт використовується в елементах опору нагрівальних печах при температурах до 3000°С. З неї виготовляють термоелектричні перетворювачі, а також спіралі ламп розжарювання, петлеві підігрівачі та багато іншого.
З'єднання вольфраму з вуглецем
Карбіди вольфраму вважаються дуже важливими з практичної точки зору. Вони використовуються виготовлення твердих сплавів. З'єднання з вуглецем мають позитивний коефіцієнт електроопору та хорошу провідність металу. Карбіди вольфраму утворюються двох видів: WC і W 2 C. Вони відрізняються своєю поведінкою в кислотах, а також розчинністю в інших сполуках з вуглецем.
На основі вольфрамових карбідів виготовляють два типи твердих сплавів: спечені та литі. Останні одержують із порошкоподібної сполуки та карбіду з недоліком С (менше 3%) шляхом лиття. Другий тип виготовляють із монокарбіду вольфраму WC та цементуючого металу-зв'язки, яким може виступати нікель або кобальт. Спечені сплави одержують лише методом порошкової металургії. Порошок цементуючого металу та карбід вольфраму змішують, пресують та спікають. Такі сплави мають високу міцність, твердість зносостійкість.
У сучасній металургійній промисловості їх використовують для обробки металів різанням та виготовлення бурового інструменту. Одним з найпоширеніших сплавів є ВК6 та ВК8. Їх застосовують для виготовлення фрез, різців, свердл та іншого ріжучого інструменту.
Область застосування карбідів вольфраму є достатньо об'ємною. Так, їх використовують для виготовлення:
- бронебійних запасів;
- деталей двигунів, літаків, космічних кораблів та ракет;
- обладнання в атомній промисловості;
- хірургічні інструменти.
На Заході особливо широко застосовуються карбіди вольфраму в ювелірних виробах, особливо виготовлення весільних кілець. Метал виглядає красиво, естетично, легко обробляти.
Це тим, що вони неймовірно зносостійкі. Щоб подряпати такий виріб, доведеться докласти чимало зусиль. Навіть за кілька років, кільце буде виглядати як нове. Воно не потьмяніє, не зашкодить рельєфний візерунок, та й полірована частина не втратить свого блиску.
Вольфрам та реній
Сплав цих двох елементів досить широко застосовується виготовлення високотемпературних термопар. Вольфрам – який метал? Як і реній, це жароміцний метал, а легування елементів знижує цю властивість. Але що, якщо взяти дві практично однакові речовини? Тоді температура їх плавлення не знижуватиметься.
Якщо використовувати реній як присадку, спостерігатиметься підвищення жароміцності та пластичності вольфраму. Даний сплав отримують методом плавки порошкової металургії. Термопари, які виготовляються з цих матеріалів, є жароміцними і можуть вимірювати температуру більше 2000°С, але тільки в інертному середовищі. Звичайно ж, подібні вироби коштують дорого, адже в один рік видобувається лише 40 тонн ренію та лише 51 тонна вольфраму.