WOLFRAAM: GESCHIEDENIS, EIGENSCHAPPEN, STRUCTUUR, GEBRUIK - CHEMIE - 2024

Het wolfraam , wolfraam of wolfraam zware metaal is een overgang waarvan het chemische symbool W is. Gelegen in de periode 6, groep 6 van het periodiek systeem, en atoomnummer 74. De naam heeft twee etymologische betekenissen: hardsteen en wolf schuim; De tweede is omdat dit metaal ook bekend staat als wolfraam.

Het is een zilvergrijs metaal en hoewel het broos is, heeft het een grote hardheid, dichtheid en hoge smelt- en kookpunten. Daarom is het gebruikt in al die toepassingen waarbij hoge temperaturen, drukken of mechanische krachten betrokken zijn, zoals boren, projectielen of stralingsemitterende filamenten.

Wolfraamstaaf met gedeeltelijk geoxideerd oppervlak. Bron: hoge resolutie afbeeldingen van chemische elementen

Het bekendste gebruik voor dit metaal, cultureel en in de volksmond, is in de gloeidraden van elektrische lampen. Wie ze ook heeft aangeraakt, zal beseffen hoe kwetsbaar ze zijn; ze zijn echter niet gemaakt van zuiver wolfraam, dat vervormbaar en taai is. Bovendien biedt het in metallische matrices zoals legeringen uitstekende weerstand en hardheid.

Het wordt gekenmerkt en onderscheidt zich doordat het het metaal is met het hoogste smeltpunt, en ook doordat het dichter is dan lood zelf, alleen overtroffen door andere metalen zoals osmium en iridium. Evenzo is het het zwaarste metaal waarvan bekend is dat het een biologische rol in het lichaam vervult.

Het wolframaatanion, WO ₄ ^2- , neemt deel aan de meeste van zijn ionische verbindingen , die kunnen polymeriseren om clusters te vormen in een zuur medium. Aan de andere kant kan wolfraam intermetallische verbindingen vormen of worden gesinterd met metalen of anorganische zouten, zodat de vaste stoffen verschillende vormen of consistenties krijgen.

Het is niet erg overvloedig in de aardkorst, met slechts 1,5 gram van dit metaal per ton. Bovendien, aangezien het een zwaar element is, is zijn oorsprong intergalactisch; met name door supernova-explosies, die tijdens de vorming ervan "stralen" van wolfraamatomen naar onze planeet moeten hebben geworpen.

Geschiedenis

Etymologie

De geschiedenis van wolfraam of wolfraam heeft twee gezichten, net als hun namen: de ene Zwitser en de andere Duits. In de 17e eeuw werkten mijnwerkers in regio's die momenteel worden bezet door Duitsland en Oostenrijk om koper en tin te winnen om bronzen beelden te produceren.

De mijnwerkers zaten toen met een doorn in het proces: er was een buitengewoon moeilijk mineraal om te smelten; mineraal bestaande uit wolframiet, (Fe, Mn, Mg) WO ₄ , dat het tin vasthield of "verslond" alsof het een wolf was.

Vandaar de etymologie voor dit element, 'wolf' voor wolf in het Spaans, een wolf die tin at; en 'ram' van schuim of crème, waarvan de kristallen leken op een lange zwarte vacht. Zo ontstond ter ere van deze eerste waarnemingen de naam 'wolfram' of 'wolfram'.

In 1758 heette aan Zwitserse zijde een soortgelijk mineraal, scheeliet, CaWO ₄ , 'tung sten', wat 'harde steen' betekent.

Beide namen, wolfraam en wolfraam, worden veel door elkaar gebruikt, alleen afhankelijk van de cultuur. In Spanje bijvoorbeeld en in West-Europa staat dit metaal vooral bekend als wolfraam; terwijl op het Amerikaanse continent de naam wolfraam overheerst.

Erkenning en ontdekking

Het was toen bekend dat er tussen de zeventiende en achttiende eeuw twee mineralen waren: wolframiet en scheeliet. Maar wie zag dat er een metaal in hen zat dat anders was dan de anderen? Ze konden alleen als mineralen worden gekarakteriseerd, en het was in 1779 dat de Ierse chemicus Peter Woulfe zorgvuldig wolfraam analyseerde en het bestaan ​​van wolfraam afleidde.

Aan de Zwitserse kant was Carl Wilhelm Scheele in 1781 weer in staat wolfraam te isoleren als WO ₃ ; en zelfs meer, verkregen hij wolfraamoxyde (wolfraamzuuranhydride) zuur, H ₂ WO ₄ en andere verbindingen.

Dit was echter niet genoeg om bij het zuivere metaal te komen, aangezien het nodig was om dit zuur te verminderen; dat wil zeggen, het onderwerpen aan een zodanig proces dat het zich losmaakt van zuurstof en kristalliseert als metaal. Carl Wilhelm Scheele beschikte niet over de geschikte ovens of methodologie voor deze chemische reductiereactie.

Hier kwamen in de stad Bergara de Spaanse broers d'Elhuyar, Fausto en Juan José in actie, die beide mineralen (wolframiet en scheeliet) met steenkool reduceerden. De twee krijgen de verdienste en eer om de ontdekkers van metallisch wolfraam (W) te zijn.

Staalsoorten en bollen

Elke gloeilamp met een wolfraamgloeidraad. Bron: Pxhere.

Net als andere metalen, bepaalt het gebruik zijn geschiedenis. Tot de meest prominente aan het einde van de 19e eeuw behoorden de staal-wolfraamlegeringen en de wolfraamfilamenten om de koolstofvezels in de elektrische gloeilampen te vervangen. Men kan zeggen dat de eerste gloeilampen, zoals we die kennen, in 1903-1904 op de markt kwamen.

Eigendommen

Fysiek uiterlijk

Het is een glanzend zilvergrijs metaal. Breekbaar maar erg moeilijk (niet te verwarren met taaiheid). Als het stuk van hoge zuiverheid is, wordt het vervormbaar en hard, evenveel of meer als verschillende staalsoorten.

Atoomnummer

74.

Molaire massa

183,85 g / mol.

Smeltpunt

3422 ° C.

Kookpunt

5930 ° C.

Dichtheid

19,3 g / ml.

Warmte van fusie

52,31 kJ / mol.

Warmte van verdamping

774 kJ / mol.

Molaire warmtecapaciteit

24,27 kJ / mol.

Moh's hardheid

7.5.

Elektronegativiteit

2,36 op de schaal van Pauling.

Atomaire radio

139 uur

Elektrische weerstand

52,8 nΩ · m bij 20 ° C.

Isotopen

Het komt voornamelijk in de natuur voor als vijf isotopen: ¹⁸² W, ¹⁸³ W, ¹⁸⁴ W, ¹⁸⁶ W en ¹⁸⁰ W. Volgens de molaire massa van 183 g / mol, wat het gemiddelde is van de atoommassa's van deze isotopen (en de andere dertig radio-isotopen), heeft elk wolfraam- of wolfraamatoom ongeveer honderdtien neutronen (74 + 110 = 184).

Chemie

Het is een metaal dat zeer goed bestand is tegen corrosie, aangezien de dunne laag WO _{3 het} beschermt tegen de aantasting van zuurstof, zuur en logen. Eenmaal opgelost en geprecipiteerd met andere reagentia, worden de zouten ervan verkregen, die wolframaten of wolframaten worden genoemd; daarin heeft wolfraam meestal een oxidatietoestand van +6 (aangenomen dat er W ⁶⁺ -kationen zijn ).

Zure clustering

Decawolframaat, een voorbeeld van wolfraam polyoxometalaten. Bron: Scifanz

Chemisch gezien is wolfraam vrij bijzonder omdat zijn ionen de neiging hebben om samen te clusteren om heteropolyzuren of polyoxometalaten te vormen. Wat zijn zij? Het zijn groepen of clusters van atomen die samenkomen om een ​​driedimensionaal lichaam te definiëren; Voornamelijk een met een bolvormige kooiachtige structuur, waarin ze een ander atoom "omsluiten".

Het begint allemaal met het wolframaatanion, WO ₄ ^2- , dat snel protoneert in een zuur medium (HWO ₄ ^- ) en bindt met een naburig anion om ^2- te vormen ; en dit voegt zich op zijn beurt weer bij een andere ^2- om de ^4- te laten ontstaan . Dus door totdat er verschillende politungstats in oplossing zijn.

Parawolframen A en B, respectievelijk ^6- en H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ^10- zijn een van de meest prominente van deze polyanionen.

Het kan een uitdaging zijn om met je Lewis-schets en -structuren te komen; maar in principe is het voldoende om ze te visualiseren als sets van WO ₆ octaëders (bovenste afbeelding).

Merk op dat deze grijsachtige octaëders uiteindelijk de decawolfstaat, een politungstaat; Als er een heteroatoom (bijvoorbeeld fosfor) in zit, zou het een polyoxometalaat zijn.

Structuur en elektronische configuratie

Kristallijne fasen

Wolfraamatomen definiëren een kristal met een lichaamsgecentreerde kubische (bcc) structuur. Deze kristallijne vorm staat bekend als de α-fase; terwijl de β-fase ook kubisch is, maar iets dichter. Beide fasen of kristallijne vormen, α en β, kunnen onder normale omstandigheden in evenwicht naast elkaar bestaan.

De kristallijne korrels van de α-fase zijn isometrisch, terwijl die van de β-fase lijken op kolommen. Ongeacht het kristal wordt het beheerst door de metaalverbindingen die de W-atomen stevig bij elkaar houden.Anders zouden de hoge smelt- en kookpunten of de hoge hardheid en dichtheid van wolfraam niet kunnen worden verklaard.

Metalen binding

Wolfraamatomen moeten op de een of andere manier stevig worden verbonden. Om een ​​vermoeden te doen, moet eerst de elektronenconfiguratie van dit metaal worden waargenomen:

4f ¹⁴ 5d ⁴ 6s ²

De 5d-orbitalen zijn erg groot en wazig, wat zou betekenen dat er tussen twee nabijgelegen W-atomen effectieve orbitale overlappingen zijn. Ook dragen de 6s-orbitalen bij aan de resulterende banden, maar in mindere mate. Terwijl de 4f-orbitalen "diep op de achtergrond" zijn en daarom minder bijdragen aan de metaalbinding.

Dit, de grootte van de atomen en de kristallijne korrels, zijn de variabelen die de hardheid van wolfraam en de dichtheid ervan bepalen.

Oxidatietoestanden

In metallisch wolfraam of wolfraam hebben de W-atomen een oxidatietoestand nul (W ⁰ ). Terugkerend naar de elektronische configuratie, kunnen de 5d- en 6s-orbitalen worden "leeggemaakt" van elektronen, afhankelijk van of W zich in het gezelschap bevindt van sterk elektronegatieve atomen, zoals zuurstof of fluor.

Wanneer de twee 6s-elektronen verloren gaan, heeft wolfraam een ​​+2 oxidatietoestand (W ²⁺ ), waardoor het atoom samentrekt.

Als het ook alle elektronen in zijn 5d-orbitalen verliest, wordt zijn oxidatietoestand +6 (W ⁶⁺ ); Vanaf hier kan het niet positiever worden (in theorie), aangezien de 4f-orbitalen, die intern zijn, grote energieën nodig zouden hebben om hun elektronen te verwijderen. Met andere woorden, de meest positieve oxidatietoestand is +6, waar het wolfraam nog kleiner is.

Dit wolfraam (VI) is zeer stabiel in zure omstandigheden of in veel geoxygeneerde of gehalogeneerde verbindingen. Andere mogelijke en positieve oxidatietoestanden zijn: +1, +2, +3, +4, +5 en +6.

Wolfraam kan ook elektronen winnen als het combineert met atomen die minder elektronegatief zijn dan zichzelf. In dit geval worden de atomen groter. Het kan maximaal vier elektronen winnen; dat wil zeggen, een oxidatietoestand hebben van -4 (W ^4- ).

Het verkrijgen van

Eerder werd vermeld dat wolfraam wordt aangetroffen in de mineralen wolframiet en scheeliet. Afhankelijk van het proces worden er twee verbindingen uit verkregen: wolfraamoxide, WO ₃ of ammoniumparawolframaat, (NH ₄ ) ₁₀ (H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ) · 4H ₂ O (of ATP). Elk van hen kan worden teruggebracht tot metallisch W met koolstof boven 1050 ° C.

Het is economisch niet rendabel om wolfraamstaven te produceren, omdat ze veel warmte (en geld) nodig hebben om ze te smelten. Daarom heeft het de voorkeur om het in poedervorm te produceren om het in één keer met andere metalen te behandelen om legeringen te verkrijgen.

Het is vermeldenswaard dat China het land is met de grootste wolfraamproductie ter wereld. En op het Amerikaanse continent bezetten Canada, Bolivia en Brazilië ook de lijst van de grootste producenten van dit metaal.

Toepassingen

Een ring gemaakt van wolfraamcarbide - een voorbeeld van hoe de hardheid van dit metaal kan worden gebruikt om materialen te vereeuwigen en harden. Bron: SolitaryAngel (SolitaryAngel)

Hier zijn enkele van de bekende toepassingen voor dit metaal:

-De zouten werden gebruikt om katoen uit oude theaterkleding te kleuren.

-Gecombineerd met staal verhardt het nog meer, waardoor het zelfs bestand is tegen mechanische sneden bij hoge snelheden.

-Gesinterde wolfraamgloeidraden worden al meer dan honderd jaar gebruikt in elektrische gloeilampen en halogeenlampen. Vanwege het hoge smeltpunt heeft het ook gediend als materiaal voor kathodestraalbuizen en voor de spuitmonden van raketmotoren.

-Vervangt lood bij de vervaardiging van projectielen en radioactieve schilden.

-Tungsten nanodraden kunnen worden gebruikt in pH- en gasgevoelige nanodraden.

-Wolfraamkatalysatoren werden gebruikt om de zwavelproductie in de olie-industrie aan te pakken.

-Wolfraamcarbide is de meest gebruikte van al zijn verbindingen. Van het versterken van snij- en boorgereedschap, of het vervaardigen van stukken militaire bewapening tot het bewerken van hout, plastic en keramiek.

Risico's en voorzorgsmaatregelen

Biologisch

Omdat het een relatief zeldzaam metaal is in de aardkorst, zijn de negatieve effecten ervan schaars. In zure bodems hebben polywolframen mogelijk geen invloed op de enzymen die molybdaatanionen gebruiken; maar in basale bodems intervenieert WO ₄ ^2- (positief of negatief) in de metabolische processen van MoO ₄ ^2- en koper.

Planten kunnen bijvoorbeeld oplosbare wolfraamverbindingen opnemen, en wanneer een dier ze eet en vervolgens nadat ze zijn vlees hebben gegeten, komen W-atomen ons lichaam binnen. De meeste worden via de urine en uitwerpselen uitgescheiden en er is weinig bekend wat er met de rest gebeurt.

Dierstudies hebben aangetoond dat wanneer ze hoge concentraties wolfraampoeder inademen, ze symptomen ontwikkelen die vergelijkbaar zijn met die van longkanker.

Door inslikken zou een volwassen mens duizenden liters water verrijkt met wolfraamzouten moeten drinken om een ​​merkbare remming van de enzymen cholinesterase en fosfatase te vertonen.

Fysiek

In het algemeen is wolfraam een ​​laag toxisch element en daarom zijn er weinig milieurisico's op schade aan de gezondheid.

Vermijd in verband met metallisch wolfraam het inademen van stof; en als het monster stevig is, moet in gedachten worden gehouden dat het zeer dicht is en dat het fysieke schade kan veroorzaken als het valt of tegen andere oppervlakken stoot.

Referenties

1. Bell Terence. (sf). Wolfraam (Wolfram): eigenschappen, productie, toepassingen en legeringen. De balans. Hersteld van: thebalance.com
2. Wikipedia. (2019). Wolfraam. Hersteld van: en.wikipedia.org
3. Lenntech BV (2019). Wolfraam. Hersteld van: lenntech.com
4. Jeff Desjardins. (1 mei 2017). De geschiedenis van wolfraam, het sterkste natuurlijke metaal op aarde. Hersteld van: visualcapitalist.com
5. Doug Stewart. (2019). Feiten over wolfraamelementen. Hersteld van: chemicool.com
6. Art Fisher en Pam Powell. (sf). Wolfraam. Universiteit van Nevada. Hersteld van: unce.unr.edu
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (02 maart 2019). Feiten over wolfraam of wolfram. Hersteld van: thoughtco.com