Что такое вольфрам и где его используют. Вольфрам: история открытия, основные особенности и область применения

Химия

Элемент № 74 вольфрам причисляют обычно к редким металлам: его содержание в земной коре оценивается в 0,0055%; его нет в морской воде, его не удалось обнаружить в солнечном спектре. Однако по популярности онможет поспорить со многими отнюдь не редкими металлами, а его минералы были известны задолго до открытия самого элемента. Так, еще в XVII в. во многих европейских странах знали «вольфрам» и «тунгстен» - так называли тогда наиболее распространенные минералы вольфрама - вольфрамит и шеелит. А элементарный вольфрам был открыт в последней четверти XVIII в .

Вольфрамовая руда

Очень скоро этот металл получил практическое значение - как легирующая добавка. А после Всемирной выставки 1900 г. в Париже, на которой демонстрировались образцы быстрорежущей вольфрамовой стали, элемент № 74 стали применять металлурги во всех более или менее промышленно развитых странах. Главная особенность вольфрама как легирующей добавки заключается в том, что он придает стали красностойкость - позволяет сохранить твердость и прочность при высокой температуре. Более того, большинство сталей при охлаждении на воздухе (после выдержки при температуре, близкой к температуре красного каления) теряют твердость. А вольфрамовые - нет.
Инструмент, изготовленный из вольфрамовой стали, выдерживает огромные скорости самых интенсивных процессов металлообработки. Скорость резания таким инструментом измеряется десятками метров в секунду.
Современные быстрорежущие стали содержат до 18% вольфрама (или вольфрама с молибденом), 2-7% хрома и небольшое количество кобальта. Они сохраняют твердость при 700-800° С, в то время как обычная сталь начинает размягчаться при нагреве всего до 200° С. Еще большей твердостью обладают «стеллиты» - сплавы
вольфрам а с хромом и кобальтом (без железа) и особенно карбиды вольфрама - его соединения с углеродом. Сплав «видна» (карбид вольфрама, 5-15% кобальта и небольшая примесь карбида титана) в 1,3 раза тверже обычной вольфрамовой стали и сохраняет твердость до 1000- 1100° С. Резцами из этого сплава можно снимать за минуту до 1500-2000 м железной стружки. Ими можно быстро и точно обрабатывать «капризные» материалы: бронзу и фарфор, стекло и эбонит; при этом сам инструмент изнашивается совсем незначительно.
В начале XX в. вольфрамовую нить стали применять в электрических лампочках: она позволяет доводить накал до 2200° С и обладает большой светоотдачей. И в этом качестве вольфрам совершенно незаменим до наших дней. Очевидно, поэтому электрическая лампочка названа в одной популярной песне «глазком вольфрамовым».

Минералы и руды вольфрама

Вольфрам встречается в природе главным образом в виде окисленных сложных соединений, образованных трехокисыо вольфрама WO 3 и окислами железа и марганца или кальция, а иногда свинца, меди, тория и редкоземельных элементов. Наиболее распространенный минерал, вольфрамит, представляет собой твердый раствор вольфраматов (солей вольфрамовой кислоты) железа и марганца (mFeW0 4 *nMnW0 4). Этот раствор - тяжелые и твердые кристаллы коричневого или черного цвета, в зависимости от того, какое соединение преобладает в их составе. Если больше побнерита (соединения марганца), кристаллы черные, если же преобладает железосодержащий ферберит - коричневые. Вольфрамит парамагнитен и хорошо проводит электрический ток.
Из других минералов вольфрама промышленное значение имеет шеелит - вольфрамат кальция CaW04. Он образует блестящие, как стекло, кристаллы светло-желтого, иногда почти белого цвета. Шеелит немагнитен, но он обладает другой характерной особенностью - способностью к люминесценции. Если его осветить ультрафиолетовыми лучами, он флуоресцирует в темноте ярко-синим цветом. Примесь молибдена меняет окраску свечения шеелита: она становится бледно-синей, а иногда даже кремовой. Это свойство шеелита, используемое в геологической разведке, служит поисковым признаком, позволяющим обнаружить залежи минерала.
Месторождения вольфрамовых руд теологически связаны с областями распространения гранитов . Крупнейшие зарубежные месторождения вольфрамита и шеелита находятся в Китае, Бирме, США, Боливии и Португалии. Наша страна тоже располагает значительными запасами минералов вольфрама, главные их месторождения находятся на Урале, Кавказе и в Забайкалье.
Крупные кристаллы вольфрамита или шеелита - большая редкость. Обычно вольфрамовые минералы лишь вкраплены в древние гранитные породы - средняя концентрация вольфрама в итоге оказывается в лучшем случае 1-2%. Поэтому извлечь вольфрам из руд очень трудно.

Как получают вольфрам

Первая стадия - обогащение руды, отделение ценных компонентов от основной массы - пустой породы. Методы обогащения - обычные для тяжелых руд и металлов: измельчение и флотация с последующими операциями - магнитной сепарацией (для вольфрамитиых руд) и окислительным обжигом.
Полученный концентрат чаще всего спекают с избытком соды, чтобы перевести вольфрам в растворимое соединение - вольфрамат натрия. Другой способ получения этого вещества - выщелачивание; вольфрам извлекают содовым раствором под давлением и при повышенной температуре (процесс идет в автоклаве) с последующей нейтрализацией и осаждением в виде искусственного шеелита, т. е. вольфрамата кальция. Стремление получить именно вольфрамат объясняется тем, что из него сравнительно просто, всего в две стадии:
CaW0 4 → H 2 W0 4 или (NH 4) 2 W0 4 → WO 3 , можно выделить очищенную от большей части примесей окись вольфрама.
Есть еще один способ получения окиси вольфрама - через хлориды. Вольфрамовый концентрат при повышенной температуре обрабатывают газообразным хлором. Образовавшиеся хлориды вольфрама довольно легко отделить от хлоридов других металлов методом возгонки, используя разницу температур, при которых эти вещества переходят в парообразное состояние. Полученные хлориды вольфрама можно превратить в окисел, а можно пустить непосредственно на переработку в элементарный металл.

Превращение окислов или хлоридов в металл - следующая стадия производства вольфрама. Лучший восстановитель окиси вольфрама - водород. При восстановлении водородом получается наиболее чистый металлический вольфрам. Процесс восстановления происходит в трубчатых печах, нагретых таким образом, что по мере продвижения по трубе «лодочка» с W0 3 проходит через несколько температурных зон. Навстречу ей идет поток сухого водорода. Восстановление происходит и в «холодных» (450-600° С) и в «горячих» (750-1100° С) зонах; в «холодных» - до низшего окисла W0 2 , дальше - до элементарного металла. В зависимости от температуры и длительности реакции в «горячей» зоне меняются чистота и размеры зерен выделяющегося на стенках «лодочки» порошкообразного вольфрама.
Восстановление может идти не только под действием водорода. На практике часто используется уголь. Применение твердого восстановителя несколько упрощает производство, однако в этом случае требуется более высокая температура - до 1300-1400° С. Кроме того, уголь и примеси, которые он всегда содержит, вступают в реакции с вольфрамом, образуя карбиды и другие соединения. Это приводит к загрязнению металла. Между тем электротехнике нужен весьма чистый вольфрам. Всего 0,1% железа делает вольфрам хрупким и малопригодным для изготовления тончайшей проволоки.
Получение вольфрама из хлоридов основано на процессе пиролиза. Вольфрам образует с хлором несколько соединений. С помощью избытка хлора все их можно перевести в высший хлорид - WCl 6 , который разлагается на вольфрам и хлор при 1600° С. В присутствии водорода этот процесс идет уже при 1000° С.
Так получают металлический вольфрам, но не компактный, а в виде порошка, который затем прессуют в токе водорода при высокой температуре. На первой стадии прессования (при нагреве до 1100-1300° С) образуется пористый ломкий слиток. Прессование продолжается при еще более высокой температуре, едва не достигающей под конец температуры плавления вольфрама. В этих условиях металл постепенно становится сплошным, приобретает волокнистую структуру, а с ней - пластичность и ковкость.

Главные свойства

Вольфрам отличается от всех остальных металлов особой тяжестью, твердостью и тугоплавкостью. Давно известно выражение: «Тяжелый, как свинец». Правильнее было бы говорить: «Тяжелый, как вольфрам». Плотность вольфрама почти вдвое больше, чем свинца, точнее - в 1,7 раза. При этом атомная масса его несколько ниже: 184 против 207.

По тугоплавкости и твердости вольфрам и его сплавы занимают высшие места среди металлов. Технически чистый вольфрам плавится при 3410° С, а кипит лишь при 6690° С. Такая температура - на поверхности Солнца!
А выглядит «король тугоплавкости» довольно заурядно. Цвет вольфрама в значительной мере зависит от способа получения. Сплавленный вольфрам - блестящий серый металл, больше всего напоминающий платину. Вольфрамовый порошок - серый, темно-серый и даже черный (чем мельче зернение, тем темнее).

Химическая активность

Природный вольфрам состоит из пяти стабильных изотопов с массовыми числами от 180 до 186. Кроме того, в атомных реакторах в результате различных ядерных реакций образуются еще 8 радиоактивных изотопов вольфрама с массовыми числами от 176 до 188; все они сравнительно недолговечны: их периоды полураспада - от нескольких часов до нескольких месяцев.
Семьдесят четыре электрона атома вольфрама расположены вокруг ядра таким образом, что шесть из них находятся на внешних орбитах и могут быть отделены сравнительно легко. Поэтому максимальная валентность вольфрама равна шести. Однако строение этих внешних орбит особое - они состоят как бы из двух «ярусов»: четыре электрона принадлежат предпоследнему уровню -d, который оказывается, таким образом, заполненным меньше чем наполовину. (Известно, что число электронов в заполненном уровне d равно десяти.) Эти четыре электрона (очевидно, неспарепные) способны легко образовывать химическую связь. Что же касается двух «самых наружных» электронов, то их оторвать совсем легко.
Именно особенностями строения электронной оболочки объясняется высокая химическая активность вольфрама. В соединениях он бывает не только шестивалентным, но и пяти-, четырех-, трех-, двух- и нульвалентным. (Неизвестны лишь соединения одновалентного вольфрама).
Активность вольфрама проявляется в том, что он вступает в реакции с подавляющим болишинстом элементов, образуя множество простых и сложных соединений. Даже в сплавах вольфрам часто оказывается химически связанным. А с кислородом и другими окислителями он взаимодействует легче, чем большинство тяжелых металлов.
Реакция вольфрама с кислородом идет при нагревании, особенно легко - в присутствии паров воды. Если вольфрам нагревать на воздухе, то при 400-500° С на поверхности металла образуется устойчивый низший окисел W0 2 ; вся поверхность затягивается коричневой пленкой. При более высокой температуре сначала получается промежуточный окисел W 4 O 11 синего цвета, а затем лимонножелтая трехокись вольфрама W0 3 , которая возгоняется при 923° С.

Сухой фтор соединяется с тонкоизмельченным вольфрамом уже при небольшом нагревании. При этом образуется гексафторид WF6 - вещество, которое плавится при 2,5° С и кипит при 19,5° С. Аналогичное соединение - WCl 6 - получается при реакции с хлором, но лишь при 600° С. Сине-стального цвета кристаллы WCl 6 плавятся при 275° С и кипят при 347° С. С бромом и йодом вольфрам образует малоустойчивые соединения: пента- и дибромид, тетра- и дииоднд.
При высокой температуре вольфрам соединяется с серой, селеном и теллуром, с азотом и бором, с углеродом и кремнием. Некоторые из этих соединений отличаются большой твердостью и другими замечательными свойствами.
Очень интересен карбонил W(CO) 6 . Здесь вольфрам соединен с окисью углерода и, следовательно, обладает нулевой валентностью. Карбонил вольфрама неустойчив; его получают в специальных условиях. При 0° он выделяется из соответствующего раствора в виде бесцветных кристаллов, при 50° С возгоняется, а при 100° С полностью разлагается. Но именно это соединение позволяет получить тонкие и плотные покрытия из чистого вольфрама.
Не только сам вольфрам, но и многие его соединения весьма активны. В частности, окись вольфрама WO 3 способна к полимеризации. В результате образуются так называемые изополисоединения и гетерополисоединения: молекулы последних могут содержать более 50 атомов.

Сплавы

Почти со всеми металлами вольфрам образует сплавы, однако получить их не так-то просто. Дело в том, что общепринятые методы сплавления в данном случае, как правило, неприменимы. При температуре плавления вольфрама большинство других металлов уже превращается в газы пли весьма летучие жидкости. Поэтому сплавы, содержащие вольфрам, обычно получают методами порошковой металлургии.
Во избежание окисления все операции проводят в вакууме или в атмосфере аргона. Делается это так. Сначала смесь металлических порошков прессуют, затем спекают и подвергают дуговой плавке в электрических печах. Иногда прессуют и спекают один вольфрамовый порошок, а полученную таким путем пористую заготовку пропитывают жидким расплавом другого металла: получаются так называемые псевдосплавы. Этим методом пользуются, когда нужно получить сплав вольфрама с медью и серебром.

С хромом и молибденом, ниобием и танталом вольфрам дает обычные (гомогенные) сплавы при любых соотношениях. Уже небольшие добавки вольфрама повышают твердость этих металлов и их устойчивость к окислению.
Сплавы с железом, никелем и кобальтом более сложны. Здесь, в зависимости от соотношения компонентов, образуются либо твердые растворы, либо интерметаллические соединения (химические соединения металлов), а в присутствии углерода (который всегда имеется в стали) - смешанные карбиды вольфрама и железа, придающие металлу еще большую твердость.
Очень сложные соединения образуются при сплавлении вольфрама с алюминием, бериллием и титаном: в них на один атом вольфрама приходится от 2 до 12 атомов легкого металла. Эти сплавы отличаются жаропрочностью и устойчивостью к окислению при высокой температуре.
На практике чаще всего применяются сплавы вольфрама не с одним каким-либо металлом, а с несколькими. Таковы, в частности, кислотостойкие сплавы вольфрама с хромом и кобальтом или никелем (амалой); из них делают хирургические инструменты. Лучшие марки магнитной стали содержат вольфрам, железо и кобальт. А в специальных жаропрочных сплавах, кроме вольфрама, имеются хром, никель и алюминий.
Из всех сплавов вольфрама наибольшее значение приобрели вольфрамсодержащие стали. Они устойчивы к истиранию, не дают трещин, сохраняют твердость вплоть до температуры красного каления. Инструмент из них не только позволяет резко интенсифицировать процессы металлообработки (скорость обработки металлических изделий повышается в 10-15 раз), но и служит намного дольше, чем тот же инструмент из другой стали.
Вольфрамовые сплавы не только жаропрочны, но и жаростойки. Они не корродируют при высокой температуре под действием воздуха, влаги и различных химических реагентов. В частности, 10% вольфрама, введенного в никель, достаточно, чтобы повысить коррозионную устойчивость последнего в 12 раз! А карбиды вольфрама с добавкой карбидов тантала и титана, сцементированные кобальтом, устойчивы к действию многих кислот - азотной, серной и соляной - даже при кипячении. Им опасна только смесь плавиковой и азотной кислот.

Мировое производство вольфрама - примерно 30 тыс. т в год. С начала нашего века оно не раз испытывало резкие взлеты и столь же крутые спады. И сейчас является сугубо стратегическим металлом.Из вольфрамовой стали и других сплавов, содержащих или его карбиды, изготовляют танковую броню, оболочки торпед и снарядов, наиболее важные детали самолетов и двигателей. - непременная составная часть лучших марок инструментальной стали. В целом металлургия поглощает почти 95% всего добываемого вольфрама.

Характерно, что она широко использует не только чистый вольфрам, но главным образом более дешевый ферровольфрам - сплав, содержащий 80% W и около 20% Fe; получают его в электродуговых печах).Вольфрамовые обладают многими замечательными качествами. Так называемый тяжелый металл (из вольфрама, никеля и меди) служит для изготовления контейнеров, в которых хранят радиоактивные . Его защитное действие на 40% выше, чем у свинца. Этот сплав применяют и при радиотерапия, так как он создает достаточную защиту при сравнительно небольшой толщине экрана.

Сплав карбида вольфрама с 16% кобальта настолькотверд, что может частично заменить при бурении скважин. Псевдосплавы вольфрама с медью и серебром - превосходный материал для рубильников и выключателей электрического тока высокого напряжения: они служат в шесть раз дольше обычных медных контактов. О применении вольфрама в волосках электроламп говорилось в начале статьи. Незаменимость вольфрама в этой области объясняется не только его тугоплавкостью, но и пластичностью.? Из одного килограмма вольфрама вытягивается проволока длиной 3,5 км, т. е. этого килограмма достаточно для изготовления нитей накаливания 23 тыс. 60-ваттных лампочек.

Именно благодаря этому свойству мировая электротехническая промышленность потребляет всего около 100 т вольфрама в год. I В последние годы важное практическое значение приобрели химические соединения вольфрама. В частности, фосфорно-вольфрамовая гетерополикислота применяется для производства лаков и ярких, устойчивых на свету красок. Раствор вольфрамата натрия Na 2 WО 4 придает тканям огнестойкость и водонепроницаемость, а щелочноземельных металлов, кадмия и редкозе мельных элементов применяются при изготовлении лазеров и светящихся красок.

ПОЧЕМУ «ВОЛЬФРАМ»? Это слово немецкого происхождения. Известно, что раньше оно относилось не к металлу, а к главномуминералу вольфрама - вольфрамиту. Есть предположение, чтоэто слово было чуть ли не бранным. В XVI-XVII вв. «вольфрам»считали минералом олова. (Он действительно часто сопутствует оловянным рудам.) Но из руд, содержащих , олова выплавлялось меньше, кто-то словно «пожирал» его.Так и появилось название, отразившее «волчьи повадки» вольфрама,- по-немецки Wolf - волк, а древне германское Ramm - б а рай.

«ВОЛЬФРАМ» ИЛИ «ТУНГСТЕН»? В известном химическом реферативном журнале США или в справочных изданиях по всем химическим элементам Меллора (Англия) и Паскаля (Франция) тщетно было бы искать металл под названием «вольфрам». Элемент № 74 называется в них иначе - тунгстен. Даже символ W (начальная буква слова Wolfram) получил всеобщее распространение лишь в последние годы: еще недавно в Италии и Франции писали Тu (начальные буквы от слова tungstene). Откуда такая путаница? Ее основы заложены историей открытия элемента № 74.В 1783 г. испанские химики братья Элюар сообщили об открытии нового элемента.

Разлагая саксонский минерал «вольфрам» азотной кислотой, они получили «кислую землю»- желтый осадок окиси какого-то металла, растворимый в аммиаке. В исходный минерал эта окись входила вместе с окислами железа и марганца. Братья Элюар предложили назвать новый элемент вольфрамом, а сам минерал - вольфрамитом.Итак, кто открыл вольфрам? Братья Элюар? И да, и нет. Да - потому, что они первые сообщили об этом открытии в печати. Нет - потому, что за два года до этого - в 1781 г.- знаменитый шведский ученый Карл Вильгельм Шееле обнаружил такую же точно «желтую землю», обрабатывая азотной кислотой другой минерал. Его называли просто «tungsten», т. е. «тяжелый камень» (по-шведски tung - тяжелый, sten - камень). Шееле далее нашел, что эта «земля» отличается от аналогичной молибденовой по цвету и некоторым другим свойствам, а в минерале она связана с окисью кальция. В честь Шееле минерал тунгстен переименовали в «шеелит». Остается добавить, что один из братьев Элюар был учеником Шееле и в 1781 г. работал в его лаборатории… Кто же открыл вольфрам?Обе стороны проявили в этом вопросе должное благородство; Шееле никогда не претендовал на открытие вольфрама, а братья Элюар не настаивали на своем приоритете.

НАЗВАНИЕ «ВОЛЬФРАМОВАЯ БРОНЗА» ОБМАНЧИВО. Нередко приходится слышать о вольфрамовых бронзах. Что это эа ? Внешне они очень красивы. Золотистая вольфрамовая бронза имеет состав Na 2 O x WO 2 x WO 3 , а синяя - Na 2 O x WO 2 x 4WO 3 ; пурпурно-красная и фиолетовая занимают промежуточное положение - соотношение WO 3 к WO2 в них меньше четырех, но больше единицы. Как видно из формул, эти не содержат ни меди, ни цинка, ни олова, т. е., строго говоря, они вовсе не бронзы. Они вообще не , так как здесь нет чисто металлических соединений: и вольфрам, и окислены. Бронзу они, однако, напоминают не только цветом и блеском, но и твердостью, устойчивостью к химическим реагентам и большой электропроводностью.

ПЕРСИКОВЫЙ ЦВЕТ. Приготовить эту краску было очень трудно; она не красная и не розовая, а какого-то промежуточного цвета и с зеленоватым оттенком. По преданию, для того чтобы ее открыть, пришлось провести около 8000 опытов с различными металлами и минералами. В XVII в. в персиковый цвет окрашивали наиболее дорогие фарфоровые изделия для китайского императора на заводе в провинции Шаньсн. Когда секрет изготовления этой краски был открыт, оказалось, что ее основу составляет окись вольфрама.

ПОХОЖЕ НА СКАЗКУ. Это случилось в 1911 г. В провинцию Юньнань приехал из Пекина студент по имени Ли. Целыми днями пропадая в горах, он искал какой-то камень, по его словам -оловянный. Но ничего не находил.У хозяина дома, где поселился студент, была молодая дочь Сяо-ми. Девушка жалела неудачливого искателя особых камней и вечером, подавая ему ужин, рассказывала незамысловатые истории. В одной из них речь шла о необыкновенной печи, построенной из темных камней, срывавшихся со скалы прямо на задний двор их дома. Печь оказалась очень удачной - она исправно служила хозяевам многие годы. Сяо-ми даже подарила студенту один из этих камней - коричневый, обкатанный, тяжелый, как . Оказалось, что это был чистый вольфрамит…Об

ИЗОТОПАХ ВОЛЬФРАМА. Природный вольфрам состоит из пяти стабильных изотопов с массовыми числами 180, 182, 183, 184 самый распрост раненный, его доля 30,64%) и 186. Из довольно многочисленных искусственных радиоактивных изотопов элемента № 74 практически важны только три: вольфрам -181 с периодом полураспада 145 дней, вольфрам-185 (74,5 дня) и вольфрам-187 (23,85 часа). Все три эти изотопа образуются в ядерных реакторах при обстреле нейтронами природной смеси изотопов вольфрама.

Вольфрам (от латинского Wolframium) - химический элемент с относительной атомной массой 183,84. В периодической таблице Менделеева он обозначен символом W, принадлежит к шестой группе и имеет атомный номер 74. В обычных условиях существует в виде твёрдого блестящего серебристо-серого металла, тяжёлого и тугоплавкого.

Химически стоек к большинству кислот и царской водке, растворим в перекиси водорода и смеси плавиковой и азотной кислот. Он практически неразрушим и применяется везде, где надо работать с высокими температурами, выполнять сварку и вытягивать металлические нити.

Происхождение названия

Имя Wolframium произошло от известного с XVI века минерала вольфрамит, что в переводе с немецкого звучало как «волчий крем». При выплавке олова из его руд, содержавших вольфрам, между ними происходила реакция с усиленным пенообразованием, поэтично описанная так: «Олово пожирал, как волк пожирает овцу». В XVIII веке шведский химик Шеелер при обработке минерала тунгстена азотной кислотой обнаружил в продуктах реакции неизвестное серое вещество с серебристым отливом. Исходный минерал позже переименовали в шеелит, а новый элемент стал называться вольфрамом. До сих пор у американцев, англичан и французов существует его старинное шведское обозначение «тяжёлый камень».

Месторождения и способы получения

Этот элемент относится к группе очень редких металлов и в природе встречается в виде сложных кислородных соединений с железом, марганцем, кальцием, свинцом, медью и редкоземельными элементами. Эти минералы входят в состав гранитных пород, а концентрация чистого вещества не превышает 2%. Самые большие месторождения обнаружены в Казахстане, Китае, Канаде и США. Добычей занимаются также Боливия, Португалия, Россия, Узбекистан и Южная Корея.

При получении вольфрама сначала обогащают его руду и отделяют ценные компоненты от пустой породы. Метод обогащения - измельчение и флотация с последующей магнитной сепарацией и окислительным обжигом. Готовый концентрат спекают с содой, при этом получается растворимый вольфрамит натрия, или выщелачивают содовым раствором в автоклавах при высоких температурах под давлением, нейтрализуют и осаждают в виде вольфрамата кальция.

Из них уже выделяют очищенные от большинства примесей окиси вольфрама, которые потом при температурах около 700 °C восстанавливают водородом. Так получается наиболее чистый порошкообразный вольфрам. Для придания порошку сплошной волокнистой структуры его прессуют в токе водорода, постепенно увеличивая температуру почти до границ плавления, чтобы металл стал пластичным и ковким.

Физические и химические свойства

Металл имеет объёмно-центрированную кубическую кристаллическую решётку, обладает парамагнитными свойствами и устойчивостью к вакууму. Температура плавления вольфрама составляет 3422 °C, кипения 5555 °C, его плотность равна 19,25 г/см³, твёрдость 488 кг/мм² по Бринеллю. В чистом виде он напоминает платину, а при температурах около 1600 °C вытягивается в тонкую нить. Проявляет высокую коррозионную стойкость, при нормальных условиях не изменяется в воде и на воздухе, а при нагревании до температуры красного каления (около 500 °C) образует шестивалентный оксид.

Вольфрам не взаимодействует с концентрированной соляной и разбавленной серной кислотой. Его поверхность слегка окисляется царской водкой и азотной кислотой.

Он растворяется в перекиси водорода, в смеси фтористоводородной и азотной кислот, в присутствии окислителей вступает в реакцию со щелочами, выделяя большое количество тепла. Легко соединяется с углеродом, образуя высокопрочный карбид, однако, при низких температурах металл быстро окисляется и становится ломким. Наиболее часто используются:

• триоксиды, называемые вольфрамовыми ангидридами;
• соли, образующие полимерные анионы;
• перекисные соединения;
• соединения с серой, галогенами и углеродом.

Области применения

Для металлургии вольфрам - основа тугоплавких материалов. На Всемирной Парижской выставке в 1900 году публике впервые была показана сталь с его добавками. Высокая температура плавления и пластичность сделали металл незаменимым в изготовлении нитей для ламп накаливания и других вакуумных трубок, покрытия транзисторов, используемых в жидкокристаллических дисплеях, а также электродов для аргонной сварки. Большая плотность вольфрама позволила ему стать основой деталей баллистических ракет, бронебойных пуль и снарядов в артиллерии.

Сплавы вольфрама, произведённые методом порошковой металлургии, отличаются твёрдостью и жаропрочностью, кислотостойкостью и устойчивостью к истиранию. Они обязательные компоненты лучших марок высоколегированных сталей, где буквы в названии обозначают состав:

Уникальные свойства позволяют изготавливать лучшие инструменты для хирургии, танковую броню и оболочки снарядов, пластины для бронежилетов, ответственные части авиационной и авиакосмической промышленности, контейнеры для радиоактивных отходов, ёмкости для выращивания кристаллов сапфиров. Карбид вольфрама - основа композитных материалов с гордым названием «победит», его используют для обработки металлов в машиностроении, горнодобывающей промышленности, для бурения скважин. В вакуумных печах нагревательные элементы термопары изготовлены из вольфрамовых сплавов.

Его соединения получили распространение как катализаторы и пигменты в различных производствах химической и лакокрасочной промышленности. Применение вольфрамовых солей дисульфидов в качестве высокотемпературной смазки связано с образованием аморфной плёнки серы, которая покрывает трущиеся металлические поверхности. Монокристаллы других вольфраматов используют для нужд ядерной физики, они детекторы радиоактивных излучений. Среди традиционных ювелирных украшений уверенно расширяют свою нишу изделия из карбида вольфрама. Их полированная поверхность прекрасно отражает свет и называется «серым зеркалом», которое невозможно поцарапать, изогнуть и сломать.

Биологическая роль

Вольфрам не имеет большого биологического значения. У некоторых бактерий обнаружены ферменты, его содержащие. Поэтому появились гипотезы, что вольфрам участвовал в возникновении жизни на ранних этапах. Ювелирные украшения из него не вызывают аллергических реакций, а металлическая пыль вольфрама при вдыхании раздражает слизистые органов носоглотки и гортани человека.

Еще в 16 веке был известен минерал вольфрамит, который в переводе с немецкого (Wolf Rahm ) означает «волчьи сливки». Такое название минерал получил в связи со своими особенностями. Дело в том, что вольфрам, который сопровождал оловянные руды, во время выплавки олова превращал его просто в пену шлаков, поэтому и говорили: «пожирает олово, как волк овцу». Спустя время, именно от вольфрамита и было унаследовано 74 химическим элементом периодической системы название вольфрам.

Характеристики вольфрама

Вольфрам является переходным металлом светло-серого цвета. Имеет внешнее сходство со сталью. В связи с обладанием достаточно уникальными свойствами, данный элемент является очень ценным и редким материалом, чистый вид которого в природе отсутствует. Вольфрам обладает:

• достаточно высокой плотностью, которая приравнивается к 19,3 г/см 3 ;
• высокой температурой плавления, составляющей 3422 0 С;
• достаточным электросопротивлением - 5,5 мкОм*см;
• нормальным показателем коэффициента параметра линейного расширения, равняющегося 4,32;
• наивысшей среди всех металлов температурой кипения, равняющейся 5555 0 С;
• низкой скоростью испарения, даже не смотря на температуры, превышающие 200 0 С;
• относительно низкой электропроводностью. Однако, это не мешает вольфраму оставаться хорошим проводником.

Таблица 1. Свойства вольфрама

Характеристика	Значение
Свойства атома
Название, символ, номер	Вольфра́м / Wolframium (W), 74
Атомная масса (молярная масса)	183,84(1) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	4f14 5d4 6s2
Радиус атома	141 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	170 пм
Радиус иона	(+6e) 62 (+4e) 70 пм
Электроотрицательность	2,3 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	W ← W3+ 0,11 ВW ← W6+ 0,68 В
Степени окисления	6, 5, 4, 3, 2, 0
Энергия ионизации (первый электрон)	769,7 (7,98) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	19,25 г/см³
Температура плавления	3695 K (3422 °C, 6192 °F)
Температура кипения	5828 K (5555 °C, 10031 °F)
Уд. теплота плавления	285,3 кДж/кг 52,31 кДж/моль
Уд. теплота испарения	4482 кДж/кг 824 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	24,27 Дж/(K·моль)
Молярный объём	9,53 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая объёмноцентрированная
Параметры решётки	3,160 Å
Температура Дебая	310 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 162,8 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-33-7

Все это делает вольфрам очень прочным металлом, который не поддается механическим повреждениям. Но наличие таких уникальных свойств не исключает присутствие недостатков, которые также есть у вольфрама. К ним относятся:

• высокая ломкость при воздействии на него очень низких температур;
• высокая плотность, что затрудняет процесс его обработки;
• низкая сопротивляемость кислотам при низких температурах.

Получение вольфрама

Вольфрам, наряду с молибденом, рубидием и рядом других веществ, входит в группу редких металлов, которые характеризуются очень малым распространением в природе. В связи с этим, его нельзя добыть традиционным способом, как многие полезные ископаемые. Таким образом, промышленное получение вольфрама состоит из следующих этапов:

• добычи руды, в составе которой содержится определенная доля вольфрама;
• организации надлежащих условий, в которых можно выделить металл от перерабатываемой массы;
• концентрации вещества в виде раствора или осадка;
• очистки получившегося в результате предыдущего этапа химического соединения;
• выделении чистого вольфрама.

Таким образом, чистое вещество из добытой руды, содержащей вольфрам, можно выделить несколькими способами.

1. В результате обогащения вольфрамовой руды гравитацией, флотацией, магнитной или электрической сепарацией. В процессе этого образуется вольфрамовый концентрат, на 55-65% состоящий из ангидрида (трехокиси) вольфрама WO 3 . В концентратах данного металла ведется контроль за содержанием примесей, в качестве которых могут выступать фосфор, сера, мышьяк, олово, медь, сурьма и висмут.
2. Как известно, трехокись вольфрама WO 3 является основным материалом для выделения металлического вольфрама или карбида вольфрама. Получение WO 3-- происходит в результате разложения концентратов, выщелачивания сплава или спека и др. В таком случае, на выходе образуется материал на 99,9% состоящий из WO 3 .
3. Из ангидрида вольфрама WO 3 . Именно путем восстановления данного вещества водородом или углеродом получают вольфрамовый порошок. Применения второго компонента для восстановительной реакции применяют реже. Это связано с насыщением в процессе реакции WO 3 карбидами, в результате чего металл теряет свою прочность и его становится тяжелее обработать. Вольфрамовый порошок получают особыми способами, благодаря которым становится возможным проводить контроль его химического состава, размеров и формы зерен, а также гранулометрического состава. Так, фракцию частиц порошка можно увеличить путем быстрого нарастания температуры или низкой скоростью подачи водорода.
4. Производство компактного вольфрама, который имеет вид штабиков или слитков и представляет собой заготовку для дальнейшего изготовления полуфабрикатов - проволоки, прутков, ленты и др.

Последний способ, в свою очередь, включает в себя два возможных варианта. Один из них связан с методами порошковой металлургии, а другой - с плавкой в электрических дуговых печах с расходуемым электродом.

Метод порошковой металлургии

В силу того, что благодаря данному способу можно равномернее распределить присадки, наделяющие вольфрам особыми его свойствами, он более популярен.

Он включает несколько этапов:

1. Металлический порошок прессуется в штабики;
2. Заготовки подвергаются спеканию при низких температурах (так называемое, предварительное спекание);
3. Сваривание заготовок;
4. Получение полуфабрикатов путем обработки заготовок. Реализация данного этапа осуществляется ковкой или механической обработкой (шлифовка, полировка). Стоит отметить, что механическая обработка вольфрама становится возможной только под воздействием высоких температур, в противном случае, его обработать невозможно.

При этом, порошок должен быть хорошо очищен с максимально допустимым процентным содержанием примесей до 0,05%.

Данный метод позволяет получить вольфрамовые штабики, имеющие квадратное сечение от 8х8 до 40х40 мм и длину в 280-650 мм. Стоит отметить, что в условиях комнатных температур они достаточно прочны, однако имеют повышенную хрупкость.

Плавка

Данный способ применяется, если необходимо получить вольфрамовые заготовки достаточно крупных габаритов - от 200 кг до 3000 кг. Такие заготовки, как правило, необходимы для проката, вытяжки труб, изготовления изделий путем литья. Для плавки необходимо создание специальных условий - вакуум или разреженная атмосфера водорода. На выходе образуются слитки вольфрама, обладающие крупнокристаллической структурой, а также высокой хрупкостью в связи с наличием большого количества примесей. Содержание примесей можно снизить за счет предварительной плавки вольфрама в электронно-лучевой печи. Однако, структура при этом остается неизменной. В связи с чем, для уменьшения размера зерна происходит дальнейшая плавка слитков, но уже в электрической дуговой печи. При этом, в процессе плавки к слиткам добавляются легирующие вещества, наделяющие вольфрам особыми свойствами.

Чтобы получить вольфрамовые слитки, имеющие мелкозернистую структуру, используют дуговую гарниссажную плавку с разливкой металла в изложницу.

Способ получения металла определяет наличие в нем присадок и примесей. Таким образом, сегодня производится несколько марок вольфрама.

Марки вольфрама

1. ВЧ - чистый вольфрам, в котором отсутствуют какие-либо присадки;
2. ВА - металл, имеющий в своем составе алюминиевую и кремнещелоную присадку, которые наделяют его дополнительными свойствами;
3. ВМ - металл, имеющий в своем составе ториевую и кремнещелочную присадку;
4. ВТ - вольфрам, в составе которого содержится оксид тория в качестве присадки, что существенно повышает эмиссионные свойства металла;
5. ВИ - металл, содержащий оксид иттрия;
6. ВЛ - вольфрам с окисью лантана, что также повышает эмиссионные свойства;
7. ВР - сплав рения и вольфрама;
8. ВРН - какие-либо присадки в металле отсутствуют, однако могут присутствовать примеси в больших объемах;
9. МВ - сплав вольфрама с молибденом, что существенно повышает прочность после отжига, сохраняя при этом пластичность.

Где применяется вольфрам?

Благодаря своим уникальным свойствам, 74 химический элемент стал незаменимым во многих промышленных отраслях.

1. Основное применение вольфрама - в качестве основы для производства тугоплавких материалов в металлургии.
2. С обязательным участием вольфрама производятся нити накаливания, являющиеся главным элементом приборов освещения, кинескопов, а также иных вакуумных труб.
3. Также данный металл лежит в основе производства тяжелых сплавов, используемых в качестве противовесов, бронебойных сердечников подкалиберных и стреловидных оперенных снарядов артиллерийских орудий.
4. Вольфрам является электродами при аргонно-дуговой сварке;
5. Его сплавы отличаются высокой устойчивостью к воздействиям различных температур, кислой среде, а также твердостью и устойчивостью к истиранию, в связи с чем применяются при производстве хирургических инструментов, брони танков, торпедных и снарядных оболочек, деталей самолетов и двигателей, а также контейнеров для хранения ядерных отходов;
6. Вакуумные печи сопротивления, температура в которых достигает предельно высоких величин, оборудованы нагревательными элементами, произведенными также из вольфрама;
7. Использование вольфрама популярно для обеспечения защиты от ионизирующего излучения.
8. Соединения вольфрама используются в качестве легирующих элементов, высокотемпературных смазок, катализаторов, пигментов, а также для преобразования тепловой энергии в электрическую (дителлурид вольфрама).

Вольфрам - металл с уникальными свойствами. Он имеет самую высокую температуру кипения (5555 °C - такая же температура в фотосфере Солнца) и плавления (3422 °C) среди металлов, при этом - самый низкий коэффициент теплового расширения.


Кроме того, он - один самых твёрдых, тяжёлых, стабильных и плотных металлов: плотность вольфрама сравнима с плотностью и урана и в 1, 7 раза выше, чем у свинца.

Его электропроводность почти в 3 раза ниже, чем у меди, однако достаточно высока. В очищенном виде вольфрам - серебристо-белый, напоминает по внешнему виду сталь или платину, при значительном нагреве - до 1600 °C - отлично куётся.

История открытия и применения

Своё название металл получил от вольфрамита - минерала, название которого с латинского переводится как «волчья пена», а с немецкого - как «волчьи сливки». Такое странное наименование связано с поведением минерала: он мешал выплавлять олово, когда сопровождал добытую оловянную руду, превращая ценный в средние века материал в пену шлаков. Про него тогда говорили: «ест олово, словно овцу волк».

Открытие чистого вольфрама произошло в двух местах одновременно. В 1781 году химик Шееле (Швеция) получает «тяжёлый камень», воздействуя азотной кислотой на шеелит. А в 1783 году химики Элюар (Испания) также сообщают о выделении чистого вольфрама.


Главные запасы металла оказались в Казахстане, Канаде, Китае, США.

Применение вольфрама. Карбид вольфрама.

Примерно 50% вольфрама используется для производства твёрдых материалов, в особенности - карбида вольфрама с температурой плавления 2770 °С.

Карбид вольфрама - химическое соединение равных по числу атомов вольфрама и углерода. Он в 2 раза жёстче, чем сталь, имеет коэффициент жёсткости 9 по шкале Мооса ( коэффициент 10).

Карбид вольфрама применяют для изготовления:

— режущих инструментов, чрезвычайно устойчивых к истиранию и воздействию высоких температур;

— бронебойных боеприпасов;

— танковой брони;


— деталей самолётов и двигателей;

— деталей космических кораблей и ракет;

— оборудования для атомной промышленности;

— балластов , коммерческих воздушных судов, гоночных автомобилей;

— хирургических инструментов, предназначенных для открытой (полостной) хирургии и лапароскопической (ножницы, пинцеты, захваты, резаки и другие), - они дороже, чем медицинская сталь, однако обладают лучшей производительностью;

— ювелирных изделий, особенно свадебных колец: популярность вольфрама в обручальных кольцах вызвана физическими свойствами металла (прочностью, тугоплавкостью, словно символизирующими подобную же прочность отношений) и его внешним видом - отполированный, вольфрам неопределённо долго сохраняет сияющий, зеркальный вид, так как в обычной жизни поцарапать его чем-то невозможно;

— шарика в дорогих шариковых ручках;

— калибровочных блоков, используемых, в свою очередь, для производства прецизионных длин в размерной метрологии.

Другие случаи применения вольфрама

Вольфрам применяют в производстве нагревательных элементов для высокотемпературных вакуумных печей, нитей накаливания в разнообразных приборах освещения.


Сульфид вольфрама нашёл применение в качестве высокотемпературной смазки, выдерживающей нагрев до 500 °C. Монокристаллы вольфраматов используют в ядерной физике и медицине.