Вольфрам (лат. Wolframium), W, химический элемент VI группы периодической системы Менделеева, порядковый номер 74, атомная масса 183,85; тугоплавкий тяжелый металл светло-серого цвета. Природный Вольфрам состоит из смеси пяти стабильных изотопов с массовыми числами 180, 182, 183, 184 и 186. Вольфрам был открыт и выделен в виде вольфрамового ангидрида WO 3 в 1781 году шведским химиком К. Шееле из минерала тунгстена, позднее названного шеелитом. В 1783 году испанские химики братья д"Элуяр выделили WO 3 из минерала вольфрамита и, восстановив WO 3 углеродом, впервые получили сам металл, названный ими Вольфрамом. Минерал же вольфрамит был известен еще Агриколе (16 век) и называется у него "Spuma lupi" - волчья пена (нем. Wolf - волк, Rahm - пена) в связи с тем, что Вольфрам, всегда сопровождая оловянные руды, мешал выплавке олова, переводя его в пену шлаков ("пожирает олово как волк овцу"). В США и некоторых других странах элемент назывался также "тунгстен" (по-шведски - тяжелый камень). Вольфрам долго не находил промышленного применения. Лишь во второй половине 19 века начали изучать влияние добавок Вольфрам на свойства стали.

Вольфрам мало распространен в природе; его содержание в земной коре 1·10 -4 % по массе. В свободном состоянии не встречается, образует собственные минералы, главным образом вольфраматы, из которых промышленное значение имеют вольфрамит (Fe, Mn)WO 4 и шеелит CaWO 4 .

Физические свойства Вольфрама. Вольфрам кристаллизуется в объемноцентрированной кубической решетке с периодом а =3,1647Å; плотность 19,3 г/см 3 , t пл 3410°C, t кип 5900°С. Теплопроводность (кал/см·сек·°С) 0,31 (20°С); 0,26 (1300°С). Удельное электросопротивление (ом·см·10 -6) 5,5 (20°С); 90,4 (2700°С). Работа выхода электронов 7,21·10 -19 дж (4,55 эв), мощность энергии излучения при высоких температурах (вт/см 2): 18,0 (1000°С); 64,0 (2200°С); 153,0 (2700°С); 255,0 (3030°С). Механические свойства Вольфрама зависят от предшествующей обработки. Предел прочности при растяжении (кгс/мм 2) для спеченного слитка 11, для обработанного давлением от 100 до 430; модуль упругости (кгс/мм 1) 35000-38000 для проволоки и 39000-41000 для монокристаллической нити; твердость по Бринеллю (кгс/мм 2) для спеченного слитка 200-230, для кованного слитка 350-400 (1 кгс/мм 2 = 10 Мн/м 2). При комнатной температуре Вольфрам малопластичен.

Химические свойства Вольфрама. В обычных условиях Вольфрам химически стоек. При 400-500°С компактный металл заметно окисляется на воздухе до WO 3 . Пары воды интенсивно окисляют его выше 600°С до WO 3 . Галогены, сера, углерод, кремний, бор взаимодействуют с Вольфрамом при высоких температурах (фтор с порошкообразным Вольфрамом - при комнатной). С водородом Вольфрам не реагирует вплоть до температуры плавления; с азотом выше 1500°С образует нитрид. При обычных условиях Вольфрам стоек к соляной, серной, азотной и плавиковой кислотам, а также к царской водке; при 100°С слабо взаимодействует с ними; быстро растворяется в смеси плавиковой и азотной кислот. В растворах щелочей при нагревании Вольфрам растворяется слегка, а в расплавленных щелочах при доступе воздуха или в присутствии окислителей - быстро; при этом образуются вольфраматы. В соединениях Вольфрам проявляет валентность от 2 до 6, наиболее устойчивы соединения высшей валентности.

Вольфрам образует четыре оксида: высший - WO 3 (вольфрамовый ангидрид), низший - WO 2 и два промежуточных W 10 О 29 и W 4 O 11 . Вольфрамовый ангидрид - кристаллический порошок лимонно-желтого цвета, растворяющийся в растворах щелочей с образованием вольфраматов. При его восстановлении водородом последовательно образуются низшие оксиды и Вольфрам. Вольфрамовому ангидриду соответствует вольфрамовая кислота H 2 WO 4 - желтый порошок, практически не растворимый в воде и в кислотах. При ее взаимодействии с растворами щелочей и аммиака образуются растворы вольфраматов. При 188°С Н 2 WО 4 отщепляет воду с образованием WO 3 . С хлором Вольфрам образует ряд хлоридов и оксихлоридов. Наиболее важные из них: WCl 6 (t пл 275°С, t кип 348°C) и WO 2 Cl 2 (t пл 266°С, выше 300°С сублимирует), получаются при действии хлора на вольфрамовый ангидрид в присутствии угля. С серой Вольфрам образует два сульфида WS 2 и WS 3 . Карбиды вольфрама WC (t пл 2900°C) и W 2 C (t пл 2750°С) - твердые тугоплавкие соединения; получаются при взаимодействии Вольфрама с углеродом при 1000-1500°С.

Получение Вольфрама. Сырьем для получения Вольфрама служат вольфрамитовые и шеелитовые концентраты (50-60% WO 3). Из концентратов непосредственно выплавляют ферровольфрам (сплав железа с 65-80% Вольфрама), используемый в производстве стали; для получения Вольфрама, его сплавов и соединений из концентрата выделяют вольфрамовый ангидрид. В промышленности применяют несколько способов получения WО 3 . Шеелитовые концентраты разлагают в автоклавах раствором соды при 180-200°С (получают технический раствор вольфрамата натрия) или соляной кислотой (получают техническую вольфрамовую кислоту):

1. CaWO 4 тв +Na 2 CO 3 ж = Na 2 WO 4 ж + CaCO 3 тв

2. CaWO 4 тв +2НCl ж = H 2 WO 4 тв +СаCl 2 р-р.

Вольфрамитовые концентраты разлагают либо спеканием с содой при 800-900°С с последующим выщелачиванием Na 2 WO 4 водой, либо обработкой при нагревании раствором едкого натра. При разложении щелочными агентами (содой или едким натром) образуется раствор Na 2 WO 4 , загрязненный примесями. После их отделения из раствора выделяют H 2 WO 4 . Для получения более грубых, легко фильтруемых и отмываемых осадков вначале из раствора Na 2 WO 4 осаждают CaWO 4 , который затем разлагают соляной кислотой.) Высушенная H 2 WO 4 содержит 0,2 - 0,3% примесей. Прокаливанием H 2 WO 4 при 700-800°С получают WO 3 , а уже из него - твердые сплавы. Для производства металлического Вольфрама H 2 WO 4 дополнительно очищают аммиачным способом - растворением в аммиаке и кристаллизацией паравольфрамата аммония 5(NH 4) 2 O·12WO 3 ·nH 2 O. Прокаливание этой соли дает чистый WO 3 . Порошок Вольфрама получают восстановлением WO 3 водородом (а в производстве твердых сплавов - также и углеродом) в трубчатых электрических печах при 700-850°С. Компактный металл получают из порошка металлокерамическим методом, то есть прессованием в стальных прессформах под давлением 3000-5000 кгс/см 2 и термической обработкой спрессованных заготовок - штабиков. Последнюю стадию термической обработки - нагрев примерно до 3000°С проводят в специальных аппаратах непосредственно пропусканием электрического тока через штабик в атмосфере водорода. В результате получают Вольфрам, хорошо поддающийся обработке давлением (ковке, волочению, прокатке и т. д.) при нагревании. Из штабиков методом бестигельной электроннолучевой зонной плавки получают монокристаллы Вольфрама.

Применение Вольфрама. Вольфрам широко применяется в современное технике в виде чистого металла и в ряде сплавов, наиболее важные из которых - легированные стали, твердые сплавы на основе карбида Вольфрама, износоустойчивые и жаропрочные сплавы. Вольфрам входит в состав ряда износоустойчивых сплавов, используемых для покрытия поверхностей деталей машин (клапаны авиадвигателей, лопасти турбин и другие). В авиационной и ракетной технике применяют жаропрочные сплавы Вольфрама с других тугоплавкими металлами. Тугоплавкость и низкое давление пара при высоких температурах делают Вольфрам незаменимым для нитей накала электроламп, а также для изготовления деталей электровакуумных приборов в радиоэлектронике и рентгенотехнике. В различных областях техники используют некоторые химические соединения Вольфрама, например Na 2 WO 4 (в лакокрасочной и текстильной промышленности), WS 2 (катализатор в органических синтезе, эффективная твердая смазка для деталей трения).

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.

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).

Введение

Значение редких элементов в науке и технике увеличивается с каждым годом, причем все больше стирается граница между редкими и нередкими элементами. Современному химику-аналитику все чаще и чаще приходится иметь дело с определениями вольфрама, молибдена, ванадия, титана, циркония и других редких элементов.

Анализ смеси всех элементов представляет собой исключительно редкий случай.

Многие комбинации редких и нередких элементов, встречающиеся в минералах, настолько сложны, что для выполнения анализа требуется большой опыт и знания в области химии редких элементов.

Для разделения элементов на группы или для выделения какого-либо одного элемента используются не только реакции осаждения, но также и другие способы, как, например: экстрагирование соединений органическими растворителями, дистилляция летучих соединений, электролиз и т.п.

Ввиду трудности разделения и определения некоторых редких элементов химическими методами эти определения производят физическими методами (спектральным, люминесцентным и др.).

При обнаружении весьма малых количеств рассеянных редких элементов применяют химические способы обогащения, основанные на соосаждении определяемого элемента с другим специально подобранным элементом - «носителем». Элементы-носители подбираются таким образом, чтобы не мешать дальнейшему ходу анализа.

Одним из наиболее важных редких элементов является вольфрам. В данной работе мы хотим рассмотреть некоторые вопросы, связанные с качественным обнаружением вольфрама.

История открытия вольфрама

Слово «вольфрам» существовало задолго до открытия этого металла. Ещё немецкий врач и металлург Георгиус Агрикола (1494-1555) называл вольфрамом некоторые металлы. Слово «вольфрам» имело много оттенков значения; оно, в частности, означало и «волчью слюну» и «волчью пену», т.е. пену у пасти разъяренного волка. Металлурги XIV-XVI веков заметили, что при выплавке олова примесь какого-то минерала вызывает значительные потери металла, переводя его «в пену» - в шлак. Вредной примесью был минерал вольфрамит (Mn, Fe)WO4, похожий внешне на оловянную руду - касситерит (SnO2). Средневековые металлурги называли вольфрамит «вольфрамом» и говорили, что «он похищает и пожирает олово, как волк овцу».

Впервые вольфрам получили испанские химики братья де Элуяр в 1783г. Ещё раньше - в 1781г. - шведский химик Шееле выделил триоксид вольфрама WO3 из минерала составом CaWO4, в последствии получившего название «шеелит». Поэтому вольфрам долгое время называли шеелием.

В Англии, Франции и США вольфрам именуют иначе - тунгстен, что означает в переводе со шведского «тяжелый камень». В России в XIX веке вольфрам называли «волчец».

Положение в периодической системе химических элементов

Вольфрам - элемент VI группы периодической системы химических элементов, его порядковый номер 74, атомная масса 183,85.

Природный вольфрам состоит из смеси стабильных изотопов с массами:

Для вольфрама также известны радиоактивные изотопы с массами от 174 до 188.

Физико-химические свойства вольфрама и его применение

вольфрам химический качественный обнаружение

Чистый металлический вольфрам - металл серебристо-белого цвета, по внешнему виду похож на сталь, кристаллическая решетка объемноцентрированная кубическая; в порошкообразном состоянии - темно-серого цвета.

Физические константы вольфрама:

Температура плавления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3380-3430oC

Температура кипения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5900oC

Плотность (при 20 oC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19,3 г/см3

Удельная теплоемкость (при 20 oC) . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,032 кал/г* oC

Теплота плавления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44 кал/г

Теплота испарения. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,83 кал/г

Упругость паров вольфрама указана в Таблице 1 (см. Приложение).

Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления и самое низкое давление пара среди металлов. Вольфрамовая проволока имеет самый высокий предел прочности при растяжении и предел текучести до 420кГ/мм2.

Сегодня вольфрам находит широкое применение в науке и технике. Его используют для легирования стали, как основу сверхтвердых сплавов, как компонент жаропрочных сплавов для авиационной и ракетной техники, для изготовления катодов электровакуумных приборов и нитей ламп накаливания. Вольфрамовые сплавы обладают высокой жаропрочностью (при 16500С предел прочности ув 175-253 МПа), однако хрупки и выше 6000С интенсивно окисляются на воздухе (без защитного покрытия могут использоваться только в вакууме и восстановительной или нейтральной атмосфере). Хорошо поглощают ионизирующее излечение. Применяются для изготовления нагревательных элементов, тепловых экранов, контейнеров для хранения радиоактивных препаратов, термоэмиттеров, электродов термопар, используемых для измерения температур до 25000С (сплавы с рением).

Химические свойства

Вольфрам - один из наиболее коррозийноустойчивых металлов. При обычной температуре устойчив к действию воды и воздуха, при температуре 400-500 oC заметно окисляется, при более высокой температуре окисляется интенсивно, образуя триоксид вольфрама желтого цвета. С водородом не взаимодействует даже при очень высоких температурах, с азотом взаимодействует при температуре свыше 2000 oC, образуя нитрид WN2. Твердый углерод при 1100-1200 oC реагирует с вольфрамом, образуя карбиды WC и W2C. На холоду серная, соляная, азотная, фтороводородная кислоты и царская водка на вольфрам не действуют. При температуре 100 oC вольфрам не взаимодействует с фтороводородной кислотой, слабо взаимодействует с соляной и серной кислотами, быстрее взаимодействует с азотной кислотой и царской водкой. Быстро растворяется в смеси фтороводородной и азотной кислот. Растворы щелочей на холоду не действуют на вольфрам; расплавленные щелочи при доступе воздуха или в присутствии окислителей (таких как: нитраты, хлораты, диоксид свинца) интенсивно растворяют вольфрам, образуя соли.

Распределение электронов в атоме вольфрама: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s2 5p6 5d4 6s2. Потенциалы ионизации вольфрама: I1=7.98эВ; I2=17.7эВ. Радиус атома rme=1,40Ao.

Ионные радиусы:

В соединениях вольфрам проявляет степени окисления +2, +3, +4, +5, +6. В высших степенях окисления вольфрам обладает кислотными свойствами, в низших - основными. Соединения со степенью окисления +2, +3 неустойчивы. Двухвалентный вольфрам известен лишь в виде галогенидов. Из соединений вольфрама(IV) выделены в твердом виде устойчивые комплексные цианиды. Наибольшее практическое значение в анализе имеют соединения вольфрама(V) и (VI).

Поведение вольфрама в растворах сложно, особенно в кислых, из-за отсутствия простых соединений. Существенное значение в аналитической химии вольфрама имеет его большая склонность к комплексообразованию. Вследствие того, что в комплексных соединениях индивидуальные свойства отдельных элементов проявляются ярче, чем в простых, комплексообразование вольфрама широко используют в определении в присутствии близких по свойствам элементов.

Соединения вольфрама(II) и (III) являются сильными восстановителями, окислительная способность соединений вольфрама(V) проявляется слабо.

Термодинамические данные для вольфрама и его соединений указаны в Таблице 2 (см. Приложение)

До 40-х годов XX века аналитическая химия вольфрама развивалась попутно с аналитической химией молибдена, причем для первого были характерны гравиметрические методы определения. В последние годы успешно исследовалась химия координационных соединений вольфрама, некоторые из которых успешно используются в аналитической химии для определения вольфрама физическими и физико-химическими методами.

Близость свойств вольфрама и молибдена объясняет трудность их разделения и определения при взаимном присутствии. Однако различие в распределении валентных электронов, явление лантаноидного сжатия, испытываемое электронной оболочкой вольфрама, приводят к различию некоторых химических свойств этих элементов. Например, склонность водных растворов вольфрама(VI) к полимеризации и к гидролизу в присутствии минеральных кислот сильнее, чем у молибдена(VI). Вольфрам труднее восстанавливается до определенных низших степеней окисления, стабилизация которых, в отличии от молибдена, сложна и не всегда успешна.

Качественное обнаружение вольфрама

Химия вольфрама чрезвычайно сложна. Обладая переменной степенью окисления, этот элемент образует большое число соединений. Здесь будут рассмотрены свойства только тех соединений вольфрама, которые он образует при растворении его сплавов в кислотах. Так как для растворения этих сплавов используется концентрированная азотная кислота в смеси с 2н. серной кислотой или царская водка, вольфрам переходит в свою высшую степень окисления +6. Поэтому мы остановимся на свойствах соединений вольфрама(VI).

Частные реакции иона WO42-:

1. Кислоты. При действии на растворы вольфраматов концентрированными минеральными кислотами, например соляной, выпадает белый осадок вольфрамовой кислоты:

WO42-+2H++H2O = WO3*2 H2O.

При кипячении WO3*2 H2O превращается в WO3* H2O желтого цвета. Вольфрамовая кислота нерастворима в концентрированных кислотах (отличие от MoO3* H2O). Реакция ее образования применяется для отделения WO42- от других ионов.

2. Сероводород H2S в кислом растворе не осаждает WO42-.

3. Сульфид аммония (NH4)2S образует с вольфраматами растворимые в воде тиосоли, например:

WO42- + 8NH4+ +4S2-+ 4 H2O = WS42- + 8NH4OH.

При подкислении тиосоль разлагается с образованием светло-бурого осадка WS3.

4. Восстановление WO42-. На раствор вольфрамата, подкисленный соляной или серной кислотой, действуют металлическим цинком. Образовавшийся сначала осадок вольфрамовой кислоты при этом синеет вследствие образования продуктов переменного состава, содержащих соединения вольфрама(VI) и (V):

Zn + 2WO42-+6Н+ = W2O5+Zn2++3H2O.

То же соединение получается при замене цинка раствором хлорида олова(II).

При сероводородном методе анализа вольфрам относят к подгруппе мышьяка; однако он не образует сульфида при действии сероводорода в кислой среде, а образует его лишь при действии сульфидов аммония и щелочных металлов или сероводорода в щелочной среде; растворяется в избытке сульфида с образованием тиосоли:

Na2WO4 + 4 (NH4)2S + 4 H2O = Na2WS4 + 8 NH4OH.

При подкислении растворов тиосолей выпадает светло-бурый сульфид вольфрама:

Na2WS4 + 2 HCl = 2 NaCl + H2S + WS3,

растворяющийся в избытке соляной кислоты. Но ион WO42- осаждается при действии соляной кислоты в виде малорастворимой вольфрамовой кислоты вместе с группой серебра (Ag+, Hg22+,Tl(I),Pb2+) и, таким образом, отделяется от большинства катионов.

В бессероводородной схеме анализа вольфрам также предложено выделять в форме вольфрамовой кислоты действием соляной кислоты; вместе с ним осаждаются в форме хлоридов ионы: Ag+,Hg22+,Tl (I),Pb2+. Систематический ход анализа катионов в присутствии вольфрама указан в Таблице 3 (см. Приложение).

Качественный анализ вольфрама очень слабо разработан. В основном используют осаждение малорастворимой вольфрамовой кислоты при действии на вольфраматы минеральных кислот; вместе с вольфрамовой в этих условиях осаждается кремниевая кислота. От последней вольфрам отделяют обработкой осадка аммиаком, а затем обнаруживают в фильтрате. Из неорганических реагентов чаще всего используют роданиды щелочных металлов и аммония в присутствии восстановителей титана(III) и олова(II), из органических - толуол-3,4-дитиол. Вероятно, для обнаружения можно использовать реагенты, рекомендованные для фотометрического определения вольфрама: они чувствительны и достаточно надежны, особенно после отделения вольфрама, например, кислым гидролизом. Реагенты, рекомендованные для гравиметрического определения вольфрама, мало пригодны для его обнаружения, так как образуют нехарактерные осадки с вольфрамом.

Коренман предложил обнаруживать вольфрам при помощи хлорида аммония: бесцветные кристаллы вольфрамата аммония имеют форму ромбов и палочек. Чувствительность 0,15мкг вольфрама в капле раствора, предельное разбавление 1:4*104. Обнаружению не мешают хлориды, сульфаты, стократные количества молибдатов и тридцатикратные - ванадатов.

Роданидный метод позволяет обнаружить капельным методом 0,05-1% триоксида вольфрама WO3 в рудах и?10-4% вольфрама в горных породах.

Капельное обнаружение вольфрама в рудах. Обнаружению 0,05-1% триоксида вольфрама не мешают по 10% молибдена и ванадия; 5% хрома; по 2% мышьяка и сурьмы, однако ванадий и хром рекомендуется отделять.

Около 5мг образца, растертого до пудры, сплавляют с? 20мг гидроксида натрия, к расплаву прибавляют около 3мг пероксида натрия и вновь сплавляют. Желтая окраска плава указывает на присутствие хрома. К плаву прибавляют несколько капель воды, нагревают, переносят в фарфоровый тигель и подкисляют соляной кислотой. Раствор выпаривают на водяной бане почти досуха, остаток смачивают соляной кислотой, разбавляют водой, отфильтровывают. Осадок на фильтре обрабатывают горячим раствором аммиака (1:1), промывают горячей водой, фильтрат и промывные воды объединяют и прибавляют одну каплю раствора реагента (30г роданида калия в 100 мл воды), выпаривают до небольшого объема, вводят 1-2 капли концентрированной соляной кислоты, 1 каплю 10% раствора хлорида олова(II) и 1 каплю 0,5% раствора хлорида титана(III) в соляной кислоте (1:1). В присутствии вольфрама появляется желтое окрашивание.

Обнаружение вольфрама в рудах и горных породах. Обнаружению?1 10-4% вольфрама мешают молибден, селен, теллур, большие количества железа, ванадия, хрома, диоксида кремния. Сульфидные образцы обжигают и дополнительно измельчают после обжига.

0,5г тонкоизмельченного вещества обрабатывают 30 минут в пробирке или микростаканчике 2 мл соляной кислоты при нагревании на водяной бане. Если присутствует мышьяк, его удаляют действием гидразина в присутствии бромида калия, упаривая жидкость после введения реагентов до половины первоначального объема. Остаток растворяют в двух объемах воды, фильтруют раствор через ватный тампон и промывают 1-2мл воды. Фильтрат и промывные воды упаривают досуха, растворяют в 1-2 каплях воды, вводят по каплям 25% раствор гидроксида калия до полного осаждения гидроксида железа, вводят 3 капли насыщенного раствора роданида аммония, перемешивают, прибавляют 40% раствор хлорида олова(II) до исчезновения красного окрашивания. В присутствии вольфрама появляется желтовато-зеленое окрашивание.

Для повышения чувствительности обнаружения вольфрама до 0,01 мкг рекомендовано выполнять реакцию на зернах анионита. Обнаружению не мешают 100-1000 мкг La, Ce(IV), Zr, Th, Mn, Fe, Ni, Zn, Cd, Al, Ga, In, Ge, Sn (IV), Pb, Sb (III), Bi, F-, Br-,I-, NO3-,SO32-, SO42-, HPO42-, B4O72-,HCOO-, C2O42-, цитрата и тартрата. Мешают Pd, Pt, Ag, Au, Hg, As, Se, Te.

В присутствии молибдена раствор подкисляют серной кислотой до концентрации 1-2М, дважды экстрагируют молибден смесью равных объемов ацетилацетона и хлороформа, водный слой фильтруют, упаривают до небольшого объема, вводят азотную кислоту для разрушения органических веществ и прибавляют гидроксид натрия до концентрации 0,01М. Раствор помещают на белую кафельную пластинку, прибавляют несколько зерен анионита дауэкс-1-х-1 или 1-х-2, через несколько минут вводят по 1 капле 10% раствора хлорида олова(II) в концентрированной соляной кислоте и 3% раствора роданида аммония. В присутствии вольфрама зерно окрашивается в зеленоватый цвет. Зерно рекомендуется рассматривать под микроскопом при освещении флуоресцентной лампы.

Капельное обнаружение вольфрама в стали. Кульберг предлагает реакцию, основанную на способности пероксовольфрамовой кислоты, образующейся при действии перекиси водорода на вольфрамовую кислоту, окрашивать уксуснокислый раствор бензидина в оранжево-красно-коричневй цвет. Получающееся соединение устойчиво к действию пероксида водорода.

На зачищенную поверхность стали помещают каплю кислотной смеси (1 часть 30% серной кислоты и 1 часть концентрированной азотной кислоты). Через 2-3 минуты прибавляют большой избыток пероксида натрия, перемешивают и по каплям вводят 10% раствор аммиака до прекращения кипения. Часть осадка захватывают кусочком фильтровальной бумаги, помещают на него 2-3 капли свежеприготовленного 1% раствора бензидина в ледяной уксусной кислоте. В присутствии вольфрама возникает оранжево-красно-коричневое окрашивание.

В сталях вольфрам можно обнаруживать дитиолом; не мешают молибден, цирконий, медь и другие компоненты стали.

Навеску стали 0,5-0,6г растворяют в 10 мл 6М соляной кислоты. Часть раствора нагревают с хлоридом олова(II) для восстановления молибдена(VI) до молибдена(III) и прибавляют метанольный раствор дитиола. В присутствии вольфрама возникает голубовато-зеленое окрашивание.

При использовании родамина С чувствительность обнаружения вольфрама составляет 0,001-0,0005мг в 1 капле раствора. Рекомендуется выделить вольфрамовую кислоту H2WO4, затем растворить ее в гидроксиде натрия и обнаружить вольфрам в слабокислой среде. Обнаружению без отделения вольфрама мешают многие ионы, в том числе анионы I-, Br-, SCN-, Cr2O72-, S2O82-, MnO4-, ClO4-, S2O32-.

Родамин С рекомендовано применять для обнаружения вольфрама на бумажных хроматограммах; для этого их опрыскивают 0,025% раствором родамина С в 1М серной кислоте и 20% раствором бромида калия. Присутствие вольфрама можно идентифицировать по окраске или люминесценции пятна.

Под действием катодных или ультрафиолетовых лучей шеелит интенсивно люминесцирует голубым светом.

Вольфрам (англ. Tungsten, франц. Tungstene, нем. Wolfram) был получен впервые испанцами братьями де Эльгуйяр, учениками Бергмана в 1783 г. Название вольфрам существовало, однако, задолго до открытия элемента. Горняки и металлурги XIV - XVI вв., занимавшиеся добычей олова, заметили, что при прокаливании одной из оловянных руд значительное количество олова теряется, уходя в шлак. Эта руда получила название волк (Wolf, или Wolfert), которое с течением времени изменилось на вольфрам; так стали называть минерал, содержащийся в руде. Агрикола приводит латинское название этого минерала - Spuma Lupi, или Lupus spuma, что означает волчья пена, т.е. пена в пасти у разъяренного волка. Горняки XVI в. говорили о вольфраме: "он похищает олово и ожирает его, как волк овцу". В 1781 г. Шееле получил трехокись вольфрама WO 3 из минерала, который позднее был назван в его честь шеелитом (CaWO 4). Открытие Шееле подтвердил Бергман, назвавший минерал "тяжеловесным камнем" (лат. Lapis ponderosus); в переводе на шведский язык - это тунгстен (Tung Sten - тяжелый камень). Немного позднее было предложено называть вновь открытый металл шеелием (Scheelium) в честь Шееле, но Берцелиус, вначале поддержавший это название, вскоре предпочел ему слово тунгстен. По латыни (Syuma lupi) и по немецки (Wolf Rahm) вольфрам означает волчью слюну. Название вольфрам встречается у Ломоносова, затем у Шерера; Соловьев и Гесс (1824) называют его волчец, Двигубский (1824) - вольфрамий. Встречаются также названия шеелий, шеелев металл (тунгстеновый королек).

Вольфрам - химический элемент с атомным номером 74 в периодической системе, обозначается символом W (лат. Wolframium ).

Атомный номер - 74

Атомная масса - 183,84

Плотность, кг/м³ - 19300

Температура плавления, °С - 3410

Теплоемкость, кДж/(кг·°С) - 0,134

Электроотрицательность - 1,7

Ковалентный радиус, Å - 1,30

1-й ионизац. потенциал, эв - 7,98

Открытие вольфрама связано с именами шведского химика Карла Вильгельма Шееле (известного своими научными исследованиями и открытиями многих веществ, в частности, он первый открыл хлор), а также испанских химиков, братьев д"Элуяр (д"Эльгуайр).
В 1781 году Шееле, исследуя минерал тунгстен, в переводе на русский язык тяжелый камень, установил, что он является соединением кальция с неизвестной кислотой, которую К. Шееле назвал тунгстеновой. Эту же кислоту в 1783 году обнаружили братья д"Элуяр в другом минерале в вольфрамите. Вольфрамит был известен давно и часто встречался в оловянных рудах. Знаменитый ученый XVI века Агрикола сказал о нем «пожирает олово, как волк овцу», так как при плавке оловянных руд вместе с вольфрамитом в пену шлака всплывало значительное количество олова. Именно поэтому Агрикола назвал этот минерал волчья пена. У нас на Урале вольфрамит был известен как «волчец».
Получив тунгстеновую кислоту (сейчас она называется вольфрамовой) из вольфрамита, братья д"Элуяр при помощи углерода сумели из нее извлечь новый элемент в виде чистого металла, который по аналогии с исходным минералом был назван вольфрамом. Во многих странах, в частности в Англии и Соединенных Штатах Америки, этот минерал имеет название тунгстен, а термин вольфрам иногда употребляется применительно к минералу вольфрамиту.
Следует заметить, что тунгстен, минерал, в котором К. Шееле впервые установил новый элемент, переименован и назван в честь этого химика шеелитом.

Кларк вольфрама земной коры составляет (по Виноградову) 1,3 г/т. Его среднее содержание в горных породах, г/т: ультраосновных - 0,1, основных - 0,7, средних - 1,2, кислых - 1,9.

Вольфрам встречается в природе главным образом в виде окисленных сложных соединений, образованных трехокисью вольфрама WO 3 с оксидами железа и марганца или кальция, а иногда свинца, меди, тория и редкоземельных элементов. Промышленное значение имеют вольфрамит (вольфрамат железа и марганца nFeWO 4 * mMnWO 4 - соответственно, ферберит и гюбнерит) и шеелит (вольфрамат кальция CaWO 4). Вольфрамовые минералы обычно вкраплены в гранитные породы, так что средняя концентрация вольфрама составляет 1-2 %.

Общие мировые запасы вольфрама (без России) составляют около 7,5 млн тонн, подтвержденные запасы около 4 млн тонн. Наиболее крупными запасами обладают Казахстан, Китай, Канада и США; известны также месторождения в Боливии, Португалии, России и Южной Корее. Мировое производство вольфрама составляет 18-20 тысяч тонн в год, в том числе в Китае 10, России 3,5; Казахстане 0,7, Австрии 0,5. Основные экспортёры вольфрама: Китай, Южная Корея, Австрия. Главные импортёры: США, Япония, Германия, Великобритания.

Процесс получения вольфрама проходит через подстадию выделения триоксида WO 3 из рудных концентратов и последующем восстановлении до металлического порошка водородом при температуре около 700 °C. Из-за высокой температуры плавления вольфрама для получения компактной формы используются методы порошковой металлургии: полученный порошок прессуют, спекают в атмосфере водорода при температуре 1200-1300 °C, затем пропускают через него электрический ток. Металл нагревается до 3000 °C, при этом происходит спекание в монолитный материал. Для последующей очистки и получения монокристаллической формы используется зонная плавка.

Если хотят получить более компактный образец вольфрама, порошок спрессовывают. В промышленности из него получают штабики плотностью 13-15 г/см 3 , но они обладают низкой механической прочностью, поэтому дальше их спекают. Нагрев до 2000 °C в вакууме или в атмосфере водорода проводят прямым пропусканием электрического тока через металл. Размеры штабиков после спекания уменьшаются, а плотность возрастает до 17,5 г/см 3 .

Кроме электронно-лучевой плавки, существует еще один способ расплавить вольфрам. Это аргонно-дуговая плавка. Таким же методом изготовлен один из образцов рения. В отличие от электронно-лучевой плавки, при плавлении в дуге примеси летучих металлов удаляются хуже (поскольку плавление проводят при атмосферном давлении, а не в вакууме). Но именно этот метод позволяет приготовить сплавы вольфрама с такими летучими металлами, которые в вакууме запросто улетают из сплава.

Получение кристаллов вольфрама

Плотность вольфрама больше плотности железа в два с половиной раза! (И в семь раз больше плотности алюминия.) Она почти равна плотности золота (отличается менее, чем на 1%). Кристаллы вольфрама выращивают зонным методом, с нагревом электронным пучком. При этом методе, заготовка (вольфрамовый штабик) укрепляется вертикально в вакуумной камере. Вокруг заготовки располагается кольцевой катод электроной пушки, с которого вылетают ускоренные высоким напряжением электроны. Попадая на образец, они вызывают расплавление его небольшого участка. В полученной расплавленной зоне, жидкий металл удерживается от стекания силами поверхностного натяжения от стекания. Катод (а вместе с ним и расплавленная зона) медленно продвигается вдоль кристалла. При этом происходит несколько полезных процессов: все летучие примеси улетают из образца (в вакуумной камере поддерживается давление ниже 10 -5 мм рт. ст., а температура составляет 3500 градусов – при таких условиях большинство примесей покидает образец в виде пара); после нескольких проходов, как и при зонной плавке, оставшиеся нелетучие примеси концентрируются с одной из сторон образца. Также, происходит направленная кристаллизация слитка, которая при использовании затравки позволяет получить монокристалл с заданной ориентацией. Такие монокристаллы применяются для изготовления анодов рентгеновских трубок, в физических исследованиях. Нити накала высококачественных галогенных ламп также изготавливаются из монокристаллических слитков, что позволяет продлить их срок службы в несколько раз.

Вольфрам - светло-серый металл, имеющий самые высокие температуры плавления и кипения.

Некоторые физические свойства приведены в таблиц. Другие физические свойства вольфрама:

Вольфрам кристаллизуется в объемноцентрированной кубической решетке с периодом а =3,1647Å; плотность 19,3 г/см 3 , t пл 3410°C, t кип 5900°С. Теплопроводность (кал/см·сек·°С) 0,31 (20°С); 0,26 (1300°С).

• твердость по Бринеллю (кгс/мм 2) для спеченного слитка 200-230, для кованного слитка 350-400 (1 кгс/мм 2 = 10 Мн/м 2). При комнатной температуре Вольфрам малопластичен.
• удельное электрическое сопротивление при 20 °C 55×10 −9 Ом·м, при 2700 °C - 904×10 −9 Ом·м. Работа выхода электронов 7,21·10 -19 дж (4,55 эв), мощность энергии излучения при высоких температурах (вт/см 2): 18,0 (1000°С); 64,0 (2200°С); 153,0 (2700°С); 255,0 (3030°С).
• скорость звука в отожжённом вольфраме 4290 м/с.
• Механические свойства Вольфрама зависят от предшествующей обработки. Предел прочности при растяжении (кгс/мм 2) для спеченного слитка 11, для обработанного давлением от 100 до 430; модуль упругости (кгс/мм 1) 35000-38000 для проволоки и 39000-41000 для монокристаллической нити;

Вольфрам является одним из наиболее тяжелых и самым тугоплавким металлом. В чистом виде представляет собой металл серебристо-белого цвета, похожий на платину, при температуре около 1600 °C хорошо поддается ковке и может быть вытянут в тонкую нить.

Валентность от 2 до 6. Наиболее устойчив 6-валентный вольфрам. 3- и 2-валентные соединения вольфрама неустойчивы и практического значения не имеют.

Вольфрам имеет высокую коррозионную стойкость: при комнатной температуре не изменяется на воздухе; при температуре красного каления медленно окисляется в оксид вольфрама VI; в соляной, серной и плавиковой кислотах почти не растворим. В азотной кислоте и царской водке окисляется с поверхности. В смеси азотной и плавиковой кислоты растворяется, образуя вольфрамовую кислоту. Из соединений вольфрама наибольшее значение имеют: триоксид вольфрама или вольфрамовый ангидрид, вольфраматы, перекисные соединения с общей формулой Me 2 WO X , а также соединения с галогенами, серой и углеродом. Вольфраматы склонны к образованию полимерных анионов, в том числе гетерополисоединений с включением других переходных металлов.

В обычных условиях Вольфрам химически стоек. При 400-500°С компактный металл заметно окисляется на воздухе до WO 3 . Пары воды интенсивно окисляют его выше 600°С до WO 3 . Галогены, сера, углерод, кремний, бор взаимодействуют с Вольфрамом при высоких температурах (фтор с порошкообразным Вольфрамом - при комнатной). С водородом Вольфрам не реагирует вплоть до температуры плавления; с азотом выше 1500°С образует нитрид. При обычных условиях Вольфрам стоек к соляной, серной, азотной и плавиковой кислотам, а также к царской водке; при 100°С слабо взаимодействует с ними; быстро растворяется в смеси плавиковой и азотной кислот. В растворах щелочей при нагревании Вольфрам растворяется слегка, а в расплавленных щелочах при доступе воздуха или в присутствии окислителей - быстро; при этом образуются вольфраматы. В соединениях Вольфрам проявляет валентность от 2 до 6, наиболее устойчивы соединения высшей валентности.

Вольфрам образует четыре оксида: высший - WO 3 (вольфрамовый ангидрид), низший - WO 2 и два промежуточных W 10 О 29 и W 4 O 11 . Вольфрамовый ангидрид - кристаллический порошок лимонно-желтого цвета, растворяющийся в растворах щелочей с образованием вольфраматов. При его восстановлении водородом последовательно образуются низшие оксиды и Вольфрам. Вольфрамовому ангидриду соответствует вольфрамовая кислота H 2 WO 4 - желтый порошок, практически не растворимый в воде и в кислотах. При ее взаимодействии с растворами щелочей и аммиака образуются растворы вольфраматов. При 188°С Н 2 WО 4 отщепляет воду с образованием WO 3 . С хлором Вольфрам образует ряд хлоридов и оксихлоридов. Наиболее важные из них: WCl 6 (t пл 275°С, t кип 348°C) и WO 2 Cl 2 (t пл 266°С, выше 300°С сублимирует), получаются при действии хлора на вольфрамовый ангидрид в присутствии угля. С серой Вольфрам образует два сульфида WS 2 и WS 3 . Карбиды вольфрама WC (t пл 2900°C) и W 2 C (t пл 2750°С) - твердые тугоплавкие соединения; получаются при взаимодействии Вольфрама с углеродом при 1000-1500°С.

Вольфрам долгое время не находил практического применения. И только в конце XIX века замечательные свойства этого металла стали использоваться в промышленности. В настоящее время около 80 процентов добываемого вольфрама применяется в вольфрамовых сталях, около 15 процентов вольфрама используют для производства твердых сплавов.