Тунгстен или вольфрам?

12 октября 2019 в 20:42Химия и науки о материалахГлава из книги «Наноэлементы»

ISO Republic/Vinnova_heredy/Flickr/Pexels/Indicator.Ru

Сегодня на XIV Всероссийском фестивале науки NAUKA 0+ состоялась презентация книги «Наноэлементы» популяризатора науки, члена правления Российского химического общества, а по совместительству– научного редактора нашего портала Алексея Паевского, изданной Фондом инфраструктурных и образовательных проектов группы Роснано. Публикуем главу этой книги, посвященной 20 самым используемым в нанотехнологиях химическим элементам.

Химический символ: W

Порядковый номер: 74

Год открытия: 1783

Стандартная атомная масса: 183,84(1)

Температура плавления: 3695 К

Температура кипения: 5828 К

Плотность при стандартных условиях: 19,25 г/cм³

Скорость звука в вольфраме: 4620 м/с

Число стабильных изотопов: 4

Кристаллическая решетка: кубическая объемноцентрированная

…Иногда в любительских озвучках зарубежных детективных сериалов доводится слышать любопытные переводческие ляпы. Например, такой (полиция находит вроде бы украденное золото, но выясняется подмена): «Это не золото! Это покрашенный золотой краской металл тунгстен!». Недоумевающие зрители, плохо знающие английский, но хорошо учившие химию в школе, лихорадочно пытаются вспомнить тунгстен в таблице Менделеева – и не могут. В чем же тут дело?

Все дело в истории открытия элемента, который получил порядковый номер 74. Началось все, как это часто бывало в открытии химических элементов, с шведского рудника, на этот раз – близ городка Сетер, лен Даларна в центральной Швеции. Там в 1781 году был обнаружен новый минерал, который поступил на стол к великому химику Карлу Вильгельму Шееле. Шееле сумел выделить из него то, что потом назовут вольфрамовой кислотой (на самом деле – гидрат триоксида вольфрама, WO₃·H₂O, а не H₂WO₄). Минерал был тяжелый, а как назвать тяжелый камень? Правильно, «тяжелый камень», что по-шведски означает «тунг стен». Шееле вместе с коллегой Торном Олафом Бергманом предположили, что «тунгстеновая» кислота может содержать новый элемент. Но не выделили его. Зато это смогли сделать испанские братья Хосе и Фаусто Элюар (Фаусто, к слову, общался с Шееле лично), выделив его из минерала вольфрамита – и назвав соответственно. Название это, означающее «волк» и «пена», предположительно появилось из-за того, что вольфрамит вообще-то считался оловянной рудой, но олова из него выплавлялось намного меньше, чем из обычной руды. Как будто волк пожрал, превратив олово в пену шлаков.

Торн Олаф Бергман

Wikimedia Commons

Так в разных языках у одного элемента закрепилось два названия. Но символ остался из языка братьев Элюар (как и приоритет открытия элемента). А в честь Шееле потом назвали минерал тунгстен. Теперь он называется шеелитом.

Вольфрам во многом – уникальный элемент. Во-первых, если не считать углерод, который не является металлом, вольфрам – самый тугоплавкий в чистом виде элемент. Это, с одной стороны, хорошо, а с другой – сильно осложняет жизнь металлургам, которые хотят получить сплавы вольфрама. Ведь при температуре 3422 градуса Цельсия, при которой начинает плавиться вольфрам, большинство металлов уже превращаются в пар. Поэтому чаще всего спекают порошки или делают прессованный и спеченный вольфрамовый порошок, который заливают расплавленным металлом. Впрочем, сейчас в силу входят более современные технологии – селективное лазерное плавление и селективное лазерное спекание, плазменные технологии и так далее.

Металлический вольфрам

Wikimedia Commons

Такие усилия не напрасны: вольфрам способен заметно улучшать качество сплавов. Так, например, вольфрамсодержащие стали сохраняют твердость до температуры красного каления, вольфрам входит в состав магнитных сталей (наряду с кобальтом). Вольфрам, поскольку он очень тяжел (в 1,7 раз тяжелее свинца!), входит в состав тяжелых сплавов – это и сердечники бронебойных снарядов, и противовесы (например, в знаменитом авиалайнере Boeing-747 вольфрам заменил обедненный уран). Полет ракет (в том числе баллистических) стабилизируют вольфрамовые гироскопы, вращающиеся со скоростью 180 тысяч оборотов в минуту!

Интересно, что вольфрам используется и в уходящих технологиях, и в технологиях будущего. Вольфрам также хорошо известен всем, кто хоть раз имел дело с лампочкой накаливания – именно из него в ней сделана нить накаливания. Изотоп вольфрама-184 с очень низким сечением захвата тепловых нейтронов сплавляют с ураном-235 и используют в твердофазных ядерных ракетных двигателях.

Без карбида вольфрама сложно было бы представить себе целый ряд отраслей в их современном изводе: твердые победитовые сплавы (около 90% карбида вольфрама WC и 10% кобальта в качестве связующего звена) режут дерево и металл, бурят породу. Так что мебельная, металлообрабатывающая и нефтяная промышленность XXI века без вольфрама – никуда. Впрочем, осваивает вольфрам и ювелирная промышленность – поскольку вольфрам тяжелый, прочный и гипоаллергенный. Ну и для подделок золотых слитков, увы, тоже используют вольфрам – куда же без этого.

Нить накаливания

Wikimedia Commons

Впрочем, другие соединения вольфрама тоже находят себе применение, а некоторые из них, как и сам вольфрам, бьют химические рекорды. Самый известный рекордсмен, конечно, – это гексафторид вольфрама. Дело в том, что это вещество – самый тяжелый газ при нормальных условиях. Литр этого газа имеет массу почти 13 граммов! Он в 143 раза тяжелее самого легкого газа – водорода.

Дисульфид вольфрама – это высокотемпературная смазка, триоксид вольфрама применяют в качестве катализатора в процессах селективного каталитического восстановления (СКВ) на тепловых электростанциях. Этот процесс призван снизить выбросы в атмосферу оксидов азота, образующихся при сгорании угля. Дителлурид же вольфрама используется для других целей – он позволяет преобразовывать напрямую тепловую энергию в электрическую благодаря эффекту Зеебека.

А вот вольфраматы, точнее – их монокристаллы нашли себе применение в ядерной физике, физике элементарных частиц, ядерной энергетике и ядерной медицине. Дело в том, что кристаллы вольфраматов свинца, кадмия и кальция – это прекрасные сцинцилляторы для рентгеновского и других типов ионизирующего излучения. Когда сквозь кристалл пролетает высокоэнергетический квант света, возникает вспышка света.

Что же можно сказать о нанотехнологическом применении этого достаточно редкого и тяжелого элемента?

Наночастицы вольфрама проявляют высокую каталитическую активность и могут в перспективе служить заменой благородных металлов в химической промышленности.

Нитевидные кристаллы вольфрама (они же нановискеры, нанонити и нанопроволоки) получены в 2002 году. С тех пор их изучают и пытаются использовать в наноэлектронике, а также в качестве датчиков кислотности (pH – зонды) и газовых датчиков.

Наночастицы оксида вольфрама находит применение в биомедицине – и как антимикробный агент (интересно, что антибактериальная активность наночастиц увеличивается при освещении – и уже сейчас их используют для обеззараживания сточных вод), а кроме того – они служат контрастным агентом при компьютерной томографии. Последнее наряду с тем, что наночастицы эти обладают избирательной токсичностью к раковым клеткам, позволяет их использовать в тераностике рака – одновременной ранней его диагностике и лечении.

Наноструктурированный порошок карбида вольфрама находит применение как катализатор. Правда, его не так-то просто получить, поэтому химики все время ищут новые экзотические способы получения наночастиц такого прочного и тугоплавкого материала. Например – электрический взрыв. А наночастицы карбида вольфрама добавляют в твердые сплавы и увеличивают их прочность.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.

Читайте также

 Вольфрам — самый тугоплавкий из металлов. Более высокую температуру плавления имеет только неметаллический элемент — углерод. При стандартных условиях химически стоек. Название Wolframium перешло на элемент с минерала вольфрамит, известного ещё в XVI в. под названием лат. Spuma lupi («волчья пена») или нем. Wolf Rahm («волчьи сливки», «волчий крем»). Название было связано с тем, что вольфрам, сопровождая оловянные руды, мешал выплавке олова, переводя его в пену шлаков («пожирает олово как волк овцу»).

СТРУКТУРА

Кристалл вольфрама имеет объемноцентрированную кубическую решетку. Кристаллы вольфрама на холоду отличаются малой пластичностью, поэтому в процессе прессования порошка они практически почти не изменяют своей основной формы и размеров и уплотнение порошка происходит главным образом путем относительного перемещения частиц.

СВОЙСТВА

Вольфрам — блестящий светло-серый металл, имеющий самые высокие доказанные температуры плавления и кипения (предполагается, что сиборгий ещё более тугоплавок, но пока что об этом твёрдо утверждать нельзя — время существования сиборгия очень мало). Температура плавления — 3695 K (3422 °C), кипит при 5828 K (5555 °C). Плотность чистого вольфрама составляет 19,25 г/см³. Обладает парамагнитными свойствами (магнитная восприимчивость 0,32·10−9). Твердость по Бринеллю 488 кг/мм², удельное электрическое сопротивление при 20 °C — 55·10−9 Ом·м, при 2700 °C — 904·10−9 Ом·м. Скорость звука в отожжённом вольфраме 4290 м/с. Является парамагнетиком.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

Кларк вольфрама земной коры составляет (по Виноградову) 1,3 г/т (0,00013 % по содержанию в земной коре). Его среднее содержание в горных породах, г/т: ультраосновных — 0,1, основных — 0,7, средних — 1,2, кислых — 1,9.

Процесс получения вольфрама проходит через подстадию выделения триоксида WO₃ 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.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Вольфрам встречается в природе главным образом в виде окисленных сложных соединений, образованных трехокисью вольфрама WO₃ с оксидами железа и марганца или кальция, а иногда свинца, меди, тория и редкоземельных элементов. Промышленное значение имеют вольфрамит (вольфрамат железа и марганца nFeWO₄ * mMnWO₄ — соответственно, ферберит и гюбнерит) и шеелит (вольфрамат кальция CaWO₄). Вольфрамовые минералы обычно вкраплены в гранитные породы, так что средняя концентрация вольфрама составляет 1—2 %.

ПРИМЕНЕНИЕ

Тугоплавкость и пластичность вольфрама делают его незаменимым для нитей накаливания в осветительных приборах, а также в кинескопах и других вакуумных трубках. Благодаря высокой плотности вольфрам является основой тяжёлых сплавов, которые используются для противовесов, бронебойных сердечников подкалиберных и стреловидных оперенных снарядов артиллерийских орудий, сердечников бронебойных пуль и сверхскоростных роторов гироскопов для стабилизации полёта баллистических ракет (до 180 тыс. об/мин).

Вольфрам используют в качестве электродов для аргоно-дуговой сварки. Сплавы, содержащие вольфрам, отличаются жаропрочностью, кислотостойкостью, твердостью и устойчивостью к истиранию. Из них изготовляют хирургические инструменты (сплав «амалой»), танковую броню, оболочки торпед и снарядов, наиболее важные детали самолетов и двигателей, контейнеры для хранения радиоактивных веществ. Вольфрам — важный компонент лучших марок инструментальных сталей. Вольфрам применяется в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления в качестве нагревательных элементов. Сплав вольфрама и рения применяется в таких печах в качестве термопары.

Для механической обработки металлов и неметаллических конструкционных материалов в машиностроении (точение, фрезерование, строгание, долбление), бурения скважин, в горнодобывающей промышленности широко используются твёрдые сплавы и композитные материалы на основе карбида вольфрама (например, победит, состоящий из кристаллов WC в кобальтовой матрице; широко применяемые в России марки — ВК2, ВК4, ВК6, ВК8, ВК15, ВК25, Т5К10, Т15К6, Т30К4), а также смесей карбида вольфрама, карбида титана, карбида тантала (марки ТТ для особо тяжёлых условий обработки, например, долбление и строгание поковок из жаропрочных сталей и перфораторное ударно-поворотное бурение крепкого материала). Широко используется в качестве легирующего элемента (часто совместно с молибденом) в сталях и сплавах на основе железа. Высоколегированная сталь, относящаяся к классу «быстрорежущая», с маркировкой, начинающейся на букву Р, практически всегда содержит вольфрам. ( Р18, Р6М5. от rapid — быстрый, скорость).

Сульфид вольфрама WS₂ применяется как высокотемпературная (до 500 °C) смазка. Некоторые соединения вольфрама применяются как катализаторы и пигменты. Монокристаллы вольфраматов (вольфраматы свинца, кадмия, кальция) используются как сцинтилляционные детекторы рентгеновского излучения и других ионизирующих излучений в ядерной физике и ядерной медицине.

Дителлурид вольфрама WTe₂ применяется для преобразования тепловой энергии в электрическую (термо-ЭДС около 57 мкВ/К). Искусственный радионуклид ¹⁸⁵W используется в качестве радиоактивной метки при исследованиях вещества. Стабильный ¹⁸⁴W используется как компонент сплавов с ураном-235, применяемых в твердофазных ядерных ракетных двигателях, поскольку это единственный из распространённых изотопов вольфрама, имеющий низкое сечение захвата тепловых нейтронов (около 2 барн).

КЛАССИФИКАЦИЯ

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Интересные статьи:

СереброТигровый глаз — любимый камень ШивыБериллАлмазИндийИспользуемые источники:

• https://indicator.ru/chemistry-and-materials/tungsten-ili-volfram.htm
• http://mineralpro.ru/minerals/tungsten/