Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение вольфрам среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 139 pm — это 0,139 нм, поэтому около 3,6 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Вольфрам находится в жидком состоянии в диапазоне 2133 K — от 3695 K до 5828 K.
Положение
История
Самая высокая температура плавления среди всех металлов — 3 422 °C — и нить накаливания эпохи ламп.
История открытия вольфрама напоминает научный детектив, растянувшийся на три столетия и связанный с таинственными шведскими минералами, испанскими химиками и немецкими металлургами. Название элемента буквально означает «тяжёлый камень» по-шведски, намекая на трудности, с которыми столкнулись учёные-первопроходцы.
Carl Wilhelm Scheele (шведский химик) обнаружил неизвестную кислоту в минерале шеелите. Он понял, что эта «вольфрамовая кислота» содержит новый металлический элемент, но не располагал технологиями для выделения чистого металлического вольфрама. Блестящая химическая интуиция Шееле позволила установить существование вольфрама за 200 лет до появления его первых практических применений.
Juan José and Fausto Elhuyar (испанские минералоги) успешно выделили вольфрам из вольфрамитовой руды в своей лаборатории при Королевской семинарии в Вергáре. Работая с образцами из немецких рудников, они использовали восстановление углеродом при экстремально высоких температурах и получили первый металлический вольфрам — крошечные серые шарики, положившие начало современной промышленности вольфрама.
«Нам удалось получить металлическое вещество вольфрама в абсолютно чистом виде» — Fausto Elhuyar, 1783
Вокруг названия вольфрама царила путаница. Немцы называли его «вольфрамом» (волчья пена), потому что он мешал выплавке олова, подобно ненасытному волку. Шведы предпочитали название «тунгстен» (тяжёлый камень). Сегодня оба названия сосуществуют: символ элемента W отдаёт дань названию wolfram, а англоязычные люди говорят tungsten.
William Coolidge в General Electric разработал процесс изготовления пластичной вольфрамовой проволоки, положив начало эпохе электрического освещения. Этот прорыв потребовал нагревания порошка вольфрама в атмосфере водорода с последующей механической обработкой и вытягиванием в проволоку тоньше человеческого волоса — этот процесс используется и сегодня.
Температура плавления вольфрама, составляющая 3 695°C, превышала возможности любой печной технологии 1700-х годов. Ранние химики могли получать только соединения вольфрама, но не чистый металл. Изобретение электродуговых печей наконец позволило наладить крупномасштабное производство вольфрама.
Чистый вольфрам чрезвычайно хрупок в холодном состоянии и разлетается, как стекло. Прорыв Coolidge заключался в обработке вольфрама при высоких температурах и добавлении следовых примесей для получения пластичного вольфрама, пригодного для волочения проволоки.
Сложная химия вольфрама вводила в заблуждение первых аналитиков. Элемент образует несколько степеней окисления и окрашенные соединения, которые скрывали его истинную природу. Систематическая аналитическая химия наконец выявила уникальные свойства вольфрама.
Братья Elhuyar и представить не могли, что их лабораторное открытие в конечном итоге будет обеспечивать космические миссии, использоваться в медицинских рентгеновских аппаратах и освещать города по всему миру. Путь вольфрама от таинственного шведского минерала до важнейшего современного материала охватывает более 200 лет научного прогресса.
Открытие вольфрама заложило основы высокотемпературной металлургии и материаловедения тугоплавких материалов. Методы, разработанные для работы с вольфрамом, стали основой современной аэрокосмической отрасли, электроники и ядерных технологий. Каждая когда-либо светившаяся лампа накаливания отдаёт дань новаторской работе братьев Elhuyar.
Применение
Вольфрам занимает лидирующее положение в применениях при экстремальных температурах: его необычайно высокая температура плавления 3 695°C делает его незаменимым в современных технологиях. Этот замечательный металл буквально помогает освещать и снабжать энергией наш мир.
Вольфрамовые нити навсегда изменили освещение. В первых лампах Эдисона использовался углерод, а открытие вольфрама позволило создать яркие и долговечные лампы накаливания, осветившие XX век. Современные галогенные лампы по-прежнему полагаются на невероятную жаростойкость вольфрама.
Больничные рентгеновские аппараты используют вольфрамовые мишени для создания точного радиационного изображения. Способность вольфрама выдерживать интенсивную электронную бомбардировку делает его идеальным для медицинской диагностики — от стоматологического рентгена до современных компьютерных томографов.
В соплах ракет и компонентах космических аппаратов используются вольфрамовые сплавы, выдерживающие температуры при входе в атмосферу свыше 2 000°C. Космические челноки NASA использовали усиленные вольфрамом передние кромки для безопасного возвращения астронавтов на Землю.
В высоковольтных электрических выключателях и автоматических выключателях используются вольфрамовые контакты, поскольку они устойчивы к свариванию под воздействием экстремальных электрических нагрузок. От инфраструктуры электросетей до автомобильных систем зажигания — вольфрам обеспечивает безопасное течение электричества.
Бронебойные боеприпасы используют невероятную плотность вольфрама (19.3 g/cm³) и его твёрдость. Снаряды для поражения танков и кинетические бронепробивающие элементы имеют вольфрамовые сердечники, способные пробивать самую прочную броню на гиперзвуковых скоростях.
Режущие инструменты из карбида вольфрама разрезают закалённую сталь словно масло. От буровых коронок для добычи полезных ископаемых на большой глубине до прецизионных хирургических инструментов — карбид вольфрама обеспечивает непревзойдённые долговечность и остроту, сохраняя их в 10 раз дольше стальных инструментов.
Термоядерные реакторы будут зависеть от обращённых к плазме материалов на основе вольфрама для удержания температур в 100 миллионов градусов. В космических лифтах могут использоваться композитные тросы из вольфрама и углерода, а в квантовых компьютерах исследуются сверхпроводящие кубиты на основе вольфрама, работающие при абсолютном нуле.
Вольфрамовая нить в лампе, тоньше человеческого волоса, работает при температуре 2,500°C — достаточно высокой, чтобы мгновенно расплавить медные монеты. И всё же она светится тысячи часов, не перегорая, благодаря невероятной жаропрочности вольфрама.
Откуда он происходит
1,3 мг/кг земной коры · более распространён, чем 53% элементов
Вольфрам относится к числу самых редких элементов на Земле: его распространённость в земной коре составляет всего 1.25 частей на миллион. Для сравнения: вольфрам в 100 раз встречается реже меди и в 1,000 раз реже железа.
(Fe,Mn)WO₄ - Главный промышленный источник, образующий тёмные кристаллические массы в высокотемпературных жилах. В основном встречается в Китае, на долю которого приходится 85% мировой добычи.
CaWO₄ - Белые или жёлтые кристаллы, ярко флуоресцирующие синим светом под воздействием ультрафиолета. Крупные месторождения в Австралии, Перу и западной части США дают эту высококачественную вольфрамовую руду.
Богатые железом и марганцем разновидности вольфрамита, обнаруженные в легендарной шахте Льяльягуа в Боливии и исторических горнодобывающих районах Колорадо.
Рудник Дайюй в провинции Цзянси и рудник Шичжуюань в провинции Хунань занимают ведущие позиции в мировом снабжении. Жёсткий экспортный контроль Китая делает вольфрам стратегическим металлом.
Месторождение Тырныауз на Кавказе, в Сибири, содержит и вольфрам, и молибден и является одним из крупнейших в мире полиметаллических месторождений.
Рудник Кантунг в Северо-Западных территориях добывает высокосортную вольфрамовую руду из одного из богатейших месторождений за пределами Китая.
В округе Боулдер в Колорадо и восточной части Сьерра-Невады в Калифорнии находятся исторические вольфрамовые рудники, снабжавшие Америку во время обеих мировых войн.
Вольфрам концентрируется в гидротермальных жилах, где перегретая вода (300-600°C) переносит растворённые соединения вольфрама глубоко под землю. По мере охлаждения раствора вольфрам осаждается вместе с кварцем, образуя характерные «жилы вольфрамита», которые разыскивают горняки.
Большинство месторождений формируется вблизи гранитных интрузий, где тепло магмы вызывает гидротермальную циркуляцию, концентрирующую вольфрам, присутствующий в следовых количествах в окружающих породах.
Чрезвычайная твёрдость вольфрама затрудняет его добычу. Руду необходимо измельчить до порошка, а затем разделить с помощью магнитных и гравитационных методов. Полученный концентрат требует высокотемпературного восстановления водородом для получения чистого металлического вольфрама - процесс потребляет огромное количество энергии.
Редкость и стратегическое значение вольфрама привели к тому, что США классифицировали его как «критически важный минерал». Во время Второй мировой войны вольфрам был настолько ценен, что его называли «металлом, который выиграл войну» из-за его использования в бронебойных боеприпасах и реактивных двигателях.
Обращение
Чистый металлический Вольфрам в целом безопасен при обращении с соблюдением основных мер предосторожности. Однако соединения Вольфрама и промышленная обработка требуют специальных мер безопасности из-за риска вдыхания пыли и химической токсичности.
Немедленно промывайте глаза чистой водой в течение 15 минут. Снимите контактные линзы, если это можно легко сделать. При воздействии химических веществ или попадании металлических осколков немедленно обратитесь за медицинской помощью.
Снимите загрязнённую одежду. Промойте поражённый участок водой с мылом. При порезах острым Вольфрамом остановите кровотечение и обратитесь за медицинской помощью при глубоких ранах.
Немедленно выйдите на свежий воздух. При затруднённом дыхании обеспечьте подачу кислорода, если он доступен. При сохраняющихся симптомах со стороны дыхательной системы или подозрении на воздействие соединений Вольфрама обратитесь за медицинской помощью.
Порошок Вольфрама может быть горючим в мелкодисперсном состоянии. Используйте сухой песок или огнетушитель класса D. Никогда не используйте воду при пожарах Вольфрама, поскольку это может вызвать бурные реакции.
Храните Вольфрам в сухих, хорошо проветриваемых помещениях вдали от сильных кислот и окислителей. Отходы Вольфрама следует по возможности перерабатывать из-за его стратегической ценности. Утилизируйте соединения Вольфрама через лицензированные предприятия по обращению с опасными отходами в соответствии с местными правилами.
Краткие ответы
Вольфрам (символ W) — элемент 74 в периодической таблице, представитель семейства Переходный металл в 6 периоде, 6 группе. Самая высокая температура плавления среди всех металлов — 3 422 °C — и нить накаливания эпохи ламп. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s²; она включает 6 занятых электронных оболочек с распределением 2, 8, 18, 32, 12, 2.Вольфрам плавится при 3695 K (3421.9 °C) и кипит при 5828 K (5554.9 °C). Это относит его к самым тугоплавким элементам — он остаётся твёрдым при температурах, при которых большинство металлов испаряется.
Стандартная атомная масса Вольфрам составляет 183.84 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Вольфрам составляет 19.25 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Вольфрам примерно в 19.3× тяжелее.
Электроотрицательность Вольфрам по шкале Полинга составляет 2.36. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Вольфрам был открыт в 1783 году Juan Jose & Fausto Elhuyar. Назван в честь шведское tung sten, «тяжёлый камень».
На долю Вольфрам приходится около 1.3 мг/кг земной коры — он встречается нечасто, но не является редким.