Строение
Это не схема 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 связей.
Измеренные значения
Каждая полоса показывает, какое место вольфрам занимает среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные массы IUPAC 2021 года · Справочник химии и физики CRC · NIST. Значения, отмеченные ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Radius 146 pm — that is 0.146 nm, so about 3425 million of them side by side would span a millimetre.
Тепловой диапазон
Вольфрам is liquid over a 2133 K window, from 3695 K to 5828 K.
История
The highest melting point of any metal — 3,422 degrees C — and the filament of the incandescent age.
История открытия вольфрама похожа на научный детектив, охватывающий три столетия и включающий загадочные шведские минералы, испанских химиков и немецких металлургов. Название элемента буквально означает «тяжёлый камень» по-шведски, что намекает 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 вольфрамовой промышленности.
«Нам удалось получить металлическое вещество вольфрама в состоянии совершенной чистоты» — Fausto Elhuyar, 1783
Вокруг названия вольфрама царила путаница. Немцы называли его «вольфрамом» (волчья пена), потому что он мешал выплавке олова подобно прожорливому волку. Шведы предпочитали название «тунгстен» (тяжёлый камень). Сегодня оба названия сосуществуют: символ элемента W напоминает о вольфраме, а англоязычные люди говорят tungsten.
William Coolidge в General Electric разработал процесс изготовления пластичной вольфрамовой проволоки, положив начало эпохе электрического освещения. Для этого прорыва требовалось нагревать вольфрамовый порошок в атмосфере водорода, а затем механически вытягивать его в проволоку тоньше человеческого волоса — этот процесс используется до сих пор.
Температура плавления вольфрама 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 раскалывается, 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 ставила в тупик первых аналитиков. Элемент образует несколько степеней окисления и окрашенные соединения, которые скрывали его истинную природу. Систематическая аналитическая химия наконец раскрыла уникальные свойства вольфрама.
Братья Elhuyar не могли представить, что их лабораторное открытие в итоге будет обеспечивать космические миссии, делать возможными медицинские рентгеновские исследования и освещать города по всему миру. Путь вольфрама от загадочного 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, создали основу для современной аэрокосмической отрасли, электроники и ядерных технологий. Каждая когда-либо светившаяся лампа накаливания отдаёт дань уважения новаторской работе братьев Elhuyar.
Применение
Вольфрам занимает ведущее место в применениях, связанных с экстремальными температурами: 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 Edison использовался углерод, однако открытие вольфрама сделало возможными яркие и долговечные лампы накаливания, осветившие XX век. Современные галогенные лампы по-прежнему используют невероятную термостойкость вольфрама.
Больничные рентгеновские аппараты используют вольфрамовые мишени для создания точного диагностического излучения. Способность вольфрама выдерживать интенсивную бомбардировку электронами делает его идеальным для медицинской диагностики — от стоматологических рентгеновских снимков до современных компьютерных томографов.
В ракетных соплах и компонентах космических аппаратов используются вольфрамовые сплавы, выдерживающие температуры при входе в атмосферу свыше 2,000°C. Космические челноки NASA полагались на 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 при экстремальных электрических нагрузках. От инфраструктуры электросетей до автомобильных систем зажигания — вольфрам обеспечивает безопасное прохождение электрического тока.
Бронебойные боеприпасы используют невероятные плотность (19.3 g/cm³) и твёрдость вольфрама. Снаряды для поражения танков и кинетические бронебойные сердечники имеют вольфрамовые сердечники, способные пробивать самую прочную броню на гиперзвуковых скоростях.
Режущие инструменты из карбида вольфрама прорезают закалённую сталь словно масло. От буровых коронок, добывающих полезные ископаемые глубоко под землёй, до высокоточных хирургических инструментов — карбид вольфрама обеспечивает непревзойдённые долговечность и остроту, сохраняя их в 10 раз дольше стальных инструментов.
Термоядерные реакторы будут полагаться на обращённые к плазме материалы из вольфрама для выдерживания температур в 100-миллионов градусов. В космических лифтах могут использоваться тросы из композита вольфрам—углерод, а в квантовых компьютерах исследуются сверхпроводящие кубиты на основе вольфрама, работающие при абсолютном нуле.
Вольфрамовая нить лампы, 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 термостойкости вольфрама.
Откуда он берётся
1.3 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 53% of elements
Вольфрам относится к числу самых редких элементов на Земле: его распространённость в земной коре составляет всего 1.25 частей на миллион. Для сравнения: вольфрам встречается в 100 раз реже меди и в 1,000 раз реже железа.
(Fe,Mn)WO₄ — основной промышленный источник, образующий тёмные кристаллические массы в высокотемпературных жилах. В основном добывается в China, на которую приходится 85% мирового производства.
CaWO₄ — кристаллы от белого до жёлтого цвета, которые ярко светятся синим под ультрафиолетовым светом. Крупные месторождения в Australia, Peru и западной части United States обеспечивают поставки этой высококачественной вольфрамовой руды.
Железистая и марганцевая разновидности вольфрамита, обнаруженные в легендарной шахте Llallagua в Bolivia и исторических горнодобывающих районах Colorado.
Шахты Dayu в провинции Jiangxi и Shizhuyuan в провинции Hunan определяют мировые объёмы поставок. Жёсткий экспортный контроль China делает вольфрам стратегическим металлом.
Месторождение Tyrnyauz в Siberia, в Кавказских горах, содержит вольфрам и молибден и относится к крупнейшим полиметаллическим месторождениям мира.
Шахта Cantung в Northwest Territories добывает высококачественную вольфрамовую руду из одного из самых богатых месторождений за пределами China.
В Boulder County в Colorado и в Eastern Sierra в California находятся исторические вольфрамовые шахты, снабжавшие America 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 ищут горняки.
Большинство месторождений формируется рядом с гранитными интрузиями, где тепло магмы вызывает гидротермальную циркуляцию, концентрирующую вольфрам, присутствующий в следовых количествах в окружающих породах.
Экстремальная твёрдость вольфрама затрудняет его добычу. Руду необходимо измельчить до порошка, а затем разделить с помощью магнитных методов и гравитационного обогащения. Полученный концентрат требует восстановления водородом при высокой температуре для получения чистого металлического вольфрама — процесс потребляет огромное количество энергии.
Редкость и стратегическая важность вольфрама привели к тому, что U.S. классифицировала его как «критически важный минерал». Во время WWII вольфрам был настолько ценен, что его называли «металлом, который выиграл войну» из-за его использования в бронебойных боеприпасах и реактивных двигателях.
Обращение
С чистым металлическим вольфрамом обычно безопасно работать при соблюдении 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 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.
Мелкодисперсный порошок вольфрама может быть горючим. Используйте сухой песок или огнетушитель класса D. Никогда не применяйте воду для тушения пожаров вольфрама, поскольку это может вызвать бурные реакции.
Храните вольфрам в сухих, хорошо проветриваемых помещениях вдали от сильных кислот и окислителей. Отходы вольфрама по возможности следует перерабатывать из-за его стратегической ценности. Утилизируйте соединения вольфрама через лицензированные предприятия по обращению с опасными отходами в соответствии с местными нормативами.
Краткие ответы
Вольфрам (symbol W) is element 74 on the periodic table, a переходный металл in period 6, group 6. The highest melting point of any metal — 3,422 degrees C — and the filament of the incandescent age. At room temperature it is a solid.
[Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s², giving 6 occupied shells holding 2, 8, 18, 32, 12, 2 electrons respectively.Вольфрам melts at 3695 K (3421.9 °C) and boils at 5828 K (5554.9 °C). That puts it among the most refractory elements — it stays solid at temperatures that vaporise most metals.
The standard atomic weight of Вольфрам is 183.84 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Вольфрам has a density of 19.25 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of вольфрам is about 19.3× heavier.
Вольфрам has a Pauling electronegativity of 2.36. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
Вольфрам was discovered in 1783 by Juan Jose & Fausto Elhuyar. It is named after swedish tung sten, "heavy stone".
Вольфрам makes up about 1.3 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.