74 W 183.84
过渡金属 d-block Period 6 Group 6

W · Element 74 · Chromium group

The highest melting point of any metal — 3,422 degrees C — and the filament of the incandescent age.

20°C时的状态 固态
原子量 183.84 u
ELECTRON CONFIGURATION [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s²

结构

钨 原子

这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

性质表

每个条形图都显示钨在全部118种元素中该性质的排名位置。

物理

密度 19.25 g/cm³ 86%
熔点 3695 K 99%
沸点 5828 K 99%
比热容 0.132 J/g·K
热导率 174 W/m·K 94%

原子

原子半径 146 pm 38%
共价半径 162 pm
范德华半径 210 pm

电子

电负性 2.36 88%
电离能 758.4 kJ/mol 63%
电子亲和能 79.1 kJ/mol 64%

存在

地壳中的丰度 1.3 mg/kg 53%

身份

符号W
原子序数74
原子量183.84 u
类别过渡金属
d
晶体结构体心立方
氧化态-4, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6
发现时间1783
发现者Juan Jose & Fausto Elhuyar

来源:IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值,而非测量值。

按比例显示的大小

How big is a 钨 atom?

Radius 146 pm — that is 0.146 nm, so about 3425 million of them side by side would span a millimetre.

热范围

Solid, liquid, gas — and when

钨 is liquid over a 2133 K window, from 3695 K to 5828 K.

所在位置

在表中的位置

sits in period 6, group 6. Everything in group 6 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

OTHER 过渡金属

All 过渡金属

故事

钨 是什么,以及我们如何发现它

The highest melting point of any metal — 3,422 degrees C — and the filament of the incandescent age.

The discovery of 钨

钨的史诗般发现

钨的发现读起来像一则跨越三个世纪的科学侦探故事,其中涉及神秘的瑞典矿物、西班牙化学家和德国冶金学家。这种元素的名称在瑞典语中直译为“重石”,暗示了早期科学家面临的挑战。

1781年:Scheele之谜

Carl Wilhelm Scheele(瑞典化学家)在白钨矿中发现了一种未知酸。他意识到这种“钨酸”含有一种新的金属元素,但当时缺乏分离纯钨金属的技术。Scheele出色的化学直觉在钨首次实际应用前200年就确认了它的存在!

1783年:西班牙兄弟的突破

Juan José and Fausto Elhuyar(西班牙矿物学家)在Royal Seminary of Vergara的实验室中,成功从黑钨矿中分离出钨。他们使用来自德国矿山的样品,在极高温度下进行碳还原,制得了第一批金属钨——微小的灰色珠粒,由此开启了现代钨工业。

“我们成功获得了纯度极高、状态完美的黑钨金属物质”——Fausto Elhuyar,1783年

1841年:命名之争

钨的名称曾一度引发混乱!德国人称其为“wolfram”(狼的泡沫),因为它像贪婪的狼一样干扰锡的冶炼。瑞典人则更喜欢“tungsten”(重石)。如今,这两个名称并存:元素符号W纪念wolfram,而英语使用者称其为tungsten。

1904年:Edison的照明革命

General Electric的William Coolidge开发出了制造韧性钨丝的工艺,开启了电力照明时代。这项突破需要先在氢气氛中加热钨粉,再通过机械加工将其制成比人类头发还细的金属丝——这一工艺至今仍在使用!

克服的技术挑战

极高熔点

钨的熔点为3,695°C,超过了18世纪所有炉具技术的能力。早期化学家只能制得钨化合物,而不能制得纯金属。电弧炉的发明最终使大规模生产钨成为可能。

脆性问题

纯钨在低温下极其脆,像玻璃一样碎裂。Coolidge的突破在于在高温下加工钨,并加入微量杂质,制成适合拉丝的韧性钨。

化学鉴定

钨的复杂化学性质使早期分析人员感到困惑。这种元素具有多种氧化态,并能形成有色化合物,掩盖了它的真实身份。系统的分析化学研究最终揭示了钨的独特性质。

从实验室中的新奇发现到现代奇迹

Elhuyar兄弟绝不可能想象,他们在实验室中的发现最终会为太空任务提供动力、使医学X射线成为可能,并照亮世界各地的城市。钨从神秘的瑞典矿物发展为现代关键材料,经历了200多年的科学进步。

科学遗产

钨的发现确立了高温冶金学和难熔材料科学的基本原理。为加工钨而发展出的技术为现代航空航天、电子和核技术奠定了基础。每一盏曾经发光的白炽灯,都在向Elhuyar兄弟的开创性工作致敬。

应用

钨的用途

工业动力应用

钨在极端温度应用中占据主导地位,其非凡的3,695°C熔点使其成为现代技术不可或缺的材料。这种卓越的金属让我们的世界始终保持明亮并获得动力。

白炽照明革命

钨丝永久改变了照明技术。Edison's早期灯泡使用碳,而钨的发现促成了光亮且持久的白炽灯泡,照亮了整个20世纪。现代卤素灯泡仍然依靠钨非凡的耐热性。

X射线与医疗设备

医院的X射线机依靠钨靶产生精确的成像辐射。钨能够承受强烈的电子轰击,非常适合医疗诊断,从牙科X射线到先进的CT扫描仪都离不开它。

航空航天与空间技术

火箭喷嘴和航天器部件使用钨合金,以承受超过2,000°C的再入温度。NASA的航天飞机依靠钨增强的前缘,使宇航员能够安全返回地球。

电触点与电子设备

高压电气开关和断路器使用钨触点,因为钨能够抵抗极端电负载下的熔焊。从电网基础设施到汽车点火系统,钨让电力得以安全流动。

军事与国防应用

穿甲弹药依靠钨非凡的密度(19.3 g/cm³)和硬度。反坦克弹和动能穿甲弹使用钨芯,能够以高超音速穿透最坚固的装甲。

工业切削与机械加工

碳化钨切削工具能够轻松切穿淬硬钢。从深地下采矿用的钻头到精密外科器械,碳化钨提供无可匹敌的耐用性和锋利度,使用寿命比钢制工具长10x。

钨为何能驾驭极端温度

  • 熔点冠军:3,695°C——除碳以外,高于其他任何元素
  • 沸点巨擘:5,828°C——足以瞬间熔化大多数其他金属
  • 热导率:卓越的热传递能力可防止热冲击失效
  • 低膨胀:即使在炽热温度下也能保持精确尺寸

下一代应用

聚变反应堆将依靠钨等离子体面对材料来承受1亿度的高温。太空电梯可能使用钨-碳复合缆索,而量子计算机正在探索以钨为基础、在绝对零度下运行的超导量子比特。

日常生活中的钨

家庭与办公室照明

  • 卤素灯泡:台灯、汽车前照灯和舞台照明使用钨灯丝,其亮度比标准灯泡高30%
  • 投影灯:电影院和演示投影仪依靠高强度钨卤灯泡呈现清晰如水晶般的图像
  • 摄影工作室:专业钨灯为影视制作提供稳定的色温

车间与车库工具

  • 钻头:钨碳化物砌体和金属钻头的锋利度比普通钢钻头保持时间长10倍
  • 锯片:带有钨碳化物锯齿的圆锯片可以轻松切割硬木、金属和混凝土
  • 铣刀:带有钨碳化物刀刃的木工铣刀可在最坚硬的木材上加工出平滑、精确的切口
  • 立铣刀:CNC机床工具使用钨碳化物切削刃进行精密金属加工

珠宝与时尚

  • 结婚戒指:碳化钨戒指耐刮擦、低过敏,并能永久保持光泽
  • 表壳:奢华腕表使用钨制表壳,可抵抗刮擦并保持光亮的表面
  • 男士珠宝:钨制手镯和袖扣兼具耐用性与现代工业美感

汽车应用

  • 火花塞:高性能发动机使用钨电极,即使在极端条件下也能可靠点火
  • 前照灯灯泡:氙气和卤素前照灯含有钨灯丝,可实现最大亮度并提高道路安全
  • 赛车部件:一级方程式赛车使用钨配重块,以实现精确的重量分配和操控

令人惊叹的钨知识

钨灯泡的灯丝比人的头发还细,却能在2,500°C的温度下工作——热到足以瞬间熔化铜制硬币!然而,由于钨惊人的耐热性,它可以持续发光数千小时而不会损坏。

来源

自然存在

1.3 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 53% of elements

钨:稀土珍宝

自然界中的稀有性

钨是地球上最稀有的元素之一,在地壳中的丰度仅为百万分之1.25。作为对比,钨的稀有程度是铜的100倍、铁的1,000倍!

主要钨矿物

黑钨矿

(Fe,Mn)WO₄ - 主要的商业来源,在高温矿脉中形成深色晶体集合体。主要产于中国,中国控制着全球85%的产量。

白钨矿

CaWO₄ - 白色至黄色晶体,在紫外线下会发出明亮的蓝色荧光。澳大利亚、秘鲁和美国西部的主要矿床提供了这种优质钨矿石。

铁锰钨矿与锰钨矿

黑钨矿的富铁和富锰变种,产于玻利维亚著名的Llallagua矿以及科罗拉多州历史悠久的采矿区。

世界主要钨矿床

中国(全球产量的85%)

江西省大余矿和湖南省柿竹园矿占据了全球供应的主导地位。中国严格的出口管制使钨成为一种战略金属。

俄罗斯

位于高加索山脉的西伯利亚Tyrnyauz矿床,在世界最大的多金属矿床之一中同时含有钨和钼。

加拿大

西北地区的Cantung矿从中国以外最丰富的矿床之一中生产高品位钨矿石。

美国

科罗拉多州的博尔德县和加利福尼亚州东部内华达山脉地区拥有历史悠久的钨矿,在两次世界大战期间为美国提供了钨。

钨在自然界中的形成方式

钨会富集在热液矿脉中,过热水(300-600°C)将溶解的钨化合物带到地下深处。随着溶液冷却,钨与石英一起沉淀,形成矿工寻找的典型“黑钨矿矿脉”。

大多数矿床形成于花岗岩侵入体附近,岩浆的热量驱动热液循环,使周围岩石中的痕量钨得到富集。

采矿挑战

钨的极高硬度使其开采十分困难。矿石必须被粉碎成粉末,然后利用磁选和重力分选技术进行分离。所得精矿还需要经过高温氢还原才能制得纯钨金属——这一过程会消耗极其巨大的能量。

战略金属地位

钨的稀有性和战略重要性促使美国将其列为“关键矿产”。第二次世界大战期间,钨因用于穿甲弹药和喷气发动机而极具价值,甚至被称为“赢得战争的金属”。

处理

安全

钨安全信息

总体安全评级: 中等

纯钨金属在采取基本防护措施的情况下通常可以安全操作。但是,钨化合物和工业加工过程由于存在粉尘吸入风险和化学毒性,需要采取特殊安全措施。

物理操作

  • 锋利边缘:钨的极高硬度使其断裂时会形成剃刀般锋利的边缘。操作破损的钨部件时,务必佩戴防割手套
  • 重量危害:钨的高密度(19.3 g/cm³)使小块钨的重量也出人意料地大。使用正确的提 lifting techniques 防止手指被压伤
  • 脆性:冷钨可能意外碎裂,产生飞溅碎片。加工或折断钨部件时,佩戴安全眼镜
  • 保温性:由于热容量较大,加热后的钨会在较长时间内保持极高温度。操作前应留出冷却时间

吸入危害

  • 钨粉尘:细钨粉可能引起呼吸道刺激,长期接触还可能导致尘肺
  • 碳化钨:加工碳化钨工具会产生可吸入颗粒物。务必使用除尘系统和呼吸防护装备
  • 焊接烟雾:使用钨电极进行TIG焊接会产生有毒烟雾。确保通风充足,并使用合适的呼吸器
  • 硬金属病:长期接触碳化钨粉尘可能导致易感人群出现严重肺部炎症

化学危害

  • 钨化合物:六氟化钨(WF₆)具有高度毒性和腐蚀性。只能在通风橱中采取全套化学防护措施进行操作
  • 酸反应:钨会溶解于热硝酸中,并产生有毒的氮氧化物。没有适当通风时,严禁在酸性溶液中加热钨
  • 氟化物生成:某些钨加工过程会产生氟化氢气体,具有极高危险性。应使用适当的检测设备监测HF暴露

应急处理程序

眼睛接触

立即用清水冲洗15分钟。如隐形眼镜容易取下,应将其取出。若接触化学品或有金属碎片进入眼睛,应立即就医。

皮肤接触

脱去受污染的衣物。用肥皂和水清洗受影响部位。若被锋利的钨割伤,应控制出血;深度伤口需就医。

吸入

立即转移到空气新鲜处。如果呼吸困难,条件允许时提供氧气。若呼吸道症状持续,或疑似接触钨化合物,应就医。

火灾/爆炸

细分散的钨粉可能燃烧。使用干砂或D类灭火器。钨火灾严禁用水灭火,因为水可能引起剧烈反应。

必需的防护装备

  • 呼吸防护:处理钨粉尘或钨化合物时,使用NIOSH批准的呼吸器
  • 眼部防护:佩戴带侧护板的安全眼镜;进行研磨操作时使用面罩
  • 手部防护:操作时佩戴防割手套;处理钨化合物时佩戴耐化学品手套
  • 身体防护:穿实验室外套或防护服;操作重型钨部件时穿钢包头靴

安全储存与处置

将钨储存在干燥、通风良好的区域,远离强酸和氧化剂。钨具有战略价值,应尽可能回收钨废料。应遵循当地法规,通过有资质的危险废物处理设施处置钨化合物。

快速回答

钨:常见问题

What is 钨?

钨 (symbol W) is element 74 on the periodic table, a 过渡金属 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.

What is the electron configuration of 钨?

钨's ground-state electron configuration is [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s², giving 6 occupied shells holding 2, 8, 18, 32, 12, 2 electrons respectively.

What are the melting and boiling points of 钨?

钨 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.

What is the atomic mass of 钨?

The standard atomic weight of 钨 is 183.84 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is 钨?

钨 has a density of 19.25 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 钨 is about 19.3× heavier.

What is the electronegativity of 钨?

钨 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.

Who discovered 钨, and when?

钨 was discovered in 1783 by Juan Jose & Fausto Elhuyar. It is named after swedish tung sten, "heavy stone".

How common is 钨 on Earth?

钨 makes up about 1.3 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.