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.
结构
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。
测量值
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。
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
Radius 146 pm — that is 0.146 nm, so about 3425 million of them side by side would span a millimetre.
热范围
钨 is liquid over a 2133 K window, from 3695 K to 5828 K.
故事
The highest melting point of any metal — 3,422 degrees C — and the filament of the incandescent age.
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。
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!
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
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。
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!
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
1.3 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 53% of elements
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!
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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 (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.
[Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s², giving 6 occupied shells holding 2, 8, 18, 32, 12, 2 electrons respectively.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.
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.
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.
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.
钨 was discovered in 1783 by Juan Jose & Fausto Elhuyar. It is named after swedish tung sten, "heavy stone".
钨 makes up about 1.3 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.