74 W 钨 183.84
过渡金属 d区 第6周期 第6族

钨

W · 元素74 · 过渡金属

所有金属中熔点最高——3,422 °C——也是白炽灯时代的灯丝材料。

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

结构

钨原子

这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。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

属性表

每个条形图显示钨在全部118种元素中该属性所处的位置。

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 139 pm 30%
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%

存在情况

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
区d
晶体结构体心立方
氧化态-4, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6
发现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~的数值为预测值,而非测量值。

尺寸,按比例显示

钨的原子有多大?

半径139 pm——即0.139 nm,因此大约3.6百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。

温度范围

固态、液态、气态——以及转变时机

钨在2133 K的范围内呈液态,温度从3695 K到5828 K。

所在位置

在表中的位置

钨位于第6周期、第6族。 第6族中的所有元素具有相同的最外层电子数,因此它们的性质非常相似。

其他过渡金属

所有过渡金属

背后的故事

钨是什么,以及我们如何发现它

所有金属中熔点最高——3,422 °C——也是白炽灯时代的灯丝材料。

钨的发现

钨的史诗般发现

钨的发现如同一部跨越三个世纪的科学侦探故事,其中有神秘的瑞典矿物、西班牙化学家和德国冶金学家。元素的名称在瑞典语中字面意思是“重石”,暗示了早期科学家所面临的挑战。

1781年:舍勒之谜

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。舍勒出色的化学直觉在钨首次实际应用前200年就确定了它的存在!

1783年:西班牙兄弟的突破

Juan José and Fausto Elhuyar(西班牙矿物学家)在韦尔加拉皇家神学院的实验室中,成功从黑钨矿中分离出钨。他们使用来自德国矿山的样品,在极高温度下通过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的金属钨物质”——Fausto Elhuyar,1783年

1841年:命名之争

当时,钨的名称存在争议!德国人称其为“wolfram”(狼沫),因为它像一匹贪婪的狼一样干扰锡的冶炼。瑞典人更喜欢“tungsten”(重石)这一名称。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:爱迪生的照明革命

William Coolidge在General Electric开发出了制造韧性钨丝的工艺,开启了电气照明时代。这项突破需要先在氢气氛中加热钨粉,然后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

极高的熔点

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,而无法制得纯金属。电弧炉的发明最终使大规模钨生产成为可能。

脆性问题

纯钨在低温下极其脆,像玻璃一样容易碎裂。Coolidge的突破包括在高温下加工钨,并加入微量杂质,以制得适合拉丝的韧性钨。

化学鉴定

钨的复杂化学性质令早期分析人员困惑。该元素会形成多种氧化态和有色化合物,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、助力医学X射线成像,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。每一只曾经发光的白炽灯泡,都在向Elhuyar兄弟的开创性工作致敬。

用途

钨的用途

工业领域的核心应用

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。这种卓越的金属确实让我们的世界保持光明并持续运转。

白炽照明革命

钨丝永久改变了照明技术。Edison早期的灯泡使用碳,而钨的发现促成了明亮且持久的白炽灯泡,照亮了20世纪。现代卤素灯泡仍然依赖钨惊人的耐热性。

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,非常适合用于医疗诊断,从牙科X射线检查到先进的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,因为钨能够在极端电负载下抵抗熔焊。从电网基础设施到汽车点火系统,钨让电力得以安全输送。

军事与国防应用

穿甲弹药依靠钨惊人的密度(19.3 g/cm³)和硬度。破甲弹和动能穿 penetrator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。从用于深地下采矿的钻头到精密外科器械,碳化钨都能提供无与伦比的耐用性和锋利度,其使用寿命比钢制工具长10倍。

钨为何能驾驭极端温度

  • 熔点冠军:3,695°C——除碳以外,高于任何其他元素
  • 沸点巨擘:5,828°C——高到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。太空电梯可能会使用钨-碳复合材料缆索,而量子计算机正在探索在绝对零度下运行的钨基超导量子比特。

日常生活中的钨

家庭与办公室照明

  • 卤素灯泡:台灯、汽车前照灯和舞台灯光使用钨丝,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提供清晰锐利的图像
  • 摄影工作室:专业钨灯为电影和视频制作提供稳定一致的色温

车间与车库工具

  • 钻头:钨 carbide masonry and metal drill bits stay sharp 10x longer than regular steel bits
  • 锯片:带有碳化钨锯齿的圆锯片可以轻松切割硬木、金属和混凝土
  • 铣刀:带有碳化钨刃口的木工铣刀能在最坚硬的木材上加工出平滑、精准的切口
  • 立铣刀:CNC机床使用碳化钨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、不易引起过敏,并且能永久保持光泽
  • 手表表壳:奢华手表采用钨制表壳,耐刮擦并能保持光亮的表面
  • 男士珠宝:钨制手链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,在极端条件下也能可靠点火
  • 前照灯灯泡:氙灯和卤素前照灯含有钨丝,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——热量足以瞬间熔化铜硬币!然而,凭借钨惊人的耐热性,它可以连续发光数千小时而不会失效。

来源

自然存在

地壳中含量为1.3 mg/kg · 比53%的元素更丰富

钨:稀有的地球宝藏

自然界中的稀缺性

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块。主要产于中国,中国控制着全球产量的85%。

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、秘鲁和美国西部的大型矿床提供了这种优质钨矿。

钨铁矿和钨锰矿

在玻利维亚传奇般的利亚利亚瓜矿和科罗拉多州历史悠久的矿区发现的富铁型和富锰型黑钨矿。

世界主要钨矿床

中国(占全球产量的85%)

江西省大余矿和湖南省柿竹园矿主导着世界供应。中国严格的出口管制使钨成为一种战略金属。

俄罗斯

高加索山脉的西伯利亚特尔尼奥兹矿床同时含有钨和钼,是世界上最大的多金属矿床之一。

加拿大

西北地区的坎通矿从中国以外最富集的矿床之一中生产高品位钨矿。

美国

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

钨如何在自然界中形成

钨集中在热液矿脉中,过热的水(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,形成矿工寻找的特征性“黑钨矿矿脉”。

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

采矿挑战

钨的极高硬度使其开采十分困难。矿石必须粉碎成粉末,然后使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生产出纯钨金属,这一过程会消耗大量能源。

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)使小块钨的重量也会出人意料地大。使用正确的搬运技巧,防止手指被压伤
  • 脆性:冷钨可能会意外碎裂,产生飞溅碎片。加工或破碎钨部件时,佩戴安全眼镜
  • 热量保持:由于热容量大,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用品
  • 焊接烟雾:使用钨电极进行TIG焊接会产生有毒烟雾。确保通风充分,并使用适当的呼吸器
  • 硬金属病:长期接触碳化钨粉尘可能导致敏感个体出现严重的肺部炎症

化学危害

  • 钨化合物:六氟化钨(WF₆)具有高毒性和腐蚀性。只能在通风橱中使用全面的化学防护用品进行操作
  • 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,切勿在酸性溶液中加热钨
  • 氟化物形成:某些钨加工过程会产生氟化氢气体,极其危险。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。如果隐形眼镜容易取下,应将其取出。因化学品暴露或金属碎片进入眼睛时,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。因锋利钨片造成割伤时,应控制出血;伤口较深时应就医。

吸入

立即转移到空气新鲜处。如果呼吸困难,在条件允许时供氧。出现持续性呼吸道症状或疑似接触钨化合物时,应就医。

火灾/爆炸

钨粉在高度分散时可能燃烧。使用干砂或D类灭火器。钨发生火灾时切勿用水灭火,因为水可能引起剧烈反应。

必需的防护用品

  • 呼吸防护:处理钨粉尘或钨化合物时,佩戴经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,搬运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。鉴于钨具有战略价值,钨废料应尽可能回收。钨化合物应遵循当地法规,通过获得许可的危险废物处理设施进行处置。

快速解答

钨:常见问题

钨是什么?

钨(符号W)是元素周期表中的第74号元素,属于6周期6族的过渡金属。 所有金属中熔点最高——3,422 °C——也是白炽灯时代的灯丝材料。 在室温下为固态。

钨的电子排布是什么?

钨的基态电子排布为[Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s²,共有6个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 18, 32, 12, 2。

钨的熔点和沸点是多少?

钨在3695 K(3421.9 °C)熔化,在5828 K(5554.9 °C)沸腾。 因此它属于最耐高温的元素之列——在能使大多数金属汽化的温度下,它仍保持固态。

钨的原子量是多少?

钨的标准原子量为183.84 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。

钨的密度是多少?

钨的密度为19.25 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此钨块约重19.3倍。

钨的电负性是多少?

钨的鲍林电负性为2.36。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 处于这一中间范围的数值通常对应共价键,而不是强离子键。

谁发现了钨,是在什么时候?

钨由Juan Jose & Fausto Elhuyar于1783年发现。 它以瑞典语 tung sten,“重石”命名。

钨在地球上有多常见?

钨约占地壳的1.3 mg/kg——不常见,但并不稀有。