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。
结构
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。
测量值
每个条形图显示钨在全部118种元素中该属性所处的位置。
来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。
尺寸,按比例显示
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
钨在2133 K的范围内呈液态,温度从3695 K到5828 K。
背后的故事
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。
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!
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
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。
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!
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
地壳中含量为1.3 mg/kg · 比53%的元素更丰富
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块。主要产于中国,中国控制着全球产量的85%。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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(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。
[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。
钨由Juan Jose & Fausto Elhuyar于1783年发现。 它以瑞典语 tung sten,“重石”命名。
钨约占地壳的1.3 mg/kg——不常见,但并不稀有。