WOLFRAM: GESCHICHTE, EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, VERWENDUNG - CHEMIE - 2024

Das Wolfram- , Wolfram- oder Wolfram-Schwermetall ist ein Übergang, dessen chemisches Symbol W ist. Es befindet sich in der Periode 6 Gruppe 6 des Periodensystems und der Ordnungszahl 74. Sein Name hat zwei etymologische Bedeutungen: Hartstein und Wolfsschaum; Das zweite ist, weil dieses Metall auch als Wolfram bekannt ist.

Es ist ein silbergraues Metall und obwohl es spröde ist, hat es eine große Härte, Dichte und hohe Schmelz- und Siedepunkte. Daher wurde es in all jenen Anwendungen verwendet, die hohe Temperaturen, Drücke oder mechanische Kräfte beinhalten, wie Bohrer, Projektile oder strahlungsemittierende Filamente.

Wolframstab mit seiner teilweise oxidierten Oberfläche. Quelle: Hochauflösende Bilder chemischer Elemente

Die bekannteste Verwendung für dieses Metall auf kultureller und populärer Ebene sind die Filamente von Glühbirnen. Wer mit ihnen umgegangen ist, wird erkennen, wie zerbrechlich sie sind; Sie bestehen jedoch nicht aus reinem Wolfram, das formbar und duktil ist. Darüber hinaus bietet es in metallischen Matrices wie Legierungen eine ausgezeichnete Beständigkeit und Härte.

Es zeichnet sich dadurch aus, dass es das Metall mit dem höchsten Schmelzpunkt ist und auch dichter als Blei selbst ist und nur von anderen Metallen wie Osmium und Iridium übertroffen wird. Ebenso ist es das schwerste Metall, von dem bekannt ist, dass es eine biologische Rolle im Körper spielt.

Das Wolframatanion WO ₄ ^2- ist an den meisten seiner ionischen Verbindungen beteiligt , die in einem sauren Medium zu Clustern polymerisieren können. Andererseits kann Wolfram intermetallische Verbindungen bilden oder mit Metallen oder anorganischen Salzen gesintert werden, so dass seine Feststoffe unterschiedliche Formen oder Konsistenzen annehmen.

Es ist in der Erdkruste mit nur 1,5 Gramm dieses Metalls pro Tonne nicht sehr häufig. Da es ein schweres Element ist, ist sein Ursprung außerdem intergalaktisch; speziell von Supernova-Explosionen, die während ihrer Entstehung „Jets“ von Wolframatomen auf unseren Planeten geworfen haben müssen.

Geschichte

Etymologie

Die Geschichte von Wolfram oder Wolfram hat zwei Gesichter, genau wie ihre Namen: ein Schweizer und das andere Deutsche. In den 1600er Jahren arbeiteten Bergleute in Regionen, die derzeit von Deutschland und Österreich besetzt sind, daran, Kupfer und Zinn zu gewinnen, um Bronzen herzustellen.

Bis dahin hatten die Bergleute einen Dorn im Auge: Es gab ein äußerst schwer zu schmelzendes Mineral; Mineral bestehend aus Wolframit (Fe, Mn, Mg) WO ₄ , das das Zinn zurückhielt oder "verschlang", als wäre es ein Wolf.

Daher die Etymologie für dieses Element, "Wolf" für Wolf auf Spanisch, ein Wolf, der Zinn aß; und 'Widder' aus Schaum oder Creme, dessen Kristalle einem langen schwarzen Fell ähnelten. So entstand zu Ehren dieser ersten Beobachtungen der Name "Wolfram" oder "Wolfram".

1758 wurde auf Schweizer Seite ein ähnliches Mineral, Scheelit, CaWO ₄ , als "Tung Sten" bezeichnet, was "harter Stein" bedeutet.

Beide Namen, Wolfram und Wolfram, werden häufig austauschbar verwendet, je nach Kultur. In Spanien zum Beispiel und in Westeuropa ist dieses Metall am besten als Wolfram bekannt. während auf dem amerikanischen Kontinent der Name Wolfram vorherrscht.

Anerkennung und Entdeckung

Damals war bekannt, dass es zwischen dem 17. und 18. Jahrhundert zwei Mineralien gab: Wolframit und Scheelit. Aber wer hat gesehen, dass in ihnen ein Metall war, das sich von den anderen unterscheidet? Sie konnten nur als Mineralien charakterisiert werden, und 1779 analysierte der irische Chemiker Peter Woulfe Wolfram sorgfältig und folgerte die Existenz von Wolfram.

Auch auf Schweizer Seite konnte Carl Wilhelm Scheele 1781 Wolfram als WO ₃ isolieren ; und noch mehr erhielt er Wolframsäure (oder Wolframsäure), H ₂ WO ₄ und andere Verbindungen.

Dies reichte jedoch nicht aus, um an das reine Metall zu gelangen, da diese Säure reduziert werden musste; das heißt, es wird einem Prozess unterzogen, bei dem es sich vom Sauerstoff löst und als Metall kristallisiert. Carl Wilhelm Scheele verfügte nicht über die geeigneten Öfen oder Methoden für diese chemische Reduktionsreaktion.

Hier kamen die spanischen Brüder d'Elhuyar, Fausto und Juan José, in Aktion und reduzierten beide Mineralien (Wolframit und Scheelit) mit Kohle in der Stadt Bergara. Die beiden erhalten das Verdienst und die Ehre, Entdecker des metallischen Wolframs (W) zu sein.

Stähle und Glühbirnen

Jede Glühbirne mit Wolframfaden. Quelle: Pxhere.

Wie andere Metalle bestimmen seine Verwendungen seine Geschichte. Zu den bekanntesten am Ende des 19. Jahrhunderts gehörten die Stahl-Wolfram-Legierungen und die Wolframfilamente als Ersatz für die Kohlenstoff-Filamente in den elektrischen Glühbirnen. Man kann sagen, dass die ersten Glühbirnen, wie wir sie kennen, zwischen 1903 und 1904 vermarktet wurden.

Eigenschaften

Aussehen

Es ist ein glänzendes silbergraues Metall. Zerbrechlich, aber sehr hart (nicht zu verwechseln mit Zähigkeit). Wenn das Stück von hoher Reinheit ist, wird es formbar und hart, so viel oder mehr wie mehrere Stähle.

Ordnungszahl

74.

Molmasse

183,85 g / mol.

Schmelzpunkt

3422 ° C.

Siedepunkt

5930 ° C.

Dichte

19,3 g / ml.

Schmelzwärme

52,31 kJ / mol.

Verdampfungswärme

774 kJ / mol.

Molare Wärmekapazität

24,27 kJ / mol.

Mohs Härte

7.5.

Elektronegativität

2,36 auf der Pauling-Skala.

Atomradio

139 Uhr

Elektrischer widerstand

52,8 nΩ · m bei 20 ° C.

Isotope

Es kommt vorwiegend in der Natur als fünf Isotope vor: ¹⁸² W, ¹⁸³ W, ¹⁸⁴ W, ¹⁸⁶ W und ¹⁸⁰ W. Entsprechend der Molmasse von 183 g / mol, die die Atommassen dieser Isotope (und der anderen) mittelt dreißig Radioisotope), jedes Wolfram oder Wolframatom hat ungefähr einhundertzehn Neutronen (74 + 110 = 184).

Chemie

Es ist ein Metall, das sehr korrosionsbeständig ist, da seine dünne Schicht aus WO ₃ es vor dem Angriff von Sauerstoff, Säure und Laugen schützt. Sobald es gelöst und mit anderen Reagenzien ausgefällt ist, werden seine Salze erhalten, die Wolframate oder Wolframate genannt werden; in ihnen hat Wolfram normalerweise eine Oxidationsstufe von +6 (vorausgesetzt, es gibt W ⁶⁺ -Kationen ).

Säure-Clustering

Decatungstate, ein Beispiel für Wolframpolyoxometallate. Quelle: Scifanz

Chemisch gesehen ist Wolfram ziemlich speziell, da seine Ionen dazu neigen, sich zu Heteropolysäuren oder Polyoxometallaten zusammenzuschließen. Was sind Sie? Sie sind Gruppen oder Cluster von Atomen, die zusammenkommen, um einen dreidimensionalen Körper zu definieren. Hauptsächlich eine mit einer kugelförmigen käfigartigen Struktur, in der sie ein anderes Atom „einschließen“.

Alles beginnt mit dem Wolframatanion WO ₄ ^2- , das in einem sauren Medium schnell protoniert (HWO ₄ ^- ) und sich mit einem benachbarten Anion unter Bildung von ^2- bindet ; und dies wiederum verbindet sich mit einem anderen ^2-, um das ^{4- zu erzeugen} . Also weiter, bis mehrere politische Statistiken in Lösung sind.

Die Paratungstate A und B, ^6- bzw. H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ^10- sind eines der bekanntesten dieser Polyanionen.

Es kann schwierig sein, Ihre Lewis-Skizze und -Strukturen zu erstellen. Im Prinzip reicht es jedoch aus, sie als Sätze von WO ₆ -Oktaedern (oberes Bild) zu visualisieren .

Beachten Sie, dass diese grauen Oktaeder am Ende den Dekatungstat, einen Politungstat, definieren. Wenn ein Heteroatom (zum Beispiel Phosphor) darin enthalten wäre, wäre es ein Polyoxometallat.

Struktur und elektronische Konfiguration

Kristalline Phasen

Wolframatome definieren einen Kristall mit einer kubisch-raumzentrierten Struktur (bcc). Diese kristalline Form ist als α-Phase bekannt; Die β-Phase ist zwar ebenfalls kubisch, aber etwas dichter. Beide Phasen oder kristalline Formen α und β können unter normalen Bedingungen im Gleichgewicht nebeneinander existieren.

Die kristallinen Körner der α-Phase sind isometrisch, während die der β-Phase Säulen ähneln. Unabhängig vom Kristall wird er von den Metallbindungen bestimmt, die die W-Atome fest zusammenhalten. Andernfalls könnten die hohen Schmelz- und Siedepunkte oder die hohe Härte und Dichte von Wolfram nicht erklärt werden.

Metallische Bindung

Wolframatome müssen irgendwie fest gebunden sein. Um eine Vermutung anzustellen, muss zunächst die Elektronenkonfiguration dieses Metalls beobachtet werden:

4f ¹⁴ 5d ⁴ 6s ²

Die 5d-Orbitale sind sehr groß und unscharf, was bedeuten würde, dass zwischen zwei nahe gelegenen W-Atomen effektive Orbitalüberlappungen bestehen. Auch die 6s-Orbitale tragen zu den resultierenden Banden bei, jedoch in geringerem Maße. Während die 4f-Orbitale "tief im Hintergrund" sind und daher ihr Beitrag zur Metallbindung geringer ist.

Dies, die Größe der Atome und die kristallinen Körner sind die Variablen, die die Härte von Wolfram und seine Dichte bestimmen.

Oxidationszustände

In metallischem Wolfram oder Wolfram haben die W-Atome eine Oxidationsstufe von Null (W ⁰ ). Zurück zur elektronischen Konfiguration: Die 5d- und 6s-Orbitale können von Elektronen "entleert" werden, je nachdem, ob sich W in Gesellschaft hochelektronegativer Atome wie Sauerstoff oder Fluor befindet.

Wenn die beiden 6s-Elektronen verloren gehen, hat Wolfram eine Oxidationsstufe +2 (W ²⁺ ), wodurch sich sein Atom zusammenzieht.

Wenn es auch alle Elektronen in seinen 5d-Orbitalen verliert, wird seine Oxidationsstufe +6 (W ⁶⁺ ); Von hier aus kann es (theoretisch) nicht positiver werden, da die internen 4f-Orbitale große Energien benötigen würden, um ihre Elektronen zu entfernen. Mit anderen Worten ist die positivste Oxidationsstufe +6, wobei das Wolfram noch kleiner ist.

Dieses Wolfram (VI) ist unter sauren Bedingungen oder in vielen sauerstoffhaltigen oder halogenierten Verbindungen sehr stabil. Andere mögliche und positive Oxidationsstufen sind: +1, +2, +3, +4, +5 und +6.

Wolfram kann auch Elektronen gewinnen, wenn es sich mit Atomen verbindet, die weniger elektronegativ sind als es selbst. In diesem Fall werden seine Atome größer. Es kann maximal vier Elektronen gewinnen; das heißt, eine Oxidationsstufe von -4 (W ^4- ) haben.

Erhalten

Es wurde bereits erwähnt, dass Wolfram in den Mineralien Wolframit und Scheelit enthalten ist. Je nach Verfahren werden daraus zwei Verbindungen erhalten: Wolframoxid, WO ₃ oder Ammoniumparatungstat, (NH ₄ ) ₁₀ (H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ) · 4H ₂ O (oder ATP). Beide können mit Kohlenstoff über 1050 ° C zu metallischem W reduziert werden.

Es ist wirtschaftlich nicht rentabel, Wolframbarren herzustellen, da sie viel Wärme (und Geld) benötigen würden, um sie zu schmelzen. Deshalb ist es bevorzugt, es in Pulverform herzustellen, um es sofort mit anderen Metallen zu behandeln, um Legierungen zu erhalten.

Erwähnenswert ist, dass China das Land mit der weltweit größten Wolframproduktion ist. Auf dem amerikanischen Kontinent stehen Kanada, Bolivien und Brasilien ebenfalls auf der Liste der größten Produzenten dieses Metalls.

Anwendungen

Ein Ring aus Wolframcarbid - ein Beispiel dafür, wie die Härte dieses Metalls verwendet werden kann, um Materialien zu verewigen und zu härten. Quelle: SolitaryAngel (SolitaryAngel)

Hier sind einige der bekannten Verwendungen für dieses Metall:

- Seine Salze wurden verwendet, um Baumwolle aus alten Theaterkleidern zu färben.

- In Kombination mit Stahl härtet es noch mehr aus und kann sogar mechanischen Schnitten bei hohen Geschwindigkeiten widerstehen.

-Sinterwolframfilamente werden seit über hundert Jahren in Glühbirnen und Halogenlampen eingesetzt. Aufgrund seines hohen Schmelzpunktes diente es auch als Material für Kathodenstrahlröhren und für die Düsen von Raketentriebwerken.

-Ersetzt Blei bei der Herstellung von Projektilen und radioaktiven Schilden.

-Tungsten-Nanodrähte können in pH- und gasempfindlichen Nanogeräten verwendet werden.

Wolframkatalysatoren wurden verwendet, um die Schwefelproduktion in der Ölindustrie zu bewältigen.

Wolframcarbid ist die am weitesten verbreitete aller Verbindungen. Von der Verstärkung von Schneid- und Bohrwerkzeugen über die Herstellung von militärischen Rüstungsteilen bis hin zur Bearbeitung von Holz, Kunststoff und Keramik.

Risiken und Vorsichtsmaßnahmen

Biologisch

Als relativ seltenes Metall in der Erdkruste sind seine negativen Auswirkungen gering. In sauren Böden können Polyungstate die Enzyme, die Molybdatanionen verwenden, nicht beeinflussen. In ^Grundböden greift WO ₄ ^2- jedoch (positiv oder negativ) in die Stoffwechselprozesse von MoO ₄ ^2- und Kupfer ein.

Pflanzen können zum Beispiel lösliche Wolframverbindungen absorbieren, und wenn ein Tier sie frisst und dann nach dem Verzehr seines Fleisches W-Atome in unseren Körper gelangen. Die meisten werden im Urin und im Kot ausgestoßen, und es ist wenig bekannt, was mit dem Rest von ihnen passiert.

Tierstudien haben gezeigt, dass sie beim Einatmen hoher Konzentrationen von pulverisiertem Wolfram ähnliche Symptome wie Lungenkrebs entwickeln.

Bei Verschlucken müsste ein erwachsener Mensch Tausende von Gallonen Wasser trinken, das mit Wolframsalzen angereichert ist, um eine merkliche Hemmung der Enzyme Cholinesterase und Phosphatase zu zeigen.

Körperlich

Im Allgemeinen ist Wolfram ein wenig toxisches Element, und daher gibt es nur wenige Umweltrisiken für Gesundheitsschäden.

Vermeiden Sie bei metallischem Wolfram das Einatmen des Staubes. und wenn die Probe fest ist, sollte bedacht werden, dass sie sehr dicht ist und physische Schäden verursachen kann, wenn sie fallen gelassen wird oder auf andere Oberflächen trifft.

Verweise

1. Bell Terence. (sf). Wolfram (Wolfram): Eigenschaften, Produktion, Anwendungen und Legierungen. Die Balance. Wiederhergestellt von: thebalance.com
2. Wikipedia. (2019). Wolfram. Wiederhergestellt von: en.wikipedia.org
3. Lenntech BV (2019). Wolfram. Wiederhergestellt von: lenntech.com
4. Jeff Desjardins. (1. Mai 2017). Die Geschichte von Wolfram, dem stärksten natürlichen Metall der Erde. Wiederhergestellt von: visualcapitalist.com
5. Doug Stewart. (2019). Fakten zu Wolframelementen. Wiederhergestellt von: chemicool.com
6. Art Fisher und Pam Powell. (sf). Wolfram. Universität von Nevada. Wiederhergestellt von: unce.unr.edu
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2. März 2019). Wolfram oder Wolfram Fakten. Wiederhergestellt von :oughtco.com