Tungsten – čo to je? Oxidačný stav volfrámu. Aplikácie volfrámu

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 05:40

Volfrám je chemický prvok, ktorého atómové číslo je 74. Tento ťažký kov od oceľovo sivej po bielu je vysoko odolný, vďaka čomu je v mnohých prípadoch jednoducho nenahraditeľný. Jeho teplota topenia je vyššia ako teplota topenia akéhokoľvek iného kovu, a preto sa používa ako vlákna v žiarovkách a vykurovacích telesách v elektrických peciach (napríklad zliatina zirkónu a volfrámu). Chémia prvku umožňuje jeho použitie ako katalyzátora. Vďaka svojej výnimočnej tvrdosti je vhodný na použitie v „vysokorezných oceliach“, ktoré umožňujú rezanie materiálov pri vyšších rýchlostiach ako uhlíkové ocele a vo vysokoteplotných zliatinách. Karbid volfrámu, zlúčenina prvku s uhlíkom, je jednou z najtvrdších známych látok a používa sa na výrobu frézovacích a sústružníckych nástrojov. Volfrámany vápnika a horčíka sa široko používajú vo fluorescenčných lampách a oxidy volfrámu sú široko používané vo farbách a keramických glazúrach.

História objavov

Existencia tohto chemického prvku bola prvýkrát navrhnutá v roku 1779 Petrom Woolfom, keď skúmal minerál wolframit a dospel kzáver, že musí obsahovať novú látku. V roku 1781 Carl Wilhelm Scheele zistil, že z volfrámu možno získať novú kyselinu. Scheele a Thorburn Bergman navrhli zvážiť možnosť získania nového kovu redukciou tejto kyseliny, nazývanej kyselina volfrámová. V roku 1783 dvaja bratia, José a Fausto Elguiar, našli vo wolframite kyselinu, ktorá bola identická s kyselinou volfrámovou. V tom istom roku sa z nej bratom podarilo izolovať volfrám pomocou dreveného uhlia.

Počas druhej svetovej vojny zohral tento chemický prvok obrovskú úlohu. Odolnosť kovu voči vysokým teplotám, ako aj extrémna pevnosť jeho zliatin urobili z volfrámu najdôležitejšiu surovinu pre vojenský priemysel. Bojovníci vyvíjajú tlak na Portugalsko ako hlavný zdroj wolframitu v Európe.

Byť v prírode

V prírode sa prvok vyskytuje vo wolframite (FeWO₄/MnWO₄), scheelite (CaWO_{4), ferberit a hübnerit. Významné ložiská týchto nerastov sa nachádzajú v USA v Kalifornii a Colorade, v Bolívii, Číne, Južnej Kórei, Rusku a Portugalsku. Asi 75 % svetovej produkcie volfrámu je sústredených v Číne. Kov sa získava redukciou jeho oxidu vodíkom alebo uhlíkom.}

Svetové zásoby sa odhadujú na 7 miliónov ton Predpokladá sa, že 30 % z nich tvoria ložiská wolframitu a 70 % scheelitu. V súčasnosti ich rozvoj nie je ekonomicky rentabilný. Pri súčasnej úrovni spotreby vydržia tieto zásoby len 140 rokov. Ďalší cenný zdrojvolfrám je recyklácia kovového šrotu.

Kľúčové funkcie

Volfrám je chemický prvok, ktorý je klasifikovaný ako prechodný kov. Jeho symbol W pochádza z latinského slova wolframium. V periodickej tabuľke je v skupine VI medzi tantalom a réniom.

Vo svojej najčistejšej forme je volfrám tvrdým materiálom v rozmedzí farieb od oceľovosivej po cínovobielu. S nečistotami sa kov stáva krehkým a ťažko sa s ním pracuje, ale ak chýbajú, môže sa rezať pílkou. Navyše sa dá kovať, valcovať a ťahať.

Volfrám je chemický prvok, ktorého teplota topenia je najvyššia spomedzi všetkých kovov (3422 °C). Má tiež najnižší tlak pár. Má tiež najvyššiu pevnosť v ťahu pri T> 1650 °C. Prvok je mimoriadne odolný voči korózii a minerálnymi kyselinami je napádaný len málo. Pri kontakte so vzduchom sa na kovovom povrchu vytvorí ochranná vrstva oxidu, ale volfrám je pri vysokých teplotách úplne oxidovaný. Keď sa do ocele pridá v malom množstve, jej tvrdosť sa dramaticky zvýši.

Izotopy

V prírode sa volfrám skladá z piatich rádioaktívnych izotopov, ktoré však majú taký dlhý polčas rozpadu, že ich možno považovať za stabilné. Všetky sa rozpadajú na hafnium-72 emisiou alfa častíc (zodpovedajúcich jadrám hélia-4). Alfa rozpad je pozorovaný iba v ¹⁸⁰W, najľahšej a najvzácnejšej z nichizotopy. V priemere nastanú dva alfa rozpady v 1 g prírodného volfrámu za rok ¹⁸⁰W.

Okrem toho bolo popísaných 27 umelých rádioaktívnych izotopov volfrámu. Najstabilnejšia z nich je ¹⁸¹W s polčasom rozpadu 121,2 dňa, ¹⁸⁵W (75,1 dňa), ¹⁸⁸ W (69, 4 dni) a ¹⁷⁸W (21, 6 dní). Všetky ostatné umelé izotopy majú polčas rozpadu kratší ako jeden deň a väčšina z nich je menej ako 8 minút. Volfrám má tiež štyri „metastabilné“stavy, z ktorých najstabilnejší je ^{179 m}W (6,4 min).

Connections

V chemických zlúčeninách sa oxidačný stav volfrámu mení z +2 na +6, z ktorých +6 je najbežnejší. Prvok sa zvyčajne viaže s kyslíkom za vzniku žltého trioxidu (WO₃), ktorý sa rozpúšťa vo vodných alkalických roztokoch ako ióny volfrámu (WO₄₂₋).

Aplikácia

Pretože volfrám má veľmi vysoký bod topenia a je tvárny (dá sa vtiahnuť do drôtu), je široko používaný ako vlákno žiaroviek a vákuových lámp, ako aj vo vykurovacích telesách elektrických pecí. Materiál navyše odolá extrémnym podmienkam. Jednou z jeho známych aplikácií je zváranie volfrámovým oblúkom v ochrannej atmosfére plynu.

Výnimočne tvrdý volfrám je ideálny komponent pre zliatiny ťažkých zbraní. Vysoká hustota sa používa v kettlebelloch,protizávažia a záťažové kýly pre jachty, ako aj v šípkach (80 – 97 %). Rýchlorezná oceľ, ktorá dokáže rezať materiál vyššími rýchlosťami ako uhlíková oceľ, obsahuje až 18 % tejto látky. Lopatky turbín, diely podliehajúce opotrebovaniu a povlaky používajú „superzliatiny“obsahujúce volfrám. Ide o tepelne odolné, vysoko odolné zliatiny, ktoré fungujú pri zvýšených teplotách.

Tepelná rozťažnosť chemického prvku je podobná borosilikátovému sklu, preto sa používa na výrobu tesnení sklo na kov. Kompozity s obsahom volfrámu sú výbornou náhradou olova v guľkách a brokoch. V zliatinách s niklom, železom alebo kob altom sa z neho vyrábajú nárazové projektily. Rovnako ako guľka sa jej kinetická energia využíva na zasiahnutie cieľa. V integrovaných obvodoch sa volfrám používa na spojenie s tranzistormi. Niektoré typy strún hudobných nástrojov sú vyrobené z volfrámového drôtu.

Používanie pripojení

Výnimočná tvrdosť karbidu volfrámu (W₂C, WC) z neho robí najbežnejší materiál pre frézovacie a sústružnícke nástroje. Používa sa v hutníckom, ťažobnom, ropnom a stavebnom priemysle. Karbid volfrámu sa používa aj pri výrobe šperkov, pretože je hypoalergénny a nemá tendenciu strácať svoj lesk.

Z jeho oxidov sa vyrába glazúra. Volfrámový "bronz" (tak sa nazýva kvôli farbe oxidov) sa používa vo farbách. Vo fluorescenčnej technike sa používajú wolframany horčíka a vápnikalampy. Kryštalický volfrám slúži ako scintilačný detektor v nukleárnej medicíne a fyzike. Soli sa používajú v chemickom a kožiarskom priemysle. Disulfid volfrámový je vysokoteplotné mazivo, ktoré vydrží 500 °C. Niektoré zlúčeniny obsahujúce volfrám sa používajú v chémii ako katalyzátory.