Volframi

Volframi
←  Tantaali | Renium  →
74 Mo

W

Sg
Jaksollinen elementtijärjestelmä74W _
Yksinkertaisen aineen ulkonäkö
Tulenkestävä kestävä metalli, vaaleanharmaa [1]
Kaasufaasista kerrostuneet volframikiteet
Atomin ominaisuudet
Nimi, symboli, numero Volframi / Wolframium (W), 74
Ryhmä , jakso , lohko 6, 6,
d-elementti
Atomimassa
( moolimassa )
183.84(1) [2]  a. e. m  ( g / mol )
Elektroninen konfigurointi [Xe] 4f 14 5d 4 6s 2
Atomin säde 137 [1] pm
Kemiallisia ominaisuuksia
kovalenttinen säde klo 170 
Ionin säde (+6e) 62 (+4e) 70  pm
Elektronegatiivisuus 2.3 (Pauling-asteikko)
Elektrodin potentiaali L ← L 3+ 0,11 V
L ← L 6+ 0,68 V
Hapetustilat +2, +3, +4, +5, +6 [1]
Ionisaatioenergia
(ensimmäinen elektroni)
769,7 (7,98)  kJ / mol  ( eV )
Yksinkertaisen aineen termodynaamiset ominaisuudet
Tiheys ( n.a. ) 19,25 [3]  g/cm³
Sulamislämpötila 3695K ( 3422 °C, 6192°F) [3]
Kiehumislämpötila 5828 K (5555 °C, 10 031 °F) [3]
Oud. sulamisen lämpöä 285,3 kJ/kg
52,31 [4] [5]  kJ/mol
Oud. haihtumislämpö 4482 kJ/kg 824 kJ/mol
Molaarinen lämpökapasiteetti 24,27 [6]  J/(K mol)
Molaarinen tilavuus 9,53  cm³ / mol
Yksinkertaisen aineen kidehila
Hilarakenne Kuutiomainen
runko keskellä
Hilan parametrit 3,160Å  _
Debye lämpötila 310 000  _
Muut ominaisuudet
Lämmönjohtokyky (300 K) 162,8 [7]  W/(m K)
CAS-numero 7440-33-7
74 Volframi
W183,84
4f 14 5d 4 6s 2

Volframi ( kemiallinen symboli  - W, lat.  Wolframium ) on kuudennen ryhmän kemiallinen alkuaine ( vanhentuneen luokituksen mukaan  - kuudennen ryhmän sivualaryhmä VIB) D. I.:n jaksollisen kemiallisten alkuaineiden järjestelmän kuudennessa jaksossa . Mendelejev , atominumero 74.

Normaaleissa olosuhteissa volframi on kova, raskas, kiiltävä metalli [1] [6] , jonka väri on hopeanharmaa. Sen tiheys on hieman suurempi kuin metallisen uraanin .

Volframi on jaksollisen järjestelmän tulenkestävin metalli . Viittaa siirtymämetalleihin .

Nimen historia ja alkuperä

Nimi Wolframium siirrettiin alkuaineeseen jo 1500  -luvulla tunnetusta volframiitista . nimellä "susivaahto" - lat. spuma lupi tai saksalainen. Wolf Rahm [6] [8] [ tarkista  linkki (33 päivää jo) ] . Nimi johtui siitä, että tinamalmien mukana toiminut volframi häiritsi tinan sulattamista ja muutti sen kuonavaahdoksi ("se söi tinaa kuin susi lammas").   

Englannissa ja ranskassa volframia kutsutaan tungsteniksi ( ruotsin kielestä tung sten  - "raskas kivi"). Vuonna 1781 kuuluisa ruotsalainen kemisti Karl Scheele käsitteli mineraalischeeliittiä typpihapolla, ja hän sai keltaisen " raskaskiven " (volframitrioksidi WO 3 ) [9] . Vuonna 1783 espanjalaiset kemistit, Eluardin veljekset, raportoivat saaneensa saksilaisesta volframiitista sekä uuden, ammoniakille liukenevan metallin keltaisen oksidin että itse metallin [10] . Samaan aikaan yksi veljistä, Fausto, oli Ruotsissa vuonna 1781 ja kommunikoi Scheelen kanssa. Scheele ei väittänyt löytäneensä volframia, eivätkä Eluardin veljekset vaatineet prioriteettiaan.

Luonnossa oleminen

Volframiklarkkia maankuoressa on (Vinogradovin mukaan) 1,3 g/t ( 0,00013 % maankuoren pitoisuudesta). Sen keskimääräinen pitoisuus kivissä, g/t: ultraemäksinen - 0,1, emäksinen - 0,7, keskimääräinen - 1,2, hapan - 1,9.

Volframia esiintyy luonnossa pääasiassa hapettuneiden kompleksiyhdisteiden muodossa, jotka muodostuvat volframitrioksidista WO 3 raudan ja mangaanin tai kalsiumin oksideista ja joskus lyijystä, kuparista, toriumista ja harvinaisista maametallista. Wolframiitti (rauta- ja mangaanivolframaatti n FeWO 4 · m MnWO 4  - vastaavasti, ferberiitti ja hübneriitti ) ja scheeliitti ( kalsiumvolframaatti CaWO 4 ) ovat teollisesti tärkeitä . Volframimineraalit ovat yleensä graniittisten kivien välissä niin, että volframin keskimääräinen pitoisuus on 1-2 %.

Talletukset

Kazakstanilla , Kiinalla , Kanadalla ja USA :lla on suurimmat varannot ; talletukset tunnetaan myös Boliviassa , Portugalissa , Venäjällä , Uzbekistanissa ja Etelä-Koreassa . Maailman volframituotanto on 49-50 tuhatta tonnia vuodessa, joista 41 Kiinassa, 3,5 Venäjällä; Kazakstan 0,7, Itävalta 0,5. Tärkeimmät volframin viejät: Kiina, Etelä-Korea, Itävalta . Tärkeimmät maahantuojat: USA, Japani , Saksa , Iso- Britannia .
Myös Armeniassa ja muissa maissa on volframiesiintymiä.

Fysikaaliset ominaisuudet

Volframiatomin täydellinen elektroninen konfiguraatio on: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 4f 14 5d 4 6s 2 .

Volframi on kiiltävä, vaaleanharmaa metalli , jolla on korkeimmat todistetut sulamis- ja kiehumispisteet (oletetaan, että seaborgium on vielä tulenkestävämpi, mutta toistaiseksi tätä ei voida varmuudella todeta - seaborgiumin elinikä on hyvin lyhyt). Volframin Mohs-kovuus on 7,5, ja se on puhtaiden metallien joukossa toiseksi kromin (Mohsin kovuus 8,5) jälkeen. Sulamispiste  - 3695 K (3422 °C), kiehuu 5828 K (5555 °C) [3] . Puhtaan volframin tiheys normaaleissa olosuhteissa on 19,25 g/cm³ [3] , nestemäisen volframin sulamispisteessä 16,65 g/cm³ [6] . Sillä on paramagneettisia ominaisuuksia ( magneettinen suskeptibiliteetti 0,32⋅10 -9 ). Brinell-kovuus 488 kg/mm². Sähkövastus 25 °C:ssa — 55⋅10 −9 Ohm m, 2700 °C:ssa — 904⋅10 −9 Ohm m; resistanssin lämpötilakerroin 5,0 10 −3 K −1 (0—200 °C) [6] . Äänen nopeus hehkutetussa volframissa on 4290 m/s. Lineaarilaajenemisen lämpötilakerroin 4,1 10 -6 K -1 (298 K), 6,5 10 -6 K -1 (2273 K), 7,1 10 -6 K -1 (2673 K) [6 ] . Lämmönjohtavuus 153 W/(m K) lämpötilassa 298 K, 105 W/(m K) lämpötilassa 1873 K [6] . Terminen diffuusio 3,17 10 3 m 2 /s lämpötilassa 1873 K, 2,3 10 3 m 2 /s lämpötilassa 2873 K [6] .

Volframi on yksi raskaimmista, kovimmista ja tulenkestävimmistä metalleista [6] . Puhtaassa muodossaan se on hopeanvalkoinen metalli, samanlainen kuin platina, noin 1600 °C:n lämpötilassa se soveltuu hyvin takomiseen ja voidaan vetää ohueksi langaksi. Metalli on erittäin vakaa tyhjiössä [11] . Kokoonpuristuvuuskerroin on pienin kaikista metalleista (vastaavasti bulkkikimmokerroin on metallien suurin) [6] .

Volframia esiintyy normaaleissa olosuhteissa kahdessa kiteisessä muunnelmassa. Stabiili modifikaatio (α-volframi) muodostaa kuutiojärjestelmän kiteitä (kappalekeskeinen hila), avaruusryhmä Im 3 m , soluparametrit  a = 0,31589 nm , Z = 2 [6] . Metasable modifikaatio (β-volframi) - kuutiokiteet , avaruusryhmä Pm 3 n , soluparametrit  a = 0,5036 nm , Z = 8 , d = 19,0 g / cm 3 (trikromisilisidityyppinen rakenne Cr 3 Si, tunnetaan myös faasina A15 ). Metastabiili modifikaatio muodostuu volframitrioksidin pelkistyksen yhteydessä vedyllä 440 - 520 °C:n lämpötiloissa [12] sekä volframaattisulan elektrolyysin aikana [13] , se muuttuu alfa-W:ksi, kun sitä kuumennetaan yli. 520 °C [12] [6] . Vaikka volframin β-faasi saatiin ensimmäisen kerran jo vuonna 1931, monet kirjoittajat uskoivat, että todellisuudessa se on volframisuboksidia, jonka kaava on W 14 ... 20 O tai faasi, joka on stabiloitu happiepäpuhtaudella; on myös oletus, että tätä faasia voidaan kuvata ioniseksi yhdisteeksi W 3 W, "volframivolframiamidiksi", jonka volframiatomit ovat eri hapetustiloissa. Vasta vuonna 1998 osoitettiin, että β-volframia on olemassa myös ilman happiseosta [13] .

Jotkut α-volframin ja β-volframin fysikaaliset ominaisuudet eroavat toisistaan ​​merkittävästi. α-volframin siirtymälämpötila suprajohtavaan tilaan on 0,0160 K [6] , beetafaasin osalta tämä lämpötila vaihtelee 1-4 K; faasien seos voi muuttua suprajohtavaksi välilämpötiloissa riippuen faasien suhteellisesta sisällöstä [14] . β-volframin ominaisresistanssi on kolme kertaa suurempi kuin α-volframin [15]

Kemialliset ominaisuudet

Näyttää valenssin 2-6. Vakain on 6-valenttinen volframi. 3- ja 2-arvoiset volframiyhdisteet ovat epästabiileja eikä niillä ole käytännön merkitystä.

Volframilla on korkea korroosionkestävyys: se ei muutu ilmassa huoneenlämpötilassa; punaisessa lämpölämpötilassa se hapettuu hitaasti volframi(VI)oksidiksi . Kuitenkin pelkistetty hieno volframijauhe on pyroforista [12] . Jännitteiden sarjassa oleva volframi on välittömästi vedyn jälkeen ja on lähes liukenematon kloorivety-, laimeaan rikki- ja fluorivetyhappoihin. Typpihapossa ja aqua regiassa se hapettuu pinnasta. Liukenee vetyperoksidiin.

Liukenee helposti typpi- ja fluorivetyhapon seokseen [16] :

Reagoi sulien alkalien kanssa hapettimien läsnä ollessa [16] :

Aluksi nämä reaktiot ovat hitaita, mutta saavuttaessaan 400 °C (500 °C happea sisältävässä reaktiossa) volframi alkaa lämmetä itsestään ja reaktio etenee melko nopeasti, jolloin muodostuu suuri määrä lämpöä.

Se liukenee typpi- ja fluorivetyhapon seokseen muodostaen heksafluorivolframihappoa H 2 [WF 6 ]. Volframiyhdisteistä tärkeimmät ovat: volframitrioksidi tai volframianhydridi, volframiyhdisteet, yleiskaavan Me 2 WO X mukaiset peroksidiyhdisteet sekä yhdisteet, joissa on halogeeneja, rikkiä ja hiiltä. Volframaateilla on taipumus muodostaa polymeerisiä anioneja , mukaan lukien heteropolyyhdisteet, joissa on muita siirtymämetalleja.

Haetaan

Volframin valmistusprosessi kulkee alavaiheen läpi, jossa trioksidi WO 3 erotetaan malmirikasteista ja sen jälkeen pelkistetään metallijauheeksi vedyn kanssa lämpötilassa noin 700 °C. Volframin korkean sulamispisteen vuoksi kompaktin muodon saamiseksi käytetään jauhemetallurgisia menetelmiä : saatu jauhe puristetaan, sintrataan vetyatmosfäärissä lämpötilassa 1200-1300 ° C , sitten sähkövirta johdetaan sen läpi . Metalli kuumennetaan 3000 °C:seen ja tapahtuu sintraus monoliittiseksi materiaaliksi. Myöhemmässä puhdistuksessa ja yksikidemuodon saamiseksi käytetään vyöhykesulatusta [ 17] .

Sovellus

Volframin pääasiallinen käyttökohde on tulenkestävien materiaalien perusta metallurgiassa.

Metallinen volframi

Volframiyhdisteet

Muut käyttötarkoitukset

Keinotekoista radionuklidia 185 W käytetään radioaktiivisena leimana aineen tutkimuksessa. Stabiilia 184 W:tä käytetään kiinteän faasin ydinrakettimoottoreissa käytettävien uraani-235- seosten komponenttina , koska se on ainoa yleinen volframi - isotooppi , jolla on alhainen termisen neutronien sieppauspoikkileikkaus (noin 2 barnia ).

Tungsten market

Metallisen volframin (alkuainepitoisuus noin 99 %) hinnat olivat vuoden 2010 lopussa noin 40-42 dollaria kilolta, toukokuussa 2011 noin 53-55 dollaria kilolta. Puolivalmisteet alkaen 58 USD (patukat) - 168 (ohut nauha). Vuonna 2014 volframin hinnat vaihtelivat välillä 55–57 USD [23] .

Biologinen rooli

Volframilla ei ole merkittävää biologista roolia. Joissakin arkkibakteereissa ja bakteereissa on entsyymejä , jotka sisältävät volframia aktiivisessa keskustassa. Syvänmeren hydrotermisten aukkojen ympärillä elää pakollisia volframista riippuvaisia ​​hypertermofiilisiä arkebakteereja. Volframin läsnäoloa entsyymien koostumuksessa voidaan pitää varhaisen arkean fysiologisena jäännöksenä  - on viitteitä siitä, että volframilla oli roolia elämän varhaisissa vaiheissa [24] .

Volframipöly, kuten useimmat muut metallipölyt , ärsyttää hengityselimiä.

Isotoopit

Tunnettuja volframin isotooppeja , joiden massaluvut ovat 158-192 ( protonien lukumäärä 74, neutronien lukumäärä 84-118 ) ja yli 10 ydinisomeeriä [25] .

Luonnonvolframi koostuu viiden isotoopin seoksesta ( 180 W - 0,12 (1), 182 W - 26,50 (16), 183 W - 14,31 (4), 184 W - 30,64 (2) % ja 186 W - 28,43 (19) % [25] . Vuonna 2003 löydettiin äärimmäisen heikko luonnollisen volframin radioaktiivisuus [26] (noin kaksi hajoamista alkuainegrammaa kohden vuodessa), mikä johtuu 180 W : n α-aktiivisuudesta , jonka puoliintumisaika on 1,8⋅10 18 vuotta . 27] .

Muistiinpanot

  1. 1 2 3 4 Rakova N. N. TUNGSTEN . bigenc.ru . Suuri venäläinen tietosanakirja - sähköinen versio (2016). Käyttöönottopäivä: 8.8.2020.
  2. Meija J. et ai. Alkuaineiden atomipainot 2013 (IUPAC Technical Report  )  // Pure and Applied Chemistry . - 2016. - Vol. 88 , no. 3 . - s. 265-291 . - doi : 10.1515/pac-2015-0305 .
  3. 1 2 3 4 5 Volframi : fysikaaliset ominaisuudet  . WebElements. Haettu: 17. elokuuta 2013.
  4. CRC Handbook of Chemistry and Physics / DR Lide (Toim.). – 90. painos. — CRC Press; Taylor ja Francis, 2009. - s. 6-134. — 2828 s. — ISBN 1420090844 .
  5. Katso mittausten katsaus julkaisussa: Tolias P. (2017), Kiinteän ja nestemäisen volframin termofysikaalisten ominaisuuksien analyyttiset lausekkeet, jotka liittyvät fuusiosovelluksiin, arΧiv : 1703.06302 . 
  6. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Zelikman A. N. Wolfram // Kemiallinen tietosanakirja  : 5 osassa / Ch. toim. I. L. Knunyants . - M . : Neuvostoliiton tietosanakirja , 1988. - T. 1: A - Darzana. - S. 418-420. — 623 s. - 100 000 kappaletta.  - ISBN 5-85270-008-8 .
  7. Volframin lämpöfysikaaliset ominaisuudet
  8. Suuri Neuvostoliiton Encyclopedia Ch. toim. A. M. Prokhorov. - 3. painos - M .: Sov. tietosanakirja, 1969-1978
  9. Scheelit // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron  : 86 nidettä (82 osaa ja 4 lisäosaa). - Pietari. , 1890-1907.
  10. https://web.archive.org/web/20110721214254/http://www.itia.info/FileLib/Newsletter_2005_06.pdf
  11. Titaani on tulevaisuuden metalli .
  12. 1 2 3 Morcom WR , Worrell WL , Sell HG , Kaplan HI Beta-volframin, metastabiilin volframifaasin, valmistus ja karakterisointi  //  Metallurgical Transactions. - 1974. - Voi. 5 , ei. 1 . - ISSN 0026-086X . - doi : 10.1007/BF02642939 .
  13. 1 2 Kiss AB Thermoanalytical Study of the Composition of β-volframi  //  Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. - 1998. - Voi. 54 , nro. 3 . - s. 815-824 . — ISSN 1418-2874 . - doi : 10.1023/A:1010143904328 .
  14. Lita AE , Rosenberg D. , Nam S. , Miller AJ , Balzar D. , Kaatz LM , Schwall RE Tuning of Tungsten Thin Film Supraconducting Transition Temperature for Fabrication of Photon Number Resolving Detectors  //  IEEE Transactions on Appiled Superconductivity. - 2005. - Voi. 15 , ei. 2 . - P. 3528-3531 . — ISSN 1051-8223 . - doi : 10.1109/TASC.2005.849033 . - .
  15. Yeh Wen-Kuan , Chen Mao-Chieh , Wang Pei-Jan , Liu Lu-Min , Lin Mou-Shiung. Selektiivisen volframikemiallisen höyrypinnoituksen laskeumaominaisuudet  (englanti)  // Materiaalikemia ja fysiikka. - 1996. - Voi. 45 , no. 3 . - s. 284-287 . — ISSN 0254-0584 . - doi : 10.1016/0254-0584(96)80120-9 .
  16. 1 2 Ripan R. , Chetyanu I. Epäorgaaninen kemia. Metallien kemia. - M .: Mir, 1972. - T. 2. - S. 347-348.
  17. Zelikman A. N., Nikitina L. S. Wolfram . - M . : Metallurgy, 1978. - S. 155. - 272 s.
  18. Brian Wheeler. Volframisuojaus auttaa Fukushima Daiichissa . Power Engineering Magazine (1. heinäkuuta 2011).
  19. Murata Taisuke , Miwa Kenta , Matsubayashi Fumiyasu , Wagatsuma Kei , Akimoto Kenta , Fujibuchi Toshioh , Miyaji Noriaki , Takiguchi Tomohiro , Sasaki Masayuki , Koizumi Mitsuru. Optimaalinen säteilysuojaus 89Sr- ja 90Y-säteilylle: validointi empiirisellä lähestymistavalla ja Monte Carlo -simulaatioilla  // Annals of Nuclear Medicine. - 2014. - 10. toukokuuta ( nide 28 , nro 7 ). - S. 617-622 . — ISSN 0914-7187 . - doi : 10.1007/s12149-014-0853-6 .
  20. Kobayashi S. , Hosoda N. , Takashima R. Volframiseokset säteilysuojamateriaalina  // Ydininstrumentit ja -menetelmät fysiikantutkimuksessa Osa A: Kiihdytittimet, spektrometrit, ilmaisimet ja niihin liittyvät laitteet. - 1997. - toukokuu ( nide 390 , nro 3 ). - S. 426-430 . — ISSN 0168-9002 . - doi : 10.1016/S0168-9002(97)00392-6 .
  21. Soylu HM , Yurt Lambrecht F. , Ersöz OA Uuden lyijyttömän komposiittimateriaalin gammasäteilysuojaustehokkuus  // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. - 2015. - 17. maaliskuuta ( nide 305 , nro 2 ). - S. 529-534 . — ISSN 0236-5731 . - doi : 10.1007/s10967-015-4051-3 .
  22. Vantorin V. D. Instrumentaali- ja laskentajärjestelmien mekanismit / Toim. S. M. Borisov. - M . : Korkeampi. koulu, 1985. - S. 168. - 416 s.
  23. "Volframin hinnat" mukaan
  24. Fedonkin M.A. Elämän geokemiallisen perustan kaventuminen ja biosfäärin eukaryotisoituminen: syy-yhteys  // Paleontological Journal. - 2003. - Nro 6 . - S. 33-40 .
  25. 1 2 Audi G. , Kondev FG , Wang M. , Huang WJ , Naimi S. Nubase2016 -arvio ydinominaisuuksista  // Chinese Physics  C. - 2017. - Vol. 41 , iss. 3 . - P. 030001-1-030001-138 . - doi : 10.1088/1674-1137/41/3/030001 . - .Avoin pääsy
  26. Danevich F. A. et ai. Luonnollisten volframi-isotooppien α-aktiivisuus  (englanniksi)  // Phys. Rev. C. _ - 2003. - Voi. 67 . — P. 014310 . - doi : 10.1103/PhysRevC.67.014310 . - arXiv : nucl-ex/0211013 .
  27. Cozzini C. et ai. Volframin luonnollisen α-hajoamisen havaitseminen  (englanniksi)  // Phys. Rev. C. _ - 2004. - Voi. 70 . — P. 064606 . - doi : 10.1103/PhysRevC.70.064606 . - arXiv : nucl-ex/0408006 .

Linkit