Волфрамът е химичен елемент с атомен номер 74 в периодичната система на елементите, означава се със символа W (от името му на латински – Wolframium). Намира се в VI б група и в VI период в Периодичната система.
Открит е през 1781 г. от шведския изследовател Карл Вилхелм Шееле и е официално класифициран като метал от братята Хосе и Фаусто Елюар през 1783 г.
Волфрамът е твърд, рядък метал, който се среща в природата само като част от химични съединения. Съдържанието му в земните недра се оценява на 1,25 части на един милион. Концентрацията на волфрам в слънчевата система е 4 части на един милиард.
Основните съединения на волфрама в природата са шеелит и волфрамит. Елементът волфрам се отличава със своята твърдост и особено с факта, че той има най-високата точка на топене от всички метали в Периодичната система. Друго негово свойство е високата му плътност – 19,3 пъти повече от тази на водата, приблизително колкото тези на урана и златото, и 1,7 пъти по-голяма от тази на оловото. Поликристалният волфрам е твърд материал с крехка вътрешна структура поради дефекти в кристалните връзки, което го прави труден за обработка. Въпреки това, чистият, еднокристален волфрам е по-податлив на обработка, като запазва твърдостта си.
Разнообразните сплави на волфрама имат множество приложения, най-вече в осветителните тела, рентгеновите апарати, електроди и заваръчни инструменти (TIG – gas tungsten arc welding), свръхяките сплави, и като предпазно средство срещу йонизиращи лъчения и радиация (предпазва с 40% повече от оловото). Около половината от добития волфрам се използва под формата на волфрамов карбид – износоустойчива въглеродна сплав. Волфрамът е важен легиращ метал за инструментални и високоустойчиви стомани. Волфрамови съединения често се използват и като катализатор в индустрията.
Свойства Физични свойства Волфрамът е много твърд, плътен, сребристобял, лъскав метал, който потъмнява под въздействието на кислород, образувайки оксид под формата на защитен слой. В прахообразна форма волфрамът е сивкав. Той често е чуплив и труден за обработка. При висока степен на пречистване волфрамът запазва своята твърдост, която надвишава тази на множество стоманени сплави, но остава достатъчно ковък, за да бъде лесно обработван – основно чрез изковаване, изтегляне или екструдиране. Често волфрамът се обработва и чрез синтероване, за да се превърне в компактна маса.
Твърдостта на волфрама е около 7,5 от 10 по скалата на Моос за определяне относителната твърдост на минералите, където най-твърдият минерал е диамантът – около 12 пъти по-твърд от волфрама. В другия край на тази таблица е талкът, с показател 1.
Чистият волфрам е ковък, което позволява да се получат жички с много малък диаметър и с много висока издръжливост на опън.
От всички метали в чист вид, волфрамът има най-високата точка на топене (3422 °C). Въпреки че се счита, че въглеродът остава в твърда форма при по-високи температури от волфрама, въглеродът по-скоро сублимира, отколкото да се топи, и затова се приема, че волфрамът има по-висока точка на топене. Той кипи при 6690 °C (температурата на повърхността на слънцето). Волфрамът има най-ниския коефициент на термично разширение от всеки друг метал в чист вид и най-високата издръжливост на опън при температури над 1650 °C.
Волфрамът е един от петте метала (ниобий, молибден, тантал, волфрам и рений), отличаващи се с изключително висока износоустойчивост при висока температура.
Структура на електронните орбити Седемдесет и четирите електрона на атома са разположени около ядрото по формулата [Xe] 4f14 5d4 6s2, което означава, че най-външните 6 от тях се движат по последните две орбити d и s и се отделят сравнително лесно. Поради това максималната валентност на волфрама е 6-а. Оказва се, че строежът им е малко особен – четири от тях принадлежат на предпоследната d орбита, която е запълнена по-малко от половина (известно е, че при запълнена орбита те са 10). Тези четири електрона са способни лесно да образуват химични връзки. А двата електрона в последната s-орбита могат да бъдат откъснати много лесно. Именно тази особеност в строежа на електронната обвивка обяснява високата химична активност на волфрама.
Високата точка на топене и високата издръжливост на опън на волфрама произлизат от силните ковалентни връзки между волфрамовите атоми, дължащи се на четирите електрона в орбита 5d.
Високата химична активност на волфрама също се дължи на особеното разположение на електроните. В съединения той може да бъде не само шествалентен, но и пет-, четири-, три- и двувалентен, както и от нулева валентност (не са известни съединения, в които волфрамът да е едновалентен). Най-стабилната валентност на волфрама е шеста.
Изотопи В природата волфрамът се среща в пет стабилни изотопа с масови числа от 180 до 186. Периодът им на полуразпад е достатъчно дълъг, за да се смятат за стабилни. На теория всичките пет могат да бъдат разпаднати до изотопи на елемента хафний (72), но това е наблюдавано само при 180W с период на полуразпад от (1,8 ± 0,2)×1018 години. Останалите изотопи не са наблюдавани да се разпадат и техните периоди на полуразпад са както следва:
182W, t1⁄2 > 1,7×1020 години 183W, t1⁄2 > 8×1019 години 184W, t1⁄2 > 1,8×1020 години 186W, t1⁄2 > 4,1×1018 години
Известни са други 30 изкуствено създадени радиоизотопа на волфрама. Най-стабилните от тях са 181W с период на полуразпад от 121,2 дни, 185W с период на полуразпад от 75,1 дни, 188W с период на полуразпад от 69,4 дни, 178W с период на полуразпад от 21,6 дни, и 187W с период на полуразпад от 23,72 часа. Всички останали радиоактивни изотопи имат период на полуразпад от по-малко от 3 часа, като при повечето от тях той е под 8 минути.
Химични свойства Волфрамът има висока химична активност. Той реагира с повечето елементи и може да образува прости и сложни съединения. Взаимодейства по-добре с кислород и други окисляващи елементи, отколкото с повечето тежки метали.
С водорода не реагира дори при висока температура. Именно затова той се използва в един от технологичните етапи при добив на метала.
В прахообразна форма реагира при стайна температура с флуора, а с кислорода и халогенните елементи – при загряване. При температура над 400 °С и при наличие на водна пара волфрамът реагира лесно с кислорода. Волфрамовият триоксид WO3 е с лимоненожълт цвят и сублимира при 923 °C.
До температура от 1500 °С не реагира с азот, но при 2300 °С образува волфрамов нитрит. С въглерода образува карбиди. Разтваря се в царска вода и в смес от азотна и флуороводородна киселина HF. С металите образува сплави.
Волфрамовите съединения с бром и йод са нестабилни.
При висока температура волфрамът се свързва с елементите сяра, селен и телур, азот и бор. Някои от тези съединения се характеризират с висока твърдост и други специфични свойства.
Особено интересно е съединението на волфрам с въглероден оксид (W(CO)6), където волфрамът е с нулева валентност.
Волфрамовият карбонат е неустойчиво съединение и се получава единствено в специални условия. При 0 °С и в подходяща среда се разтваря под формата на безцветни кристали, при 50 °С сублимира, а при 100 °С се разпада напълно. Но точно това съединение позволява получаването на тънко и плътно покритие от чист волфрам.
Волфрамовите карбиди (W2C и WC) се получават чрез загряване на волфрам на прах и въглерод. W2C е устойчив на химични въздействия, въпреки че силно взаимодейства с хлора до волфрамов хексахлорид (WCI6).
Сплави Волфрамът образува сплави с почти всички метали, но получаването им не е лесно. Традиционните методи за получаване на сплави в случая не са приложими, защото когато се достигане точката на топене на волфрама, другите метали вече са преминали в газообразно състояние. Следователно съдържащите волфрам сплави обикновено се получават по метода на праховата металургия. За да се избегне окисляването, всички операции се извършват във вакуум или в наситена с аргон атмосфера.
Волфрамовите сплави издържат на корозия при високи температури и под въздействието на различни химични реагенти. Малки количества волфрам, добавени в метални сплави, значително увеличават твърдостта и устойчивостта на корозия. Например само 10% съдържание на волфрам в никелова сплав е достатъчно да повиши устойчивостта на корозия 12 пъти. А волфрамовият карбид с добавки от титан и танталов карбид, споени с кобалт, е устойчив на повечето киселини – азотна, сярна и солна, дори при кипене. Тази сплав се разтваря единствено от смес от флуороводородна и азотна киселина.
Видове сплави, съдържащи волфрам Смес от волфрам на прах и други метали се синтерова и след това се поставя в електрически пещи. След пресоването и загряването на волфрамовия прах се получава пореста заготовка, която се импрегнира с втечнен метал, като се получава така наречената псевдосплав. Този метод се използва за производство на сплави от волфрам с мед и сребро.
С хром и молибден, ниобий и тантал волфрамът образува хомогенни сплави.
Сплавите на волфрама с желязо, никел и кобалт са по-сложни за получаване. При тях, в зависимост от съотношението на компонентите, се образуват интерметални съединения, а при добавяне на въглерод – смес от волфрамов карбид и стомана с висока твърдост.
Особено сложни са съединенията на волфрама с алуминий, берилий и титан. В тях към всеки атом волфрам се прикрепят между 2 и 12 атома от по-лекия метал. Тези сплави се отличават с висока степен на якост и издръжливост на корозия при високи температури.
Най-често използваните сплави на волфрама са с повече от един метал. Това са сплави на волфрам с хром, кобалт или никел, от които се произвеждат хирургически инструменти.
Висококачествените магнитни сплави съдържат волфрам, желязо и кобалт. Някои специфични суперсплави съдържат освен волфрам, и хром, никел и алуминий.
От най-голямо значение практическо са стоманените сплави, легирани с волфрам. Те са устойчиви на износване, не се напукват и запазват твърдостта си при високи температури.
История През 1779 г., вследствие на заключенията от своя анализ върху минерала волфрамит (желязо-манганов волфрамен минерал), ирландският химик Питър Улф предрича съществуването на нов елемент – волфрам.
През 1781 г. шведският химик Карл Вилхелм Шееле успява да изолира волфрамов триоксид от минерала шеелит (калциев волфрамит) под формата на киселина. Въпреки това той няма подходяща пещ, за да го редуцира до метал.
През 1783 г. испанските братя-химици Хосе и Фаусто Елюар за първи път съобщават за открита от тях киселина на основата на волфрамит, която е идентична с откритието на Шееле. По-късно същата година в Кралската баска общност в град Бергара, Испания, братята успяват да изолират волфрам чрез редуциране на киселината с въглен и са признати като откриватели на елемента.
Фаусто Елюар е бил студент на Шееле през 1781 г. и работи в лабораторията му.
През 1900 г. на световното изложение в Париж са показани мостри от високоякостна сплав от стомана и волфрам. Скоро след това новият елемент започва да се използва от стоманолеярните в повечето индустриализирани страни. Главната особеност на тези сплави е, че те запазват твърдостта и здравината си при високи температури и не губят тези качества след охлаждане, както правят повечето обикновени сплави.
През Втората световна война волфрамът изиграва значителна роля в задкулисните политически сделки. Португалия, като основен европейски източник на волфрам през този период, е поставена под двустранен натиск заради своите находища на волфрамова руда в Панашкейра. Устойчивостта на висока температура и способността му да придава якост на метални сплави прави волфрама важна суровина за оръжейната индустрия.
Етимология