Вольфрам — химический элемент и металл¶

Вольфрам (лат. Wolframium, обозначается символом W, атомный номер 74) — химический элемент 6-й группы шестого периода периодической системы Д. И. Менделеева, переходный металл. Простое вещество вольфрам при нормальных условиях представляет собой твёрдый блестящий металл серебристо-серого цвета. Вольфрам известен самыми высокими среди всех чистых металлов температурой плавления (3422 °C) и температурой кипения (5555 °C), а также исключительной твёрдостью и химической стойкостью.

¶История открытия

Название элемента происходит от немецкого «Wolf Rahm» (волчья пена) или «Wolfram» — так горняки Саксонии называли минерал, который мешал выплавке олова, «пожирая» его (восстанавливая в шлак). В минералогии этот минерал известен как вольфрамит.

В чистом виде вольфрам был выделен в 1783 году испанскими химиками братьями Хуаном Хосе и Фаусто Эльгуйярами, которые восстановили оксид вольфрама углём и получили новый металл. Однако промышленное применение началось значительно позже — в конце XIX века, когда были разработаны методы порошковой металлургии для его обработки. В России первое промышленное производство вольфрама было налажено в 1930-х годах на базе месторождений Северного Кавказа и Забайкалья.

¶Физические и химические свойства

Вольфрам — один из самых тяжёлых металлов: его плотность составляет 19,25 г/см³, что сопоставимо с плотностью урана и золота. Металл обладает высокой твёрдостью (по шкале Мооса — 7,5) и прочностью. Важной особенностью является низкий коэффициент термического расширения и высокий модуль упругости.

Химически вольфрам весьма инертен при комнатной температуре. Он устойчив к воздействию воздуха, воды и большинства кислот. При нагревании выше 400 °C начинает окисляться с образованием триоксида вольфрама (WO₃). С галогенами реагирует при высоких температурах. В соединениях вольфрам проявляет степени окисления от -2 до +6, наиболее стабильной является +6. Известны такие соединения, как карбид вольфрама (WC), вольфрамат натрия (Na₂WO₄) и гексафторид вольфрама (WF₆), использующийся в микроэлектронике.

¶Получение

Основными минералами вольфрама являются вольфрамит (Fe,Mn)WO₄ и шеелит (CaWO₄). Крупнейшие месторождения расположены в Китае, России (Забайкалье, Приморье, Кабардино-Балкария), Канаде и Португалии. Технологический процесс получения вольфрама включает несколько стадий:

Обогащение руды — гравитационными и флотационными методами получают концентрат с содержанием WO₃ до 60–70 %.
Химическое вскрытие — концентрат сплавляют с содой или обрабатывают растворами щелочей для перевода вольфрама в растворимые вольфраматы.
Осаждение и очистка — из растворов осаждают искусственный шеелит или вольфрамовую кислоту, затем прокаливают до получения чистого триоксида WO₃.
Восстановление — оксид восстанавливают водородом при температуре 700–900 °C до порошка металлического вольфрама.
Компактирование — из-за высокой температуры плавления вольфрам не выплавляют, а прессуют порошок и спекают при температуре около 3000 °C в атмосфере водорода или в вакууме (методы порошковой металлургии). Для получения монокристаллов применяют зонную плавку или электронно-лучевую плавку.

¶Применение

Около половины всего производимого вольфрама используется для производства твёрдых сплавов. Карбид вольфрама, обладающий твёрдостью, близкой к алмазу, является основой для изготовления режущего инструмента, буровых коронок, штампов и бронебойных сердечников.

Значительная часть металла идёт на производство специальных сталей — так называемых быстрорежущих и инструментальных сталей, которые сохраняют твёрдость при нагреве до красного каления. Добавка вольфрама придаёт стали теплостойкость и износостойкость.

Благодаря самой высокой температуре плавления вольфрам незаменим в электротехнике и электронике. Из него изготавливают нити накаливания для ламп, катоды и аноды электронных ламп, нагреватели высокотемпературных печей, контакты электрических аппаратов. Вольфрамовые электроды используются в аргонодуговой сварке.

Вольфрам применяется также:

в рентгеновской технике — как мишени в рентгеновских трубках и защитные экраны;
в авиационной и космической технике — для изготовления деталей, работающих при экстремальных температурах;
в военной промышленности — для создания кинетических снарядов и кумулятивных облицовок;
в атомной энергетике — в качестве отражателей нейтронов;
в ювелирном деле — для изготовления украшений с повышенной износостойкостью.

Соединения вольфрама находят применение в качестве катализаторов в нефтепереработке, пигментов для красок и керамики, а также в производстве люминофоров.

¶Биологическая роль и токсичность

Вольфрам не выполняет известных биологических функций в организме человека. Металлический вольфрам и его соединения считаются умеренно токсичными. Пыль вольфрама при вдыхании может вызывать раздражение дыхательных путей, а хроническое воздействие некоторых соединений способно приводить к поражению лёгких. Однако вольфрамат натрия в малых дозах изучается как возможный агент для лечения диабета, поскольку он имитирует действие инсулина в экспериментальных моделях.

¶Интересные факты

Вольфрам — единственный металл, из которого можно изготовить проволоку, работающую при температуре выше 3000 °C без значительной деформации.
Из-за высокой плотности вольфрам используется в качестве заменителя свинца в боеприпасах и радиационной защите, что снижает экологический вред.
Вольфрамовая нить в лампе накаливания работает при температуре около 2700 °C — выше температуры плавления большинства металлов.
Историческое обозначение элемента «W» происходит от немецкого названия, тогда как в английском языке закрепилось название «tungsten» (от шведского «tung sten» — тяжёлый камень), данное минералу шеелиту Карлом Шееле в 1781 году.