Вольфрам: свойства, применение и история¶

Вольфрам (химический символ — W, лат. Wolframium) — химический элемент 6-й группы (по старой классификации — побочной подгруппы шестой группы) шестого периода периодической системы Д. И. Менделеева, с атомным номером 74. Принадлежит к переходным металлам. Простое вещество вольфрам — это твёрдый, тяжёлый, тугоплавкий металл серо-стального цвета, обладающий самой высокой температурой плавления среди всех чистых металлов (3422 °C) и одной из самых высоких плотностей (19,25 г/см³), сопоставимой с плотностью золота и урана.

¶История открытия

Название элемента происходит от немецкого «Wolf Rahm» («волчья пена» или «волчья слюна») — так в Средневековье горняки называли минерал, который часто сопутствовал оловянным рудам и мешал выплавке олова, переводя его в шлаки («пожирал» олово, как волк овцу). В минералогии этот минерал позже был назван вольфрамитом.

В чистом виде вольфрам был выделен в 1781 году шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле, который из минерала шеелита (CaWO₄) получил оксид вольфрама(VI). Однако металлический вольфрам впервые получили в 1783 году испанские химики братья Хуан Хосе и Фаусто Эльгуйяр, которые восстановили углём оксид, выделенный из минерала вольфрамита. В том же году они опубликовали описание нового металла. В XIX веке вольфрам оставался лабораторной редкостью, а его промышленное применение началось лишь в конце столетия.

¶Физические и химические свойства

Вольфрам — эталон тугоплавкости. Его температура плавления составляет 3422 °C, температура кипения — около 5555 °C (самая высокая среди всех металлов). Металл обладает высокой прочностью при высоких температурах, низким давлением паров и хорошей электропроводностью. В ряду напряжений металлов вольфрам находится левее водорода, однако при комнатной температуре он химически инертен: устойчив к действию воздуха, воды и большинства кислот. При нагревании на воздухе выше 400 °C начинает окисляться до триоксида вольфрама (WO₃). С галогенами реагирует при высоких температурах, со фтором — при комнатной. Вольфрам растворяется в смеси плавиковой и азотной кислот, а также в расплавах щелочей с доступом кислорода.

Валентность вольфрама в соединениях варьируется от +2 до +6, наиболее устойчива степень окисления +6. Известны такие соединения, как триоксид вольфрама, вольфраматы, галогениды и карбонилы. Карбид вольфрама (WC) — одно из самых твёрдых известных веществ, приближающееся по твёрдости к алмазу.

¶Минералы и месторождения

Основные промышленные минералы вольфрама — вольфрамит (Fe,Mn)WO₄ и шеелит (CaWO₄). Вольфрамит представляет собой изоморфную смесь ферберита (FeWO₄) и гюбнерита (MnWO₄). Крупнейшие месторождения вольфрамовых руд расположены в Китае (провинции Цзянси, Хунань, Гуандун), который удерживает мировое лидерство по добыче и переработке вольфрама (более 80 % мирового производства). Значительные запасы имеются в России (Забайкалье, Приморье, Кабардино-Балкария, Чукотка), Казахстане, Канаде, Боливии, Португалии, Австралии и Вьетнаме. Содержание WO₃ в промышленных рудах обычно составляет от 0,1 % до 2 %.

¶Металлургия и получение

Технологический процесс получения вольфрама включает несколько стадий. Сначала руду обогащают гравитационными, флотационными или магнитными методами, получая концентрат с содержанием WO₃ до 60–70 %. Затем концентрат подвергают химическому разложению (сплавление с содой или растворение в щелочи) с получением раствора вольфрамата натрия. Из раствора осаждают искусственный шеелит (CaWO₄) или вольфрамовую кислоту (H₂WO₄), которые прокаливают до получения чистого триоксида вольфрама (WO₃). Металлический порошок вольфрама получают восстановлением WO₃ водородом при температуре 700–1100 °C.

Компактный металл производят методами порошковой металлургии: порошок прессуют в заготовки, спекают при 1300 °C, а затем подвергают переплавке в электрической дуге или электронно-лучевой печи. Для получения монокристаллического вольфрама применяют зонную плавку. Вольфрам также получают методом восстановления галогенидов и электролизом расплавов.

¶Применение

Благодаря уникальному сочетанию тугоплавкости, твёрдости, плотности и электропроводности вольфрам широко используется в различных отраслях промышленности.

¶Электротехника и электроника

Исторически первым массовым применением вольфрама стало изготовление нитей накаливания для электрических ламп (с 1900-х годов). Вольфрамовые нити работают при температурах до 2800 °C и обеспечивают яркое свечение. Металл также используется для изготовления катодов, анодов, рентгеновских трубок, нагревателей высокотемпературных печей, электрических контактов и электродов для сварки.

¶Твёрдые сплавы

Карбид вольфрама является основой твёрдых сплавов (например, победита), применяемых для изготовления режущего инструмента, буровых коронок, штампов, волочильных фильер. Такие сплавы отличаются исключительной износостойкостью и сохраняют твёрдость при нагреве до 1000 °C.

¶Специальные стали

Вольфрам входит в состав быстрорежущих сталей (содержание до 18 %), которые сохраняют режущие свойства при высоких температурах, а также в состав жаропрочных и инструментальных сталей. Добавка вольфрама повышает твёрдость, прочность и красностойкость стали.

¶Оборонная и аэрокосмическая промышленность

Благодаря высокой плотности вольфрам используется для изготовления бронебойных сердечников подкалиберных снарядов, заменяя обеднённый уран. Вольфрамовые сплавы применяются в гироскопах, противовесах, балансировочных грузах для авиации и ракетной техники, а также для защиты от радиации (наряду со свинцом, но с меньшей толщиной защиты).

¶Химическая и стекольная промышленность

Соединения вольфрама применяются как катализаторы в нефтепереработке, для производства пигментов, люминофоров, огнестойких тканей. Вольфраматы используются для получения специальных стекол и керамики.

¶Ювелирное дело и сплавы

Вольфрамовые сплавы с никелем и железом применяются для изготовления ювелирных изделий (кольца, браслеты) благодаря высокой твёрдости, полируемости и гипоаллергенности. Карбид вольфрама используется для создания престижных часов и аксессуаров.

¶Биологическая роль и безопасность

Вольфрам не является биогенным элементом и не играет существенной роли в метаболизме человека и животных. Соединения вольфрама считаются умеренно токсичными: пыль металла и его оксидов может вызывать раздражение дыхательных путей, а при хроническом воздействии — поражение лёгких (вольфрамовый пневмокониоз). В Российской Федерации для вольфрама и его соединений установлены предельно допустимые концентрации в воздухе рабочей зоны. Металлический вольфрам считается безопасным при контакте с кожей, что позволяет использовать его в медицинских имплантатах и ювелирных изделиях.

¶Интересные факты

Вольфрам — единственный металл, который используется в качестве нити накаливания в лампах, работающих в атмосфере инертного газа при температуре около 3000 °C.
Вольфрамовый сплав с медью применяется для изготовления электродов электроэрозионной обработки.
Вольфрам имеет самый высокий предел прочности на разрыв среди всех металлов при высоких температурах.
В 2019 году вольфрам был включён в перечень стратегических видов минерального сырья Российской Федерации.
Вольфрамовые руды в России добываются преимущественно в Приморском и Забайкальском краях, а также в Кабардино-Балкарии.