Volfram

Sa Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na: navigacija, traži
Volfram
[Xe] 4f145d46s2 74W
   
Periodni sistem elemenata
Općenito
Hemijski element, Simbol, Atomski broj Volfram, W, 74
Serija Prelazni metali
Grupa, Perioda, Blok 6, 6, d
Izgled sivo-bijeli sjajni metal
Zastupljenost 6,4 · 10-3[1] %
Atomske osobine
Atomska masa 183,84 u
Atomski radijus (izračunat) 135 (193) pm
Kovalentni radijus 162 pm
Van der Waalsov radijus - pm
Elektronska konfiguracija [Xe] 4f145d46s2
Broj elektrona u energetskom nivou 2, 8, 18, 32, 12, 2
1. energija ionizacije 770 kJ/mol
2. energija ionizacije 1700 kJ/mol
Fizikalne osobine
Agregatno stanje čvrsto
Mohsova skala tvrdoće 7,5
Kristalna struktura kubična prostorno centrirana
Gustoća 19300[2] kg/m3
Magnetizam paramagnetičan
Tačka topljenja 3695 K (3422 °C)
Tačka ključanja 6203[3] K (5930 °C)
Molarni volumen 9,47 · 10-6 m3/mol
Toplota isparavanja 774[3] kJ/mol
Toplota topljenja 35,4 kJ/mol
Pritisak pare 4,27 Pa kod 3680 K
Brzina zvuka 5174 m/s kod 293,15 K
Specifična toplota 138 J/(kg · K)
Specifična električna provodljivost 18,52 · 106 S/m
Toplotna provodljivost 170 W/(m · K)
Hemijske osobine
Oksidacijsko stanje 6, 5, 4, 3, 2
Elektrodni potencijal -0,119 V (WO2 + 4H+ + 4e- → W + 2 H2O)
Elektronegativnost 2,36 (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER (MeV) PR
178W

sin

21,6 d ε 0,091 178Ta
179W

sin

37,05 min ε 1,060 179Ta
180W

0,13 %

1,08 • 1018 god α 2,516 176Hf
181W

sin

121,2 d ε 0,188 181Ta
182W

26,3 %

Stabilan
183W

14,3 %

Stabilan
184W

30,67 %

Stabilan
185W

sin

75,1 d β- 0,433 185Re
186W

28,6 %

Stabilan
187W

sin

23,72 h β- 1,311 187Re
188W

sin

69,4 d β- 0,349 188Re
Sigurnosno obavještenje
Oznake upozorenja

Lahko zapaljivo

F
Lahko zapaljivo
Obavještenja o riziku i sigurnosti R: 11
S: 43
Ukoliko je moguće i u upotrebi, koriste se SI osnovne jedinice.
Ako nije drugačije označeno, svi podaci su podaci dobiveni mjerenjima u normalnim uslovima.

Volfram [ˈvɔlfram] je hemijski element sa simbolom W i atomskim brojem 74. Spada u prelazne metale. U periodnom sistemu elemenata stoji u VI B grupi odnosno grupi hroma. Volfram je srebreni sjajni metal, u svom čistom stanju je krhak teški metal, velike relativne gustoće. Među svim metalima (u čistom stanju) ima najvišu tačku topljenja i drugu najvišu tačku ključanja. Njegova napoznatija upotreba je kao žareća nit (filament) u sijalicama.

Historija[uredi | uredi izvor]

Već u 16. vijeku frajberški mineralog Georgius Agricola je opisao pronalazak minerala među rudom kalaja iz Saksonije, koji je prilično otežavao dobijanje kalaja jer je povećavao udio šljake u rudi. Upravo dio njegovog imena volf (njem. Wolf - vuk) je izveden iz ove osobine, jer je taj mineral doslovno jeo rudu kalaja poput vuka. Da li se tada radilo o mineralu volframitu čak ni danas nije sa sigurnošću poznato, jer je on opisivao lahkoću tog minerala. Agicola je taj mineral nazvao lupi spuma, što na latinskom znači otprilike vučja pjena. Kasnije je nazvan volfram, iz srednjenjemačkog rām, otpad, čađ, jer se crnosivi metal vrlo lahko mogao samljeti i tada je izgledom podsjećao na čađ.[4] Njegov međunarodni hemijski simbol W je izveden iz njemačkog Wolfram.

U engleskom, italijanskom i francuskom jeziku, ovaj metal se naziva tungsten što je izvedeno iz švedskog Tung Sten, doslovnog značenja teški kamen. Međutim, u švedskom jeziku u to vrijeme, volfram se nije nazivao tim imenom, nego kalcij volframat. U njemu je njemačko-švedski hemičar Carl Wilhelm Scheele 1781. godine otkrio do tada nepoznatu so. Čisti volfram su dobili 1783. godine španski naučnici braća Fausto i Juan José Elhuyar, vođeni Scheeleovim otkrićima, putem redukcije volfram trioksida, a kojeg su dobili iz volframita.

Rasprostranjenost[uredi | uredi izvor]

Volframit iz Portugala

Udio voframa u Zemljinoj kori se kreće oko 0,0001 g/t[5] odnosno oko 0,0064 posto po težini. Do danas ovaj metal nije pronađen u samorodnom obliku u prirodi. Međutim, ruska akademija nauka je 1995. godine objavila izvještaj o postojanju samorodnog volframa, mada to otkriće nije potvrđeno od strane Međunarodne minerološke organizacije (IMA) i njene komisije za nove minerale, nomenklaturu i klasifikaciju (CNMNC).[6] Poznati su mnogi minerali volframa, uglavnom oksida te volframata. Najvažnije rude volframa su volframit (Mn, Fe)WO4 i šelit CaWO4. Osim njih, postoje i drugi voframovi minerali poput štolcita PbWO4 i tuneptita WO3 · H2O.

Najveća svjetska nalazišta volframa nalaze se u Kini, Peruu, SAD-u, Koreji, Boliviji, Kazahstanu, Rusiji, Austriji i Portugalu. U Njemačkoj se volframova ruda može pronaći u "Rudnom gorju" Erzgebirge. Dokazane i vjerovatne svjetske rezerve čistog volframa iznose oko 2,9 miliona tona. U Evropi najpoznatije nalazište volframa nalazi se u dolini Felbertal u austrijskoj saveznoj pokrajini Salzburg.

Proizvodnja[uredi | uredi izvor]

Svjetska proizvodnja čistog volframa 2006. godine iznosila je 73.300 tona[7]. Ubjedljivo najveći svjetski proizvođač volframa je Kina, gdje se proizvodi više od 80% ovog metala. Države sa najvećom proizvodnjom volframa u 2006. godini bile su:[7]

Rang Država Proizvedena količina
(u tonama godišnje)
1 Kina 62.000
2 Flag of Russia.svg Rusija 4.500
3 Flag of Canada.svg Kanada 2.500
4 Flag of Austria.svg Austrija 1.350
5 Flag of Portugal.svg Portugal 900
6 Flag of North Korea.svg Sjeverna Koreja 600
7 Flag of Bolivia.svg Bolivija 530
8 ostale države 900

Dobijanje[uredi | uredi izvor]

Kristali volframa visoke čistoće

Volfram se ne može dobiti redukcijom sa ugljom iz oksidnih ruda, jer tom reakcijom nastaje volfram karbid.

Dodavanjem rastvora amonijaka nastaje kompleks u obliku amonij-paravolframata (APW). On se isfiltrira iz rastvora i zatim se na temperaturi 600 °C pretvara u relativno čisti volfram trioksid. Žarenjem se iz njega dobija volfram(VI) oksid (WO3) koji se pri temperaturi od 800 °C u atmosferi vodonika reducira do čeličnosivog volframa:

\mathrm{WO_3 + 3 \ H_2 \longrightarrow W + 3 \ H_2O}

Ovim postupkom nastaje sivi prah volframa, koji se najčešće zgrušnjava u kalupima te se sinteruje u šipke pomoću električne struje. Na temperaturama preko 3400 °C kompaktni metal volframa se može istopiti u posebnim elektrolučnim pećima u reduciranoj atmosferi vodonika.[8]

Osobine[uredi | uredi izvor]

Fizičke[uredi | uredi izvor]

Volfram je srebreni, sjajni metal, u čistom stanju se lahko izvlači. Ima veoma veliku gustoću, tvrdoću i čvrstoću. Gustoća volframa je gotovo ravna gustoći zlata, a Brinelova tvrdoća mu iznosi 250 HB. Otpornost na izvlačenje volframa iznosi od 550-620 N/mm2 do 1920 N/mm.[9] Metal egzistira u stabilnoj kubičnoj-prostorno centriranoj α modifikaciji sa konstantom rešetke od 316 pm pri sobnoj temperaturi.[10] Ova vrsta kristalne strukture se često naziva i volframska vrsta. Kod neke supstance za koju se kaže da ima metastabilnu β-modifikaciju volframa (izobličenu kubičnu prostorno-centriranu), radi se zapravo o oksidu bogatim volframom W3O.[11]

Volfram ima najvišu tačku topljenja od 3422 °C među svim hemijskim elementima. Jedino se ugljik ne topi, ali na temperaturi od 3642 °C sublimira direktno u gasovito stanje. Tačka ključanja tečnog volframa iznosi 5555 °C što je manje jedino od rijetkog metala renija za oko 41 K, jer renij ključa na 5596 °C.[12][13]

Volfram je supraprovodnik pri kritičnoj temperaturi od oko 15 mK.[11]

Hemijske[uredi | uredi izvor]

Volfram je hemijski vrlo otporan metal, kojeg na sobnoj temperaturi ne napadaju kiseline poput zlatotopke ili fluoridne kiseline. Međutim, može se rastvoriti u smjesi fluoridne i dušične kiseline te u istopljenoj smjesi alkalnih nitrata i karbonata.

Izotopi[uredi | uredi izvor]

Poznata su 33 izotopa volframa i pet nuklearnih izomera. Od njih se samo pet izotopa javlja u prirodi: 180W, 182W, 183W, 184W i 186W. Izotop volframa 184W je najviše zastupljen u prirodi. Svih pet prirodnih izotopa bi, teoretski, mogli biti nestabilni, pošto se tokom CRESST eksperimenta 2004. godine u Laboratoriji nazionali del Gran Sasso došlo do popratnog rezultata pri potrazi za tamnom materijom da se izotop 180W raspada alfa-raspadom.[14] U tom eksperimentu izračunato je njegovo vrijeme poluraspada od 1,8 triliona godina, a takav raspad se u normalnim laboratorijskim uslovima nije mogao dokazati. Radioaktivnost ovog prirodnog izotopa je tako malehna, da se za sve praktične svrhe može potpuno zanemariti. Pretpostavljeno vrijeme poluraspada kod druga četiri prirodna izotopa bi, po današnjem stanju nauke, moglo biti još i duže, oko osam triliona godina. Vještački radioaktivni izotopi volframa imaju vrlo kratka vremena poluraspada i kreću se od 0,9 ms kod 185W do 121,2 dana kod 181W.

Spojevi[uredi | uredi izvor]

Oksidi[uredi | uredi izvor]

Volfram gradi mnoge okside.[15] Između početnog člana:

i krajnjeg člana:

postoje još sljedeći intermedijarni oksidi:

  • W10O29 plavoljubičast, homogenitetna oblast WO2,92-WO2,88
  • W4O11 crvenoljubičast, homogenitetna oblast WO2,76-WO2,73
  • W18O49, WO2,72, crvenoljubičasti kristalni prah. Poluprovodnik, gustoće 7,72 g/cm3, kristalne strukture: deformirani tip DO6, monoklinski, prostorne grupe P2/m (a = 1832 pm, b = 379 pm, c = 1404 pm, ß = 115,2°).[5]
  • W20O50, WO2,50

Drugi spojevi[uredi | uredi izvor]

  • Natrij volframat Na2WO4
  • Cirkonij volframat ZrW2O8 pri zagrijavanju pokazuje anomaliju gustoće.
  • Volfram oksid hidroksid određenog sastava i sa oksidacijskim brojevima između 5 i 6 je plave boje. Oni se općenito nazivaju volframsko plavo, a nerijetko se u mnogi slučajevima zamjenjuje sa molibden plavom. Volframsko plavo služi i kao indikator prisutnosti volframata iz kojih i nastaje putem redukcije.[15]
  • Volfram bronza MxWO3; gdje je M= alkalni, zemnoalkalni metal ili lantanoid, oko 0,3 < x < 0,9 posjeduje osobine električne provodljivosti i intenzivno je obojen u zavisnosti od udjela metala.
  • Kalcij volframat CaWO4 je poznat kao mineral pod nazivom šelit.
  • Volfram karbid WC je ekstremno tvrdi spoj metalnog izgleda i osobina. Osim njega postoji još i divolfram karbid W2C.
  • Volfram heksafluorid WF6
  • Olovo volframat PbWO4
  • Volfram disulfid WS2 našao je upotrebu kao sredstvo za suho podmazivanje (slično kao MoS2)

Upotreba[uredi | uredi izvor]

Oko 90% svjetske proizvodnje volframa se koristi za proizvodnju ferovolframa odnosno volframovog čelika.[16] Volframov čelik (visokolegirani čelik volframom) se osnovni materijal za alatne čelike. Volfram u njima služi za stvaranje volfram karbida da bi se pri upotrebi povećala njihova sekundarna čvrstoća. Zbog svoje visoke tačke topljenja, volfram je jedan od najznačajnijih materijala za proizvodnju volfram-molibden legura za lopatice turbina u takozvanoj hot-sekciji turbine u svakom pogonskom motoru mlaznih aviona.

Početak žareće niti

Najpoznatija upotreba čistog volframa je u industriji rasvjetnih tijela i sijalica kao filament (žareća nit) u sijalicama i kao elektroda u gasnim lampama i elektronskim cijevima.

U sijalicama najviše dolazi do izražaja što je električna provodljivost volframa značajno niža nego kod drugih provodničkih metala poput bakra i aluminija. Pri tome se tanke žareće niti od volframa toliko usiju, da emituju jako svijetlo, dok se kod debljih provodnika od drugih provodničkih materijala gotovo ikako zagriju.

Zbog njegove velike gustoće, koristi se kao zaštita od zračenja. Iako ima veću gustoću a time i bolje štiti od zračenja od olova, ali se u ove svrhe mnogo manje koristi od njega, jer je dosta skuplji i teže se obrađuje od olova. Iz istog razloga velike gustoće volframa, koristi se u nekim svjetskim vojskama za proizvodnju jezgra projektila u obliku volfram karbida umjesto osiromašenog uranija koji je u vojno-tehničkom pogledu smrtonosniji, ali je ujedno i radioaktivan i otrovan. U Drugom svjetskom ratu Njemačka je prvi put koristila kinetički penetrator napravljen od volframa, a i danas se on koristi u Bundeswehru. Nacistički režim se snažno zalagao da dođe do velikih količina volframa kojeg su smatrali važnim za ratne svrhe. U to vrijeme Portugal je izvozio volfram i Saveznicima i Njemačkoj.[17]

Volfram se može primijeniti i kao materijal za aparature u hemijskim postrojenjima, jer je vrlo otporan na koroziju. Međutim, njegova primjena u te svrhe je relativno rijetka, jer se volfram vrlo slabo može obrađivati. Da bi se predmet od volframa zavario, neophodno je koristiti laserske ili elektronske zrake. Slične poteškoće proizilaze pri upotrebi volframa u oblasti medicinske tehnike.

U fiziologiji, a naročito u neurofiziologiji volfram se koristi za mikroelektrode za vanćelijsku odvodnju.

Zavarivanje volframom u internoj atmosferi (GTAW)

Osim toga, elektrode za zavarivanje se izrađuju od volframa, naprimjer kada je potrebno zavariti predmet od bakra, bronze ili mesinga. Osim toga elektrode u univerzalnom GTAW procesu zavarivanja (zavarivanje volframom u atmosferi inertnog gasa) napravljene su od volframa ili neke njegove legure. Te elektrode se pri procesu zavarivanje ne tope. Svjetlosni luk koji nastaje pri zavarivanju gori u obliku plazme u zaštitnoj atmosferi između elektrode i predmeta koji se zavaruje. Materijal koji se ispunjavaju šupljine se odvojeno dodaje u obliku štapića.

Prsten (nakit) od volfram karbida

U sportu volfram je našao primjenu u izradi visoko vrijednih drški strelica za pikado, vrhova strijela u sreličarstvu, glava čekića za bacanje kladiva, da bi se smanjio otpor zraka i promjer rotacije. U Formuli 1 dodatna težina bolida se postiže stavljanjem volframskih ploča, da bi se, po pravilima za sezonu 2013., zadovoljila minimalna težina bolida (uključujući gorivo, kočione i rashladne tekućine, sa vozačem i njegovom opremom) koja iznosi 642 kg.[18] Nedavno su se počeli koristiti stabilizatori jedrilica načinjeni od volframa, da bi se smanjio otpor vode u odnosu na klasične stabilizatore od olova ili lijevanog željeza. Pored toga već postoje teniski reketi u čije se okvire od ugljika ubacuju vlakna od volframa. Time se mogu tačno određeni dijelovi rama reketa dodatno stabilizirati te poboljšati preciznost udarca.

Zbog slične gustoće volframa i zlata, postoje brojni izvještaji da se volfram često koristi za falsificiranje zlatnih poluga, tako što se jezgro od volframa oblaže tankim slojem zlata.[19]

Kod mušičarenja (ribolov) umjetni mamci poput nimfi ili kedera se otežavaju volframskim utezima da bi mamci prije i dublje potonuli.

Strune za muzičke instrumente se jednim dijelom ojačavaju volframom, da bi im se povećala težina i na taj način smanjila visina tona.

Volfram je našao primjenu i u rendgenskoj dijagnostici kao ciljni materijal na anodi. K_\alpha- i K_\beta linije karakterističnog rendgenskog zračenja iznose 59 keV odnosno 67 keV.

U rasterskoj tunelskoj mikroskopiji volfram se često koristi kao materijal za vrhove sondi.

Početkom 21. vijeka volfram karbid pogrešno nazvan volfram, prerađuje se kao nakit (tungstenov nakit) u obliku prstenja. Ovo se vrlo lahko može provjeriti mjerenjem njegove gustoće i čvrstoće. Volfram karbid (WC) ima Mohsovu tvrdoću od 9,5 dok čisti volfram ima 7,5. Do danas se gotovo sav nakit koji se ovako deklarira izrađuje od volfram karbida.

Fiziologija[uredi | uredi izvor]

Volfram se smatra pozitivnim bioelementom naročito u enzimima koje stvara anaerobna bakterija Eubacterium acidaminophilum u obliku kofaktora. E. acidaminophilum je bakterija koja ima sposobnost prerađivanja nekih aminokiselina, gdje ona koristi volfram u enzimima formiat-dehidrogenazi i aldehid-dehidrogenazi. U ovim organizmima volfram zamjenjuje molibden, jer je volfram daleko rasprostranjeniji u njenom prirodnom okruženju (vulkanskim kraterima na morskom dnu).[20][21][22]

Toksikologija[uredi | uredi izvor]

Po sadašnjem stanju nauke, volfram i njegovi spojevi se smatraju fiziološki bezopasni. Slučajevi karcinoma pluća koji su zabilježeni kod radnika u preradi i obradi metala volframa, pripisani su uvijek prisutnom kobaltu.[23] U eksperimentima na životinjama dokazano je da najveći dio volframa i volframovih spojeva koji se unesu peroralno u organizam, vrlo brzo se izluče putem urina. Samo mali dio volframa dospijeva u krvnu plazmu i tamo prelazi u eritrocite. Konačno, volfram putem krvi dolazi do kostiju i bubrega i tamo se deponuje. Čak i tri mjeseca nakon unošenja volframa u organizam najveći dio unijetog volframa i dalje se može dokazati sadržan u kostima.[24]

U gradu Fallon u Nevadi 2003. godine otkriveno je 16 slučajeva djece koja su od 1997. godine oboljela od leukemije, a u gradu Sierra Vista u Arizoni bilo je 9 takvih slučajeva. U tom području, nazvanim karcinomsko žarište, odnosno lokalno područje sa nadprosječnim brojem slučajeva pojave karcinoma, dokazano je da je voda za piće imala izuzetno visoke koncentracije volframa. Nakon istrage, u urinu osoba sa tog područja dokazane su značajno povećane koncentracije volframa. Oba grada su poznata po svojim nalazištima rude volframa.[25][26] U ispitivanjima koja su trajala gotovo godinu dana, CDC (Centar za kontrolu bolesti) nije uspio dokazati direktnu uzajamnu vezu između volframa i slučajeva leukemije. Volfram ni u jednom testu nije pokazao kancerogeno djelovanje, a u drugim gradovima u Nevadi kod osoba sa sličnim nivoima volframa u urinu nije dijagnosticiran nijedan slučaj raka.

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3
  2. ^ N. N. Greenwood und A. Earnshaw: Chemie der Elemente, 1. izd., VCH, Weinheim 1988, str. 1291, ISBN 3-527-26169-9
  3. ^ a b Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. u: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, str. 328–337, doi:10.1021/je1011086
  4. ^ Kluge: Etymologisches Wörterbuch der deutschen Sprache. (24. izd.) Berlin: Walter de Gruyter 2002, str. 995–996. ISBN 3-11-017473-1
  5. ^ a b Hans Breuer: dtv-Atlas Chemie, Band 1. dtv-Verlag, 9. izd., 2000, str. 243 ISBN 3-423-03217-0
  6. ^ IMA/CNMNC List of Mineral Names – Tungsten (engl, PDF; str. 290)
  7. ^ a b Wolfram bei usgs mineral Resources (PDF)
  8. ^ Abbildung zonengeschmolzene Wolfram Stücke.
  9. ^ Wolfram - online Katalog - Lieferant von Materialien in kleinen Mengen fuer die Forschung - Goodfellow.
  10. ^ Tungsten Properties
  11. ^ a b Holleman-Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 101. izd.
  12. ^ WebElements: Rhenium.
  13. ^ WebElements: Tungsten.
  14. ^ Cristina Cozzini et al, Detection of the natural α decay of tungsten, Physical Review C (2004), preprint.
  15. ^ a b Heinrich Remy: Lehrbuch der Anorganischen Chemie Band II, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig Leipzig 1961, str. 218
  16. ^ Wolfram. u: Lexikon der Chemie. Spektrum Akad. Verl., www.wissenschaft-online.de-Internetportal, bez godine izdanja (internet-verzija).
  17. ^ zeit.de
  18. ^ FIA publishes new F1 rules for 2013 and 2014, 11. decembar 2012.
  19. ^ Vorsicht Fälschung, Wolfram im Goldmantel (5.4.2012). Učitano: 24.10.2012.
  20. ^ Rauh D et al. Tungsten-containing aldehyde oxidoreductase of Eubacterium acidaminophilum., u Eur J Biochem, 271/2004, str. 212–219.
  21. ^ Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Wolframat-Aufnahme Gram-positiven anaeroben Bakterien, 23. novembar 2007
  22. ^ Bevers LE, Hagedoorn PL, Hagen WR (2009). "The bioinorganic chemistry of tungsten". Coord. Chem. Rev. 253: 269–290.
  23. ^ Agency for Toxic Substances & Disease Registry: Toxicologic Profile for Tungsten, 22. februar 2009.
  24. ^ George Kazantzis i Per Leffler, u: Handbook on the Toxicology of Metals (3. izd.), 2007, str. 871–879.
  25. ^ Izvještaj od 4. februara 2003, Wolfram für die Entstehung von Leukämie mitverantwortlich?
  26. ^ "Pressetext Austria" od 4. februara 2003, Wolfram verändert Leukämie-Zellen

Vanjski linkovi[uredi | uredi izvor]

Commons logo
U Wikimedijinom spremniku se nalazi još materijala vezanih uz: