Tungsteno

Tungsteno
←  Tantalio | Renio  →
74 Mes ↑ W ↓ sg 74W _
Apariencia de una sustancia simple.
Metal duradero refractario, gris claro [1]
Cristales de tungsteno depositados desde la fase gaseosa.
Propiedades del átomo
Nombre, símbolo, número	Tungsteno / Wolframio (W), 74
Grupo , período , bloque	6, 6, elemento d
Masa atómica ( masa molar )	183.84(1) [2]  a. m.e.  ( g / mol )
Configuración electrónica	[Xe] 4f 14 5d 4 6s 2
Radio del átomo	137 [1] p . m.
Propiedades químicas
radio covalente	170  horas
Radio de iones	(+6e) 62 (+4e)  70h
Electronegatividad	2.3 (escala de Pauling)
Potencial de electrodo	W ← W 3+ 0,11 V W ← W 6+ 0,68 V
Estados de oxidación	+2, +3, +4, +5, +6 [1]
Energía de ionización (primer electrón)	769,7 (7,98)  kJ / mol  ( eV )
Propiedades termodinámicas de una sustancia simple.
Densidad (en n.a. )	19,25 [3]  g/cm³
Temperatura de fusión	3695K ( 3422 °C, 6192 °F) [3]
Temperatura de ebullición	5828 K (5555 °C, 10 031 °F) [3]
Oud. calor de fusión	285,3 kJ/kg 52,31 [4] [5]  kJ/mol
Oud. calor de evaporacion	4482 kJ/kg 824 kJ/mol
Capacidad calorífica molar	24,27 [6]  J/(K mol)
Volumen molar	9,53  cm³ / mol
La red cristalina de una sustancia simple.
Estructura de celosía	cuerpo cúbico centrado
Parámetros de celosía	3.160Å  _
Debye temperatura	310K  _
Otras características
Conductividad térmica	(300 K) 162,8 [7]  W/(m·K)
número CAS	7440-33-7

El tungsteno ( símbolo químico  - W, del lat.  Wolframium ) es un elemento químico del sexto grupo (según la clasificación obsoleta  , un subgrupo lateral del sexto grupo, VIB) del sexto período del sistema periódico de elementos químicos de D. I. Mendeleev , con número atómico 74.

En condiciones normales, el tungsteno es un metal duro, pesado y lustroso [1] [6] de color gris plateado. Tiene una densidad ligeramente superior a la del uranio metálico .

El tungsteno es el metal más refractario de la tabla periódica. Se refiere a los metales de transición .

Historia y origen del nombre

El nombre Wolframium se transfirió al elemento del mineral wolframita , conocido desde el siglo  XVI. bajo el nombre de "espuma de lobo" - lat.  spuma lupi o alemán.  Wolf Rahm [6] [8] [ ver  enlace (33 días ya) ] . El nombre se debió al hecho de que el tungsteno, que acompañaba a los minerales de estaño, interfería con la fundición del estaño , convirtiéndolo en espuma de escoria ("devoraba el estaño como un lobo a una oveja").

En inglés y francés , el tungsteno se llama tungsteno (del sueco tung sten  - "piedra pesada"). En 1781, el famoso químico sueco Karl Scheele , al tratar el mineral scheelita con ácido nítrico , obtuvo una “piedra pesada” amarilla (trióxido de tungsteno WO 3 ) [9] . En 1783, los químicos españoles, los hermanos Eluard, informaron haber obtenido del mineral sajón wolframita tanto un óxido amarillo de un nuevo metal soluble en amoníaco como el propio metal [10] . Al mismo tiempo, uno de los hermanos, Fausto, estaba en Suecia en 1781 y se comunicaba con Scheele. Scheele no afirmó haber descubierto el tungsteno y los hermanos Eluard no insistieron en su prioridad.

Estar en la naturaleza

El clarke de tungsteno en la corteza terrestre es (según Vinogradov) 1,3 g/t (0,00013% del contenido en la corteza terrestre). Su contenido medio en rocas, g/t: ultrabásico - 0,1, básico - 0,7, medio - 1,2, ácido - 1,9.

El tungsteno se encuentra en la naturaleza principalmente en forma de compuestos complejos oxidados formados por trióxido de tungsteno WO 3 con óxidos de hierro y manganeso o calcio y, a veces, plomo, cobre, torio y elementos de tierras raras. La wolframita (tungstato de hierro y manganeso n FeWO 4 · m MnWO 4  - respectivamente, ferberita y hübnerita ) y la scheelita ( tungstato de calcio CaWO 4 ) son de importancia industrial . Los minerales de tungsteno suelen estar intercalados en rocas graníticas, por lo que la concentración media de tungsteno es del 1-2%.

Depósitos

Kazajstán , China , Canadá y Estados Unidos tienen las mayores reservas ; También se conocen yacimientos en Bolivia , Portugal , Rusia , Uzbekistán y Corea del Sur . La producción mundial de tungsteno es de 49-50 mil toneladas por año, incluidas 41 en China, 3,5 en Rusia; Kazajstán 0,7, Austria 0,5. Los principales exportadores de tungsteno: China, Corea del Sur, Austria . Principales importadores: EE. UU., Japón , Alemania , Reino Unido .
También hay depósitos de tungsteno en Armenia y otros países.

Propiedades físicas

La configuración electrónica completa del átomo de tungsteno es: 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 .

El tungsteno es un metal gris claro brillante que tiene los puntos de fusión y ebullición comprobados más altos (se supone que el seaborgio es aún más refractario, pero hasta ahora esto no puede afirmarse con firmeza: la vida útil del seaborgio es muy corta). El tungsteno tiene una dureza de Mohs de 7,5 y solo es superado por el cromo (dureza de Mohs de 8,5) en términos de dureza entre los metales puros. Punto de fusión  - 3695 K (3422 °C), hierve a 5828 K (5555 °C) [3] . La densidad del tungsteno puro en condiciones normales es de 19,25 g/cm³ [3] , el tungsteno líquido en un punto de fusión de 16,65 g/cm³ [6] . Tiene propiedades paramagnéticas ( susceptibilidad magnética 0.32⋅10 −9 ). Dureza Brinell 488 kg/mm². resistividad eléctrica a 25 °C — 55⋅10 −9 Ohm m, a 2700 °C — 904⋅10 −9 Ohm m; coeficiente de temperatura de resistencia 5,0 10 −3 K −1 (0—200 °C) [6] . La velocidad del sonido en el tungsteno recocido es de 4290 m/s. Coeficiente de temperatura de expansión lineal 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 ] . Conductividad térmica 153 W/(m·K) a 298 K, 105 W/(m·K) a 1873 K [6] . Difusividad térmica 3,17 10 3 m 2 /sa 1873 K, 2,3 10 3 m 2 /sa 2873 K [6] .

El tungsteno es uno de los metales más pesados, duros y refractarios [6] . En su forma pura, es un metal blanco plateado, similar al platino, a una temperatura de alrededor de 1600 ° C se presta bien a la forja y se puede estirar en un hilo delgado. El metal es muy estable en el vacío [11] . El coeficiente de compresibilidad es el más pequeño entre todos los metales (respectivamente, el módulo de elasticidad aparente es el más grande entre los metales) [6] .

El tungsteno en condiciones normales existe en dos modificaciones cristalinas. La modificación estable (α-tungsteno) forma cristales del sistema cúbico (red centrada en el cuerpo), grupo espacial Im 3 m , parámetros de celda  a = 0.31589 nm , Z = 2 [6] . Modificación metaestable (β-tungsteno) - cristales cúbicos , grupo espacial Pm 3 n , parámetros de celda  a = 0.5036 nm , Z = 8 , d = 19.0 g / cm 3 (estructura tipo tricrómico siliciuro Cr 3 Si, también conocida como fase A15 ). La modificación metaestable se forma durante la reducción del trióxido de tungsteno con hidrógeno a temperaturas de 440 a 520 °C [12] , así como durante la electrólisis de una fusión de tungstatos [13] , se convierte en alfa-W cuando se calienta por encima de 520°C [12] [6] . Aunque la fase β del tungsteno se obtuvo por primera vez en 1931, muchos autores creían que en realidad se trataba de subóxido de tungsteno con la fórmula W 14 ... 20 O o una fase estabilizada por una impureza de oxígeno; también se supone que esta fase se puede describir como un compuesto iónico W 3 W, "tungsteno amida de tungsteno", con átomos de tungsteno en diferentes estados de oxidación. Recién en 1998 se demostró que el β-tungsteno también existe en ausencia de una mezcla de oxígeno [13] .

Algunas características físicas del α-tungsteno y el β-tungsteno difieren significativamente. La temperatura de transición al estado superconductor del α-tungsteno es de 0,0160 K [6] , para la fase beta esta temperatura oscila entre 1 y 4 K; una mezcla de fases puede volverse superconductora a temperaturas intermedias, dependiendo del contenido relativo de las fases [14] . La resistencia específica del β-tungsteno es tres veces mayor que la del α-tungsteno [15]

Propiedades químicas

Muestra valencia de 2 a 6. El más estable es el tungsteno 6-valente. Los compuestos de tungsteno trivalente y bivalente son inestables y no tienen importancia práctica.

El tungsteno tiene una alta resistencia a la corrosión: no cambia en el aire a temperatura ambiente; a una temperatura de calor rojo, se oxida lentamente a óxido de tungsteno (VI) . Sin embargo, el polvo fino reducido de tungsteno es pirofórico [12] . El tungsteno en la serie de voltajes está inmediatamente después del hidrógeno y es casi insoluble en los ácidos clorhídrico, sulfúrico y fluorhídrico diluidos. En ácido nítrico y agua regia , se oxida desde la superficie. Soluble en peróxido de hidrógeno.

Fácilmente soluble en una mezcla de ácidos nítrico y fluorhídrico [16] :

Reacciona con álcalis fundidos en presencia de oxidantes [16] :

Al principio, estas reacciones son lentas, pero cuando alcanzan los 400 °C (500 °C para una reacción que involucra oxígeno), el tungsteno comienza a autocalentarse y la reacción avanza con bastante rapidez, con la formación de una gran cantidad de calor.

Se disuelve en una mezcla de ácidos nítrico y fluorhídrico, formando ácido hexafluorotúngstico H 2 [WF 6 ]. De los compuestos de tungsteno, los más importantes son: el trióxido de tungsteno o anhídrido de tungsteno, los tungstatos, los compuestos peróxidos de fórmula general Me 2 WO X , así como los compuestos con halógenos, azufre y carbono. Los tungstatos tienden a formar aniones poliméricos , incluidos compuestos heteropoliméricos con inclusiones de otros metales de transición.

Conseguir

El proceso de obtención del tungsteno pasa por la subetapa de separación del trióxido WO 3 de los concentrados del mineral y posterior reducción a polvo metálico con hidrógeno a una temperatura de aprox. 700°C. Debido al alto punto de fusión del tungsteno, los métodos de pulvimetalurgia se utilizan para obtener una forma compacta : el polvo resultante se prensa, se sinteriza en una atmósfera de hidrógeno a una temperatura de 1200-1300 ° C , luego se hace pasar una corriente eléctrica a través de él . El metal se calienta a 3000 °C y se produce la sinterización en un material monolítico. Para la posterior purificación y obtención de una forma monocristalina se utiliza la fusión por zonas [17] .

Aplicación

La principal aplicación del tungsteno es como base de materiales refractarios en metalurgia.

Tungsteno metálico

• La refractariedad del tungsteno lo hace indispensable para los filamentos de los artefactos de iluminación , así como para los cinescopios y otros tubos de vacío.
• Debido a su alta densidad, el tungsteno es la base de aleaciones pesadas , que se utilizan para contrapesos, núcleos perforantes de proyectiles de artillería emplumados de subcalibre y en forma de flecha , núcleos de balas perforantes y rotores de giroscopio de ultra alta velocidad. para estabilizar el vuelo de misiles balísticos (hasta 180 mil rpm).
• El tungsteno se utiliza como electrodos para la soldadura por arco de argón .
• Las aleaciones de tungsteno, debido a su alto punto de fusión, se obtienen por pulvimetalurgia. Las aleaciones que contienen tungsteno se distinguen por su resistencia al calor, resistencia a los ácidos, dureza y resistencia a la abrasión. Se utilizan para fabricar instrumentos quirúrgicos (aleación " amaloy "), armaduras de tanques, proyectiles de torpedos y proyectiles, las partes más importantes de aviones y motores, y contenedores para almacenar sustancias radiactivas. El tungsteno es un componente importante de los mejores grados de aceros para herramientas .
• El tungsteno se utiliza en hornos de resistencia al vacío de alta temperatura como elementos de calefacción. Una aleación de tungsteno y renio se usa en hornos como un termopar .
• La alta densidad del tungsteno lo hace adecuado para proteger contra la radiación ionizante. A pesar de la mayor densidad en comparación con el plomo tradicional y más barato, el blindaje de tungsteno es menos pesado para las mismas propiedades protectoras [18] o más eficaz para el mismo peso [19] . Debido a la infusibilidad y dureza del tungsteno, que dificultan su procesamiento, en tales casos se utilizan aleaciones de tungsteno más dúctiles con la adición de níquel , hierro , cobre , etc. [20] o una suspensión de tungsteno en polvo (o sus compuestos). ) en una base polimérica [21] .

Compuestos de tungsteno

• Para el procesamiento mecánico de metales y materiales estructurales no metálicos en ingeniería mecánica ( torneado , fresado , cepillado , ranurado ), perforación de pozos , en la industria minera, se utilizan ampliamente aleaciones duras y materiales compuestos a base de carburo de tungsteno (por ejemplo, win , que consiste en cristales de WC en una matriz de cobalto ; grados ampliamente utilizados en Rusia - VK2, VK4, VK6, VK8, VK15, VK25, T5K10, T15K6, T30K4), así como mezclas de carburo de tungsteno , carburo de titanio , carburo de tantalio (grados TT para condiciones de procesamiento especialmente difíciles, por ejemplo, cincelado y cepillado de piezas forjadas de aceros resistentes al calor y taladrado de percusión rotativa de material resistente). Es ampliamente utilizado como elemento de aleación (a menudo junto con molibdeno) en aceros y aleaciones a base de hierro. El acero de alta aleación, clasificado como "de alta velocidad" con una marca que comienza con la letra P, casi siempre contiene tungsteno.
• El sulfuro de tungsteno WS 2 se utiliza como lubricante para altas temperaturas (hasta 500 °C) , que tiene una alta resistencia a la humedad y al calor [22] .
• Algunos compuestos de tungsteno se utilizan como catalizadores y pigmentos .
• Los cristales individuales de volframatos ( volframatos de plomo , cadmio , calcio ) se utilizan como detectores de centelleo de rayos X y otras radiaciones ionizantes en física nuclear y medicina nuclear .
• El ditellururo de tungsteno WTe 2 se utiliza para convertir la energía térmica en energía eléctrica (la termo-EMF es de aproximadamente 57 μV/K ).

Otros usos

El radionúclido artificial 185 W se utiliza como marcador radiactivo en el estudio de la materia. El 184 W estable se utiliza como componente de las aleaciones de uranio-235 utilizadas en motores de cohetes nucleares de fase sólida , ya que es el único isótopo de tungsteno común que tiene una sección transversal de captura de neutrones térmicos baja (alrededor de 2 graneros ).

Mercado de tungsteno

Los precios del tungsteno metálico (contenido de elementos de alrededor del 99%) a finales de 2010 eran de unos 40-42 dólares estadounidenses por kilogramo, en mayo de 2011 eran de unos 53-55 dólares estadounidenses por kilogramo. Productos semielaborados desde 58 USD (barras) hasta 168 (tira delgada). En 2014, los precios del tungsteno oscilaron entre 55 y 57 USD [23] .

Rol biológico

El tungsteno no juega un papel biológico significativo. Algunas arqueobacterias y bacterias tienen enzimas que incluyen tungsteno en su centro activo. Hay formas obligadas dependientes de tungsteno de arqueobacterias hipertermófilas que viven alrededor de los respiraderos hidrotermales de aguas profundas. La presencia de tungsteno en la composición de las enzimas se puede considerar como una reliquia fisiológica del Arcaico temprano  ; hay sugerencias de que el tungsteno desempeñó un papel en las primeras etapas de la vida [24] .

El polvo de tungsteno , como la mayoría de los otros tipos de polvo metálico, irrita el sistema respiratorio.

Isótopos

Isótopos conocidos de tungsteno con números de masa de 158 a 192 (número de protones 74, neutrones de 84 a 118) y más de 10 isómeros nucleares [25] .

El tungsteno natural consta de una mezcla de cinco isótopos ( 180 W - 0,12 (1) %, 182 W - 26,50 (16) %, 183 W - 14,31 (4) %, 184 W - 30,64 (2) % y 186 W - 28,43 (19) %) [25] . En 2003 , se descubrió una radiactividad extremadamente débil del tungsteno natural [26] (unas dos desintegraciones por gramo de elemento por año), debido a la actividad α de 180 W, que tiene una vida media de 1,8⋅10 18 años [ 27] .

Notas

1. ↑ 1 2 3 4 Rakova N. N. TUNGSTENO . bigenc.ru . Gran enciclopedia rusa - versión electrónica (2016). Fecha de acceso: 8 de agosto de 2020. (Ruso)
2. ↑ Meija J. et al. Pesos atómicos de los elementos 2013 (Informe Técnico IUPAC  )  // Química Pura y Aplicada . - 2016. - Vol. 88 , núm. 3 . - pág. 265-291 . -doi : 10.1515 / pac-2015-0305 .
3. ↑ 1 2 3 4 5 Tungsteno : propiedades físicas  . Elementos web. Consultado: 17 de agosto de 2013.
4. ↑ Manual CRC de Química y Física / DR Lide (Ed.). — 90ª edición. — Prensa de la CRC; Taylor y Francis, 2009. - Pág. 6-134. — 2828 pág. — ISBN 1420090844 .
5. ↑ Consulte una revisión de las mediciones en: Tolias P. (2017), Expresiones analíticas para propiedades termofísicas de tungsteno sólido y líquido relevantes para aplicaciones de fusión, arΧiv : 1703.06302 . 
6. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Zelikman A. N. Wolfram // Enciclopedia química  : en 5 volúmenes / Cap. edición I. L. Knunyants . - M .: Enciclopedia soviética , 1988. - T. 1: A - Darzana. - S. 418-420. — 623 pág. — 100.000 copias.  - ISBN 5-85270-008-8 .
7. ↑ Propiedades termofísicas del tungsteno
8. ↑ Gran Enciclopedia Soviética Cap. edición A. M. Projorov. - 3ra ed. - M .: Sov. encicl., 1969-1978
9. ↑ Scheelit // Diccionario enciclopédico de Brockhaus y Efron  : en 86 volúmenes (82 volúmenes y 4 adicionales). - San Petersburgo. , 1890-1907.
10. ↑ https://web.archive.org/web/20110721214254/http://www.itia.info/FileLib/Newsletter_2005_06.pdf
11. ↑ El titanio es el metal del futuro . (Ruso)
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Enlaces

• Tungsteno en la Biblioteca Popular de Elementos Químicos
• Precios mundiales del tungsteno  (ing.) . metalprices.com. Consultado el 17 de agosto de 2013. Archivado desde el original el 18 de agosto de 2013.

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