A volfrám egy kémiai elem, amelynek rendszáma 74. Ez a nehézfém az acélszürkétől a fehérig rendkívül tartós, ezért sok esetben egyszerűen pótolhatatlan. Olvadáspontja magasabb, mint bármely más fémé, ezért izzólámpákban izzószálként és elektromos kemencék fűtőelemeként használják (például cirkónium-volfrám ötvözet). Az elem kémiája lehetővé teszi katalizátorként történő felhasználását. Kivételes keménysége alkalmassá teszi a "gyorsacélokban" való használatra, amelyek lehetővé teszik az anyagok nagyobb sebességű vágását, mint a szénacélok és magas hőmérsékletű ötvözetek. A volfrámkarbid, az elem szénnel alkotott vegyülete, az egyik legkeményebb ismert anyag, maró- és esztergaszerszámok készítésére használják. A kalcium- és magnézium-volframátot széles körben használják fénycsövekben, a wolfram-oxidokat pedig festékekben és kerámia mázban.
Felfedezési előzmények
Ennek a kémiai elemnek a létezését először Peter Woolf vetette fel 1779-ben, amikor megvizsgálta a wolframit ásványt, és rájött.arra a következtetésre, hogy új anyagot kell tartalmaznia. 1781-ben Carl Wilhelm Scheele megállapította, hogy a volfrámitból új savat lehet nyerni. Scheele és Thorburn Bergman azt javasolta, hogy fontolják meg egy új fém előállításának lehetőségét ennek a savnak a redukálásával, amelyet volfrámsavnak neveznek. 1783-ban két testvér, José és Fausto Elguiar olyan savat talált a wolframitben, amely azonos volt a volfrámsavval. Ugyanebben az évben a testvéreknek sikerült szénnel elkülönítenie belőle a wolframot.
A második világháború alatt ez a kémiai elem óriási szerepet játszott. A fém magas hőmérsékletekkel szembeni ellenálló képessége, valamint ötvözeteinek rendkívüli szilárdsága a volfrámot a hadiipar legfontosabb alapanyagává tette. A hadviselő felek nyomást gyakoroltak Portugáliára, mint a volframit fő forrására Európában.
A természetben lenni
A természetben az elem a wolframitban (FeWO4/MnWO4), scheelitben (CaWO4) fordul elő), ferberit és hübnerit. Ezen ásványok fontos lelőhelyei az USA-ban Kaliforniában és Coloradóban, Bolíviában, Kínában, Dél-Koreában, Oroszországban és Portugáliában találhatók. A világ volfrámtermelésének körülbelül 75%-a Kínában összpontosul. A fémet oxidjának hidrogénnel vagy szénnel történő redukálásával nyerik.
A világ készleteit 7 millió tonnára becsülik, és feltételezések szerint ennek 30%-a wolframit és 70%-a scheelit lelőhely. Jelenleg fejlesztésük gazdaságilag nem életképes. A fogyasztás jelenlegi szintjén ezek a tartalékok mindössze 140 évre elegendőek. Egy másik értékes forrása wolfram a fémhulladék újrahasznosítása.
Főbb jellemzők
A wolfram egy kémiai elem, amelyet átmeneti fémek közé sorolnak. W szimbóluma a latin wolframium szóból származik. A periódusos rendszerben a VI. csoportban található a tantál és a rénium között.
A volfrám legtisztább formájában kemény anyag, amelynek színe az acélszürkétől az ónfehérig terjed. A szennyeződések miatt a fém törékennyé válik és nehezen megmunkálható, de ha hiányoznak, akkor fémfűrésszel vágható. Ezenkívül kovácsolható, hengerelhető és húzható.
A volfrám egy kémiai elem, amelynek olvadáspontja a legmagasabb az összes fém közül (3422 °C). Ennek van a legalacsonyabb gőznyomása is. Ennek a legnagyobb szakítószilárdsága is a T> 1650 °C-on. Az elem rendkívül ellenáll a korróziónak, és csak kis mértékben támadják meg az ásványi savak. Levegővel érintkezve a fém felületén védőoxidréteg képződik, de a volfrám magas hőmérsékleten teljesen oxidálódik. Ha kis mennyiségben acélhoz adjuk, a keménysége drámaian megnő.
Izotópok
A természetben a wolfram öt radioaktív izotópból áll, de olyan hosszú felezési idejük van, hogy stabilnak tekinthetők. Mindegyikük hafnium-72-vé bomlik alfa-részecskék kibocsátásával (ami a hélium-4 atommagoknak felel meg). Alfa-bomlás csak 180W-ben figyelhető meg, ezek közül a legkönnyebb és legritkábbizotópok. Évente átlagosan két alfa-bomlás történik 1 g természetes wolframban 180W.
Ezen kívül a volfrám 27 mesterséges radioaktív izotópját is leírták. Ezek közül a legstabilabb a 181W, felezési ideje 121,2 nap, 185W (75,1 nap), 188 W (69, 4 nap) és 178W (21, 6 nap). Az összes többi mesterséges izotóp felezési ideje kevesebb, mint egy nap, és legtöbbjük kevesebb, mint 8 perc. A volfrámnak négy „metastabil” állapota is van, amelyek közül a legstabilabb a 179mW (6,4 perc).
Kapcsolatok
A kémiai vegyületekben a volfrám oxidációs állapota +2-ről +6-ra változik, amelyek közül a +6 a leggyakoribb. Az elem jellemzően az oxigénnel kötődik, és sárga trioxidot képez (WO3), amely vizes lúgos oldatokban volfrámionok formájában oldódik (WO42−).
Alkalmazás
Mivel a wolfram nagyon magas olvadáspontú és képlékeny (huzalba húzható), széles körben használják izzólámpák és vákuumlámpák izzószálaként, valamint elektromos kemencék fűtőelemeiben. Ezenkívül az anyag ellenáll az extrém körülményeknek. Egyik ismert alkalmazása a gázzal árnyékolt volfrám ívhegesztés.
A kivételesen kemény wolfram ideális alkatrész a nehézfegyver-ötvözetekhez. A kettlebellekben nagy sűrűséget használnak,ellensúlyok és ballaszt keelek jachtok számára, valamint dartsban (80-97%). A gyorsacél, amely nagyobb sebességgel képes vágni az anyagot, mint a szénacél, legfeljebb 18%-ot tartalmaz ebből az anyagból. A turbinalapátok, a kopóalkatrészek és a bevonatok volfrámot tartalmazó „szuperötvözeteket” használnak. Ezek hőálló, rendkívül ellenálló ötvözetek, amelyek magas hőmérsékleten is működnek.
Egy kémiai elem hőtágulása hasonló a boroszilikát üvegéhez, ezért üveg-fém tömítések készítésére használják. A volfrámot tartalmazó kompozitok kiválóan helyettesítik az ólmot a golyókban és a lövésekben. A nikkel-, vas- vagy kob altötvözetekben ütőlövedékeket készítenek belőle. A golyóhoz hasonlóan a mozgási energiáját a cél eltalálására használják fel. Az integrált áramkörökben a volfrámot tranzisztorokhoz való csatlakozásra használják. A hangszerhúrok bizonyos típusai volfrámhuzalból készülnek.
Kapcsolatok használata
A wolfram-karbid kivételes keménysége (W2C, WC) a maró- és esztergaszerszámok leggyakoribb anyagává teszi. Alkalmazása a kohászatban, a bányászatban, az olajiparban és az építőiparban. A volfrámkarbidot ékszergyártásban is használják, mivel hipoallergén, és nem veszíti el fényét.
A máz oxidjaiból készül. A wolfram "bronzet" (az oxidok színe miatt nevezik) festékekben használják. A fluoreszcensben magnézium- és kalcium-volframátokat használnaklámpák. A kristályos wolframát szcintillációs detektorként szolgál a nukleáris medicinában és a fizikában. A sókat a vegyiparban és a bőriparban használják. A volfrám-diszulfid egy magas hőmérsékletű zsír, amely 500°C-ot is képes ellenállni. Néhány volfrámot tartalmazó vegyületet katalizátorként használnak a kémiában.
Tulajdonságok
W fő fizikai tulajdonságai a következők:
- Atomszám: 74.
- Atomtömeg: 183, 85.
- Olvadáspont: 3410 °C.
- Forráspont: 5660 °C.
- Sűrűség: 19,3 g/cm3 20°C-on.
- Oxidációs állapotok: +2, +3, +4, +5, +6.
- Elektronikus konfiguráció: [Xe]4 f 145 d 46 s 2.
