Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Поиск репетиторов
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий


ВОЛЬФРАМ

ВОЛЬФРАМ [от нем. Wolf - волк, Rahm - сливки ("волчья пена" - назв. дано в 16 в., т.к. мешал выплавке олова, переводя его в шлак); лат. Wolframium] W, хим. элемент VI гр. периодич. системы, ат. н. 74, ат. м. 183,85. Прир. вольфрам состоит из пяти стабильных изотопов с мас. ч. 180 (0,135%), 182 (26,41%), 183 (14,4%), 184 (30,64%) и 186 (28,41%). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 19,2*10-28 м2. Конфигурация внеш. электронной оболочки 5d46s2; степени окисления +2; +3, +4, +5, +6 (наиб, характерна); энергия ионизации W° -> W+ -> W2+ соотв. 770 и 1710 кДж/моль; электроотрицательность по Полингу 1,7; сродство к электрону 0,5 эВ; работа выхода электронов 4,55 эВ; электронная эмиссия (мА/см2): 1,5*10-10 (1100 К), 2,3*10-1 (1900 К), 298 (2500 К); ат. радиус 0,1368 нм; ионные радиусы (в скобках указаны координац. числа) W4 + 0,080 нм (6), W6 + 0,065 нм (4), 0,074 нм (6).

Вольфрам мало распространен в природе. Содержание в земной коре 1*10-4 % по массе. Известно ок. 15 собств. минералов, большинство из них - вольфраматы. наиб. важные минералы - вольфрамит (Fe, Mn)WO4 [его разновидности - ферберит (Fe : Mn > 4 :1) и гюбнерит (Mn : Fe > 4 :1)] и шеелит CaWO4. наиб. крупные пром. месторождения в КНР, СССР, КНДР, Южной Корее, США, Таиланде, Канаде, Боливии, Австралии, Бразилии, Португалии. Мировые запасы вольфрама в рудах 1815 тыс. т (1976).

Свойства. Вольфрам - металл светло-серого цвета. Осн. устойчивая модификация-1082-5.jpgW, решетка объемноцентриров. кубическая (а = 0,31589 нм, z = 2, пространств. группа Im3m). Существует также1082-6.jpgмодификация с кубич. кристаллич. решеткой (z = 8, пространств. группа Рт3п); образуется при восстановлении тонкого слоя WO3 сухим Н2 при 440-630 °С; выше 630°С необратимо превращ. в1082-7.jpgW. Вольфрам - самый тугоплавкий металл, т. пл. 3380+10 °С, т. кип. 5900-6000°С; плотн. 19,3 г/см3, жидкого 16,65 г/см3; С° 24,27 Дж/(моль*К);1082-8.jpg 46 кДж/моль,1082-9.jpg 850 кДж/моль (О К); So298 32,6 Дж/(моль*К); ур-ние температурной зависимости давления пара над твердым вольфрамом в интервале 2000-3500 К: lg р (мм рт. ст.) = 42000/Г + 9,84 -— 0,146T-lg Т — 0,164*10-3T; скорость испарения [в г/(см2*с)1 2,18*10-12 (2200 К), 1,06*10-6 (3000 К), 2,06 х 10-5 (3273 К); температурный коэф. линейного расширения (К-1): 4,1*10-6 (298 К), 6,5*10-6 (2273 К), 7,1*10-6 (2673 К); теплопроводность [Вт/(м*К)]: 153 (298 К), 105 (1873 К); температуропроводность (м2/с): 3,17*103 (1873 К), 2,3*103 (2873 К); излучательная способность (Вт/см2): 23,65 (2200 К), 112,5 (2800 К), 203 (3200 К);1082-10.jpg (Ом*м): 5,5*10-8 (298 К), 55,7*10-8 (2000 К), 108,5*10-8 (2500 К); температурный коэф.1082-11.jpg 5,0*10-3 К -1 (273 - 473 К); т-ра перехода в сверхпроводящее состояние 0,0160 К. Вольфрам парамагнитен, магн. восприимчивость 0,32*10-9. Мех. св-ва вольфрама сильно зависят от способа его получения, чистоты и предшествующей мех. и термич. обработки. Техн. вольфрам хрупок при нормальной т-ре, при 200-500°С переходит в пластичное состояние; высокочистыи монокристаллич. Вольфрам пластичен вплоть до — 196 °С. Твердость по Бринеллю для спеченного штабика 2000-2300 МПа, для листа толщ. 2 мм 3500-4000 МПа; для проволоки модуль упругости 380-410 ГПа (298 К); в зависимости от диаметра1082-12.jpgдля неотожженной проволоки 1800-4150 МПа, для отожженной 900-1300 МПа. Коэф. сжимаемости вольфрама ниже, чем у всех металлов. По длительности сохранения прочности при 800-1300 °С он значительно превосходит Мо, Та и Nb. Компактный вольфрам устойчив на воздухе, при 400 °С начинает окисляться, выше 500 °С быстро окисляется до триоксида WO3 (см. Вольфрама оксиды). С холодной и горячей водой не взаимод., парами воды выше 600 °С окисляется до WO3, WO2 и др. оксидов. На холоду устойчив к действию соляной к-ты, H2SO4, HNO3, а также смеси HNO3 и H2SO4, активно взаимод. со смесью к-т HNO3 и HF, медленно - с Н2О2. При 90-100 °С устойчив к действию фтористоводородной к-ты, слабо взаимод. с соляной к-той, H2SO4 и Н2СrО4, несколько сильней - с HNO3 и царской водкой. Не взаимод. с р-рами щелочей и NH3 на холоду, слабо реагирует с ними при нагр. в присут. О2. Быстро окисляется в расплавленном NaOH или КОН при доступе воздуха или в присут. окислителей (NaNO3, NaNO2 и др.) с образованием волъфраматов.

С азотом вольфрам реагирует выше 1500°С; при 2300-2500 °С образуется нитрид WN2, к-рый в отсутствии N2 разлагается выше 800 °С. Водород не реагирует с вольфрамом вплоть до т-ры плавления. В вольфраме мало растворимы О2 (менее 10-4% по массе), N2 (~ 10-5%) и Н2 (менее 10-4%), с F2 выше 150°С вольфрам образует фториды (см. Вольфрама гексафторид), с С12 выше 800°С - хлориды, с Вr2 и I2 при 600-700°С - соотв. бромиды и иодиды (см. Вольфрама галогениды).

С парами S и Se, а также с H2S и H2Se выше 400 °С образует соотв. дисульфид WS2 (см. Вольфрама сульфиды)и диселенид WSe2, с кремнием и бором выше 1400°С - соотв. силициды (WSi2 и W5Si3) и бориды (W2B, WB, W2B5 и др.). При 700-800 °С SO2 окисляет вольфрам до оксидов, СО2 выше 1200°С - до WO2, оксиды N выше 600°С - до WO3. Взаимод. вольфрама с углеводородами при 1100-1200 °С приводит к карбидам. До ~ 1400°С вольфрам устойчив в атмосфере СО, при более высокой т-ре образуются вольфрама карбиды. При 200-300 °С и давлении СО 20 МПа вольфрам (в возбужденном состоянии) образует с СО гексакарбонил W (СО)6 - бесцв. кристаллы; т. пл. 169°С, т. кип. 175°С; не раств. в воде; выше 350°С разлагается на W и СО; применяют как катализатор полимеризации олефинов, для нанесения вольфрамовых покрытий на металлы, керамику, графит, для синтеза воль-фраморг. соед. (см. также Карбонилы металлов).

Вольфрам очень медленно взаимод. с Hg, Na, К, Ga, Mg даже при 600 °С. Он устойчив при 600 °С в сплаве Вуда (см. Свинца сплавы), при 1000°С - в эвтектич. сплаве Na-K, до 1680°С не реагирует с расплавленными Bi, Ca, Си и Sn. При 1100oС вольфрам медленно раств. в U, выше 700 °С реагирует с жидким А1, давая интерметаллиды. Вольфрам способен образовывать сплавы со мн. металлами (см. Вольфрама сплавы).

Важнейшие кислородные соед. вольфрама - WO3, вольфрамовая к-та WO32О и ее соли (вольфраматы). Известны поливольфраматы - соли высокомол. изополи- и акваполикислот, а также гетерополивольфраматы - соли гетерополивольфрамовых к-т (см. Гетерополисоединения). При восстановлении вольфраматов щелочных металлов получают вольфрамовые бронзы-кристаллич. в-ва с металлич. св-вами (см. Бронзы оксидные).

Диселенид вольфрама WSe2 - темно-серые кристаллы с гексагон. решеткой (а = 0,3280 нм, с=1,2950нм, пространств. группа p63/mmc); выше 550 °С окисляется на воздухе до WO3; в вакууме выше 900 °С диссоциирует на W и Se. Не раств. в воде; не взаимод. с разб. НС1, H2SO4, р-рами щелочей. Окисляется HNO3. Получают взаимод. паров Se или H2Se с W или WO3 при 600-800 °С. Полупроводник р-типа; используется как твердая смазка.

Дисилицид вольфрама WSi2 - голубовато-серые кристаллы с тетрагон. решеткой (а = 0,3212 нм, с = = 0,7880 нм, z = 2, пространств. ггруппа I4/mmm); т. пл. 2165 °С; плотн. 9,25 г/см3;1082-13.jpg - 93,7 кДж/моль;1082-14.jpg 12,5*10-8 Ом*м;1082-15.jpg 1269 МПа (20°С); микротвердость 10740 МПа (нагрузка 50 г). Не раств. в воде; не взаимод. с неорг. к-тами (кроме фтористоводородной к-ты). Получают: взаимод. паров Si с W в вакууме при 1150-1350 °С; восстановлением SiCl4 водородом на нагретой до 1100-1800°С пов-сти W; по р-ции 4SiCl2 + + W1082-16.jpg WSi2 + 2SiCl4. Образует на изделиях из вольфрама защитные покрытия, устойчивые на воздухе до 2000 °С.

Борид вольфрама (пентаборид дивольфрама) W2B5 - серые кристаллы с металлич. блеском, решетка гексагональная (1082-17.jpg=W2B5; а = 0,292нм, с=1,387нм, пространств, группа С6/mmc); т. пл. 2300 °С (с разл.); плотн. 13,0 г/см3; микротвердость 25800 МПа; на воздухе выше 800°С окисляется. Не раств. в воде. Разлагается царской водкой, а также HNO3 и конц. H2SO4 при кипячении. Получают взаимод. WO3 с В4С и С в вакууме при 1150-1300 °С. Компонент твердых сплавов для режущих инструментов, наплавочных износостойких материалов для стали и чугуна; образует защитные покрытия на вольфраме.

Получение. Вольфрамовые руды (содержат 0,15-0,5% WO3) обогащают гравитационными методами, флотацией, магн. и электростатич. сепарацией, а также хим. способами. Для получения вольфрама и его соед. используют рудные концентраты, содержащие 55-65% WO3, иногда 10-20%, направляемые на хим. переработку. Пром. способы извлечения вольфрама из рудных концентратов подразделяют на щелочные (наиб. распространенные) и кислотные. В первом случае вольфрамитовый или шеелитовый концентрат разлагают спеканием с Na2CO3 при 800-900 °С с послед. выщелачиванием спека водой или обработкой р-ром Na2CO3 в автоклаве при 200-225 °С Вольфрамитовые концентраты иногда разлагают нагреванием с р-рами NaOH. Для полного разложения вольфрамита спеканием требуется небольшой избыток Na2CO3 по сравнению со стехиометрически необходимым кол-вом; в случае шеелита в шихту добавляют SiO2 (2CaWO4 + 2Na2CO3 + SiO2 -> 2Na2WO4 + + Ca2SiO4 + 2CO2). Для полного разложения в автоклаве шеелитовых концентратов избыток Na2CO3 должен составлять 250-300%, а в случае вольфрамитовых концентратов - 300-400%. Из образовавшихся водных р-ров Na2WO4 после их очистки от примесей (Si, P, As, Mo, F) действием СаС12 или Ca(NO3)2 осаждают CaWO4, к-рый затем разлагают соляной к-той или HNO3 и выделяют вольфрамовую к-ту. Последнюю прокаливают, получая WO3, или растворяют в водном р-ре NH3, из к-рого выпариванием кристаллизуют паравольфрамат (NH4)10[H2W12O42]*4Н2О. Это соед. м. б. также получено более простым способом - экстракцией водными р-рами солей аминов или четвертичных аммониевых соед. (при рН 2,5-3) с послед. реэкстракцией р-рами NH3. Перспективен метод его получения из р-ров Na2WO4 с использованием ионообменных смол.

По кислотному способу шеелитовые концентраты (с содержанием WO3 65-75%) разлагают к-тами (НС1, HNO3); образующуюся при этом вольфрамовую к-ту раств. в водном р-ре NH3 и затем кристаллизуют в виде паравольфрамата аммония.

Осн. продукты переработки вольфрамовых концентратов - WO3 (получаемый термич. разложением W03-H20 или (NH4)10[H2W12042]*4H20) и ферровольфрам [сплав W (65-80%) и Fe (35-20%), выплавляемый для нужд черной металлургии]. Восстановлением WO3 водородом при 700-900 °С в многотрубных или вращающихся трубчатых печах получают вольфрам в виде порошка разл. гранулометрич. состава (наиб, типичны порошки со средним размером частиц 2-3 мкм). Осн. примесь в порошках - кислород (0,05-0,3%). Получают также порошки вольфрама с присадками оксидов Th, La, Y, A1, а также K2SiO3, к-рые вводят в WO3 перед его восстановлением.

Компактный металл получают преим. методами порошковой металлургии. Заготовки сечением от 10*10 до 20*20 мм и длиной 500-600 мм (штабики) прессуют под давл. 150-500 МПа и подвергают спеканию в две стадии: первая (упрочнение штабика) проводится при 1150-1300 °С в атмосфере Н2, вторая (сварка)-прямым пропусканием электрич. тока при 2900-3000 °С. Плотность штабиков после спекания 17,5-18,5 г/см3. Изделия из них (проволока, лента и др.) изготовляют обработкой давлением при т-рах ниже т-ры рекристаллизации вольфрама. По мере обработки т-ра понижается от 1300-1400 °С (при ковке) до 800-500 °С (при волочении или прокатке). В результате волочения через твердосплавные, а затем алмазные фильеры получают вольфрамовую проволоку диаметром 10-300 мкм.

Крупные заготовки (до 300 кг) производят методом гид-ростатич. прессования порошков, помещенных в эластичные оболочки. Такие заготовки спекают в индукционных печах в вакууме или в атмосфере Н2 при 2400-2500 °С. Для получения компактных заготовок используют также дуговую вакуумную плавку или гарнисажную дуговую с разливом металла в изложницу.

В огранич. масштабах вольфрам получают восстановлением его гексагалогенидов, гл. обр. WF6, водородом. При проведении процесса в газовой фазе в потоке получают высокодисперсные порошки, в кипящем слое - крупные сферич. гранулы размером 200-500 мкм. Последние превращают в компактные заготовки горячим газостатич. прессованием. Способ получения изделий восстановлением WF6 (получивший название газофазное формование) заключается в осаждении вольфрама из газовой фазы в виде плотного покрытия на нагретых до 600-700 °С подложках из др. металлов или графита. Методом бестигельной зонной плавки спеченных штабиков получают монокристаллы вольфрама, отличающиеся высокой чистотой и пластичностью.

Определение. Качественно вольфрам определяют: по выделению белого аморфного осадка WO3*nH2O при добавлении НС1 или H2SO4 в р-р образца; по образованию вольфрамовой сини при добавлении SnCl2 в кислый р-р образца; по желто-зеленой окраске р-ра в присут. роданид-иона и восстановителя (напр., SnCl2) и др. методами. При большом содержании в анализируемом образце (концентраты, ферровольфрам и др.) вольфрам определяют гравиметрически в виде WO3 (образуется после прокаливания вольфрамовой к-ты или осадков, выделяющихся при действии, напр., цинхонина, бензндина и др.), а также потенциометрич. титрованием солью Cr+ в кислой среде. При низком содержании вольфрам определяют преим. фотометрически по р-ции с роданид-ионами в присут. TiCl3. Для перевода вольфрама в р-р исходную навеску разлагают соляной или азотной к-той, осадок WO3*nH2O раств. в водном р-ре NH3; иногда используют выщелачивание содового плава водой.

Применение. До 50% получаемого вольфрама используют в произ-ве легированных (гл. обр. инструментальных) сталей, важнейшие из к-рых - быстрорежущие, содержащие 8-20% вольфрама. Примерно 35-45% вольфрама расходуется на производство твердых сплавов на основе карбида WC (85-95% WC и 5-15% Со). Нек-рые сплавы, кроме WC, содержат TiC, ТаС и NbC. Эти сплавы применяют для изготовления рабочих частей режущих и буровых инструментов, фильер для протяжки проволоки и др. В виде сплавов с др. металлами вольфрам используют в авиац. и ракетной технике, электротехнике; чистый вольфрам - для изготовления спиралей и нитей накаливания в произ-ве электроламп, в электровакуумной технике для изготовления катодов, рентгеновских трубок, сеток, подогревателей катодов, выпрямителей высокого напряжения и др.

Искусственные радиоактивные изотопы вольфрама 181W (T1/2 120сут), 185W (T1/2 78,5 сут) и 187W (T1/2 24 ч) - изотопные индикаторы.

Произ-во вольфрамовых концентратов (65% WO3) в капиталистич. странах 39400 т/год (1978), в т.ч. в США 6300, Таиланде 6200, Боливии 6100, Южной Корее 5000, Австралии 5300, Канаде 4400, Бразилии 2200, Португалии 2100 т/год.

Вольфрам открыт в виде WO3 К. Шееле в 1781. Металлич. вольфрам впервые получили X. X. и Ф. д'Элуяры в 1873. В Великобритании, США и Франции употребляется первоначальное название вольфрама - "тангстен" (тунгстен, швед. tungsten, букв. - тяжелый камень).


===
Исп. литература для статьи «ВОЛЬФРАМ»: Зеликман А. Н., Крейн О. Е., Самсонов Г. В., Металлургия редких металлов, 3 изд., М., 1978; Зеликман А. Н., Никитина Л. С, Вольфрам, М., 1978; Rollinson С. Pergamon textes in inorganic chemistry, v. 21-The chemistry of Cr, Mo and W, Oxf.-[a.o.]. 1973; YihS.W.H., WangC.T., Tungsten, N. Y., 1978; Gmelins Handbuch der anorganischen Chemie. Wolfram, Bd A. 1, Technologic des Metals, В., 1979. А. Н. Зеликман.

Страница «ВОЛЬФРАМ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

Еще по теме:

     © ХиМиК.ру




Реклама   Обратная связь   Дизайн