ทังสเตน - มันคืออะไร? สถานะออกซิเดชันของทังสเตน การประยุกต์ใช้ทังสเตน

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 05:43

ทังสเตนเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่มีเลขอะตอม 74 โลหะหนักนี้ตั้งแต่สีเทาเหล็กถึงสีขาวมีความทนทานสูง ซึ่งทำให้ไม่สามารถถูกแทนที่ได้ในหลายกรณี จุดหลอมเหลวนั้นสูงกว่าโลหะอื่น ๆ ดังนั้นจึงใช้เป็นไส้หลอดในหลอดไส้และองค์ประกอบความร้อนในเตาไฟฟ้า (เช่น โลหะผสมเซอร์โคเนียม - ทังสเตน) เคมีขององค์ประกอบช่วยให้สามารถใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้ ความแข็งพิเศษทำให้เหมาะสำหรับใช้ใน "เหล็กกล้าความเร็วสูง" ซึ่งช่วยให้สามารถตัดวัสดุด้วยความเร็วที่สูงกว่าเหล็กกล้าคาร์บอนและในโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง ทังสเตนคาร์ไบซึ่งเป็นสารประกอบของธาตุที่มีคาร์บอนเป็นหนึ่งในสารที่แข็งที่สุดที่รู้จักและถูกนำมาใช้ในการกัดและเครื่องมือกลึง ทังสเตนแคลเซียมและแมกนีเซียมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในหลอดฟลูออเรสเซนต์ และทังสเตนออกไซด์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในสีและเคลือบเซรามิก

ประวัติการค้นพบ

การมีอยู่ขององค์ประกอบทางเคมีนี้ได้รับการแนะนำครั้งแรกในปี พ.ศ. 2322 โดยปีเตอร์ วูล์ฟ เมื่อเขาตรวจสอบแร่วุลแฟรไมต์และมาที่สรุปว่าต้องมีสารใหม่ ในปี ค.ศ. 1781 คาร์ล วิลเฮล์ม เชเลอได้ค้นพบว่าสามารถหากรดใหม่ได้จากทังสเตน Scheele และ Thorburn Bergman เสนอให้พิจารณาความเป็นไปได้ที่จะได้รับโลหะใหม่โดยการลดกรดนี้ซึ่งเรียกว่ากรดทังสเตน ในปี ค.ศ. 1783 โฮเซ่และเฟาสโต เอลกิอาร์ พี่น้องสองคนพบกรดในแร่วูฟราไมต์ที่เหมือนกันกับกรดทังสเทนิก ในปีเดียวกันนั้น พี่น้องสามารถแยกทังสเตนออกจากมันโดยใช้ถ่านได้

ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง องค์ประกอบทางเคมีนี้มีบทบาทอย่างมาก ความต้านทานของโลหะต่ออุณหภูมิสูง รวมทั้งความแข็งแกร่งของโลหะผสม ทำให้ทังสเตนเป็นวัตถุดิบที่สำคัญที่สุดสำหรับอุตสาหกรรมการทหาร คู่ต่อสู้กดดันโปรตุเกสให้เป็นแหล่งหลักของวูลแฟรมในยุโรป

อยู่ในธรรมชาติ

โดยธรรมชาติแล้ว ธาตุจะเกิดใน wolframite (FeWO₄/MnWO₄), scheelite (CaWO_{4), เฟอร์เบไรต์และฮับเนไรท์ แหล่งแร่ที่สำคัญของแร่ธาตุเหล่านี้พบได้ในสหรัฐอเมริกาในแคลิฟอร์เนียและโคโลราโด ในโบลิเวีย จีน เกาหลีใต้ รัสเซีย และโปรตุเกส การผลิตทังสเตนประมาณ 75% ของโลกกระจุกตัวอยู่ในประเทศจีน โลหะได้มาจากการลดออกไซด์ของโลหะด้วยไฮโดรเจนหรือคาร์บอน}

ปริมาณสำรองโลกอยู่ที่ประมาณ 7 ล้านตัน สันนิษฐานว่า 30% เป็นของฝากของวูลฟราไมต์และ 70% ของหินชีไลต์ ปัจจุบันการพัฒนาของพวกเขาไม่สามารถทำได้ในเชิงเศรษฐกิจ ในระดับการบริโภคในปัจจุบัน ปริมาณสำรองเหล่านี้จะคงอยู่เพียง 140 ปี อีกหนึ่งแหล่งที่ทรงคุณค่าทังสเตนคือการรีไซเคิลเศษโลหะ

คุณสมบัติหลัก

ทังสเตนเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่จัดเป็นโลหะทรานซิชัน สัญลักษณ์ W มาจากคำภาษาละติน wolframium ในตารางธาตุ อยู่ในกลุ่ม VI ระหว่างแทนทาลัมและรีเนียม

ในรูปแบบที่บริสุทธิ์ที่สุด ทังสเตนเป็นวัสดุแข็งที่มีสีตั้งแต่สีเทาเหล็กไปจนถึงสีขาวพิวเตอร์ เมื่อมีสิ่งเจือปน โลหะจะเปราะและใช้งานยาก แต่ถ้าขาดก็สามารถใช้เลื่อยเลือยตัดโลหะได้ นอกจากนี้ยังสามารถหลอม รีด และดึงได้

ทังสเตนเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่มีจุดหลอมเหลวสูงที่สุดในบรรดาโลหะทั้งหมด (3422 °C) มีความดันไอต่ำที่สุดด้วย นอกจากนี้ยังมีความต้านทานแรงดึงสูงสุดที่ T> 1650 °C องค์ประกอบนี้มีความทนทานต่อการกัดกร่อนอย่างมาก และถูกกรดแร่โจมตีเพียงเล็กน้อยเท่านั้น เมื่อสัมผัสกับอากาศ จะเกิดชั้นออกไซด์ป้องกันบนพื้นผิวโลหะ แต่ทังสเตนจะถูกออกซิไดซ์อย่างสมบูรณ์ที่อุณหภูมิสูง เมื่อเติมเหล็กในปริมาณเล็กน้อย ความแข็งจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก

ไอโซโทป

โดยธรรมชาติแล้ว ทังสเตนประกอบด้วยไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีห้าไอโซโทป แต่พวกมันมีครึ่งชีวิตที่ยาวนานจนถือว่าเสถียร พวกมันทั้งหมดสลายตัวเป็นแฮฟเนียม-72 ด้วยการปล่อยอนุภาคแอลฟา (ซึ่งสัมพันธ์กับนิวเคลียสของฮีเลียม-4) การสลายตัวของอัลฟ่าพบได้ใน ¹⁸⁰W เท่านั้น ที่เบาที่สุดและหายากที่สุดของเหล่านี้ไอโซโทป โดยเฉลี่ย การสลายตัวของอัลฟาสองครั้งเกิดขึ้นในทังสเตนธรรมชาติ 1 กรัมต่อปี ¹⁸⁰W.

นอกจากนี้ยังมีการอธิบายไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีประดิษฐ์ 27 รายการของทังสเตน ความเสถียรที่สุดคือ ¹⁸¹W ที่มีครึ่งชีวิต 121.2 วัน ¹⁸⁵W (75.1 วัน), ¹⁸⁸ W (69, 4 วัน) และ ¹⁷⁸W (21, 6 วัน) ไอโซโทปเทียมอื่นๆ ทั้งหมดมีครึ่งชีวิตน้อยกว่าหนึ่งวัน และส่วนใหญ่มีน้อยกว่า 8 นาที ทังสเตนยังมีสถานะ "แพร่กระจาย" สี่สถานะ ซึ่งมีเสถียรภาพมากที่สุดคือ ^179mW (6.4 นาที)

การเชื่อมต่อ

ในสารประกอบเคมี สถานะออกซิเดชันของทังสเตนจะเปลี่ยนจาก +2 เป็น +6 ซึ่ง +6 เป็นค่าที่พบบ่อยที่สุด โดยทั่วไปองค์ประกอบจะจับกับออกซิเจนเพื่อสร้างไตรออกไซด์สีเหลือง (WO₃) ซึ่งละลายในสารละลายอัลคาไลน์ที่เป็นน้ำเป็นไอออนของทังสเตต (WO₄₂₋).

แอปพลิเคชัน

เนื่องจากทังสเตนมีจุดหลอมเหลวสูงมากและมีความเหนียว (สามารถดึงออกมาเป็นเส้นลวดได้) จึงนิยมใช้เป็นไส้หลอดไส้และหลอดสุญญากาศ เช่นเดียวกับองค์ประกอบความร้อนของเตาไฟฟ้า นอกจากนี้วัสดุยังทนทานต่อสภาวะที่รุนแรง หนึ่งในการใช้งานที่เป็นที่รู้จักคือการเชื่อมอาร์กทังสเตนที่หุ้มด้วยแก๊ส

ทังสเตนที่แข็งเป็นพิเศษเป็นส่วนประกอบในอุดมคติสำหรับโลหะผสมของอาวุธหนัก ความหนาแน่นสูงใช้ในเคตเทิลเบลล์ถ่วงน้ำหนักและบัลลาสต์กระดูกงูสำหรับเรือยอทช์เช่นเดียวกับในปาเป้า (80-97%) เหล็กความเร็วสูงซึ่งสามารถตัดวัสดุที่ความเร็วสูงกว่าเหล็กกล้าคาร์บอนประกอบด้วยสารนี้มากถึง 18% ใบพัดกังหัน ชิ้นส่วนสึกหรอ และสารเคลือบใช้ "ซูเปอร์อัลลอย" ที่มีทังสเตน เหล่านี้เป็นโลหะผสมที่ทนความร้อนและทนความร้อนสูงซึ่งทำงานที่อุณหภูมิสูง

การขยายตัวทางความร้อนขององค์ประกอบทางเคมีคล้ายกับแก้วบอโรซิลิเกต ดังนั้นจึงใช้ทำซีลแก้วกับโลหะ คอมโพสิตที่มีทังสเตนเป็นสารทดแทนตะกั่วในกระสุนและช็อตที่ดีเยี่ยม ในโลหะผสมที่มีนิกเกิล เหล็กหรือโคบอลต์ กระสุนปืนทำมาจากมัน เช่นเดียวกับกระสุน พลังงานจลน์ของมันถูกใช้เพื่อโจมตีเป้าหมาย ในวงจรรวม ทังสเตนถูกใช้เพื่อเชื่อมต่อกับทรานซิสเตอร์ สายเครื่องดนตรีบางประเภททำมาจากลวดทังสเตน

การใช้การเชื่อมต่อ

ความแข็งพิเศษของทังสเตนคาร์ไบด์ (W₂C, WC) ทำให้เป็นวัสดุที่ใช้กันทั่วไปในการกัดและกลึง มันถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมโลหะ, เหมืองแร่, น้ำมันและการก่อสร้าง ทังสเตนคาร์ไบด์ยังใช้ในการทำเครื่องประดับเนื่องจากไม่ก่อให้เกิดอาการแพ้และไม่มีแนวโน้มที่จะสูญเสียความแวววาว

เคลือบมันทำมาจากออกไซด์ของมัน ทังสเตน "บรอนซ์" (เรียกว่าเพราะสีของออกไซด์) ใช้ในสี แมกนีเซียมและแคลเซียมทังสเตนใช้ในการเรืองแสงโคมไฟ Crystalline tungstate ทำหน้าที่เป็นเครื่องตรวจจับการเรืองแสงวาบในเวชศาสตร์นิวเคลียร์และฟิสิกส์ เกลือใช้ในอุตสาหกรรมเคมีและเครื่องหนัง ทังสเตนซัลไฟด์เป็นจาระบีที่มีอุณหภูมิสูงซึ่งสามารถทนต่ออุณหภูมิได้ 500 องศาเซลเซียส สารประกอบบางชนิดที่มีทังสเตนถูกใช้ในทางเคมีเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา