VONFRAM: LỊCH SỬ, ĐẶC TÍNH, CẤU TRÚC, SỬ DỤNG - HÓA HỌC - 2025

Các vonfram , vonfram hoặc vonfram kim loại nặng là một sự chuyển tiếp có ký hiệu hóa học là W. Nằm trong giai đoạn 6 nhóm 6 của bảng tuần hoàn, và số nguyên tử 74. Tên của nó có hai ý nghĩa từ nguyên: đá cứng và bọt sói; Thứ hai là vì kim loại này còn được gọi là vonfram.

Nó là một kim loại màu xám bạc, mặc dù giòn nhưng nó có độ cứng, mật độ lớn, nhiệt độ nóng chảy và sôi cao. Do đó, nó đã được sử dụng trong tất cả các ứng dụng liên quan đến nhiệt độ cao, áp suất hoặc lực cơ học, chẳng hạn như khoan, bắn đạn hoặc dây tóc phát ra bức xạ.

Thanh vonfram với bề mặt bị oxy hóa một phần. Nguồn: Hình ảnh độ phân giải cao của các nguyên tố hóa học

Việc sử dụng kim loại này được biết đến nhiều nhất, ở mức độ văn hóa và phổ biến, là trong dây tóc của bóng đèn điện. Ai đã xử lý chúng sẽ nhận ra chúng mỏng manh như thế nào; tuy nhiên, chúng không được làm bằng vonfram nguyên chất, dễ uốn và dễ uốn. Ngoài ra, trong ma trận kim loại như hợp kim, nó cung cấp độ bền và độ cứng tuyệt vời.

Nó được đặc trưng và phân biệt bởi là kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao nhất, và cũng đặc hơn chì, chỉ vượt qua các kim loại khác như osmi và iridi. Tương tự, nó là kim loại nặng nhất được biết đến để thực hiện một số vai trò sinh học trong cơ thể.

Anion vonfram, WO ₄ ^2- , tham gia vào hầu hết các hợp chất ion của nó , có thể trùng hợp để tạo thành các cụm trong môi trường axit. Mặt khác, vonfram có thể tạo thành các hợp chất liên kim loại, hoặc được thiêu kết với kim loại hoặc muối vô cơ để các chất rắn của nó có hình dạng hoặc tính nhất quán khác nhau.

Nó không có nhiều trong vỏ trái đất, chỉ có 1,5 gam kim loại này trên một tấn. Hơn nữa, vì nó là một nguyên tố nặng, nên nguồn gốc của nó là giữa các thiên hà; cụ thể là từ các vụ nổ siêu tân tinh, chắc hẳn đã ném "phản lực" của các nguyên tử vonfram về phía hành tinh của chúng ta trong quá trình hình thành.

Lịch sử

Từ nguyên

Lịch sử của vonfram hay wolfram có hai bộ mặt giống như tên gọi của chúng: một là Thụy Sĩ và một là Đức. Vào những năm 1600, tại các khu vực hiện đang bị Đức và Áo chiếm đóng, các thợ mỏ đã làm việc để khai thác đồng và thiếc để sản xuất đồng.

Đến lúc đó những người thợ mỏ mới thấy mình có một cái gai trong quá trình này: có một loại khoáng chất cực kỳ khó nóng chảy; khoáng chất bao gồm wolframite, (Fe, Mn, Mg) WO ₄ , giữ lại hoặc "nuốt chửng" thiếc như thể nó là một con sói.

Do đó, từ nguyên cho yếu tố này, 'sói' nghĩa là sói trong tiếng Tây Ban Nha, một con sói ăn thiếc; và 'ram' của bọt hoặc kem, có tinh thể giống như một bộ lông dài màu đen. Do đó, cái tên 'wolfram' hoặc 'wolfram' đã xuất hiện để vinh danh những quan sát đầu tiên này.

Năm 1758, ở phía Thụy Sĩ, một khoáng chất tương tự, scheelite, CaWO ₄ , được đặt tên là 'tung sten', có nghĩa là 'đá cứng'.

Cả hai tên, wolfram và vonfram, được sử dụng rộng rãi thay thế cho nhau, chỉ tùy thuộc vào nền văn hóa. Ví dụ, ở Tây Ban Nha và ở Tây Âu, kim loại này được biết đến nhiều nhất là vonfram; trong khi ở lục địa Mỹ tên gọi vonfram chiếm ưu thế.

Nhận biết và khám phá

Khi đó, người ta biết rằng giữa thế kỷ XVII và XVIII có hai loại khoáng chất: wolframite và scheelite. Nhưng, ai đã thấy rằng có một thứ kim loại trong chúng khác với những thứ khác? Chúng chỉ có thể được mô tả là khoáng chất, và vào năm 1779, nhà hóa học người Ireland Peter Woulfe đã phân tích kỹ lưỡng vonfram và suy ra sự tồn tại của vonfram.

Về phía Thụy Sĩ, một lần nữa, Carl Wilhelm Scheele vào năm 1781 đã có thể phân lập vonfram dưới dạng WO ₃ ; và thậm chí nhiều hơn nữa, ông đã thu được axit vonfram (hoặc vonfram), H ₂ WO ₄ và các hợp chất khác.

Tuy nhiên, điều này không đủ để tạo ra kim loại tinh khiết, vì cần phải khử axit này; nghĩa là, đưa nó vào một quá trình sao cho nó tách khỏi oxy và kết tinh dưới dạng kim loại. Carl Wilhelm Scheele không có lò nung hoặc phương pháp luận thích hợp cho phản ứng khử hóa học này.

Chính tại đây, anh em người Tây Ban Nha d'Elhuyar, Fausto và Juan José, đã hành động, những người đã khử cả hai loại khoáng sản (wolframite và scheelite) bằng than, tại thành phố Bergara. Hai người trong số họ được trao tặng bằng khen và vinh dự là người phát hiện ra kim loại vonfram (W).

Thép và bóng đèn

Bất kỳ bóng đèn nào có dây tóc bằng vonfram. Nguồn: Pxhere.

Giống như các kim loại khác, công dụng của nó xác định lịch sử của nó. Trong số những sản phẩm nổi bật nhất vào cuối thế kỷ 19, là hợp kim thép-vonfram, và dây tóc vonfram để thay thế các sợi carbon bên trong bóng đèn điện. Có thể nói, những chiếc bóng đèn đầu tiên, như chúng ta đã biết, được bán trên thị trường vào những năm 1903-1904.

Tính chất

Ngoại hình

Nó là một kim loại màu xám bạc bóng bẩy. Dễ vỡ nhưng rất cứng (đừng nhầm với độ dai). Nếu mảnh có độ tinh khiết cao, nó trở nên dễ uốn và cứng, bằng hoặc nhiều hơn một số loại thép.

Số nguyên tử

74.

Khối lượng phân tử

183,85 g / mol.

Độ nóng chảy

3422 ° C.

Điểm sôi

5930 ° C.

Tỉ trọng

19,3 g / mL.

Nhiệt của nhiệt hạch

52,31 kJ / mol.

Nhiệt hóa hơi

774 kJ / mol.

Nhiệt dung mol

24,27 kJ / mol.

Độ cứng của Moh

7,5.

Độ âm điện

2,36 trên thang điểm Pauling.

Đài nguyên tử

139 giờ chiều

Điện trở suất

52,8 nΩ · m ở 20 ° C.

Đồng vị

Nó xuất hiện chủ yếu trong tự nhiên dưới dạng năm đồng vị: ¹⁸² W, ¹⁸³ W, ¹⁸⁴ W, ¹⁸⁶ W và ¹⁸⁰ W. Theo khối lượng mol của 183 g / mol, tính trung bình khối lượng nguyên tử của các đồng vị này (và các đồng vị khác ba mươi đồng vị phóng xạ), mỗi nguyên tử vonfram hoặc vonfram có khoảng một trăm mười nơtron (74 + 110 = 184).

Hóa học

Nó là một kim loại có khả năng chống ăn mòn cao, vì lớp WO ₃ mỏng của nó bảo vệ nó khỏi sự tấn công của oxy, axit và kiềm. Sau khi hòa tan và kết tủa với các thuốc thử khác, muối của nó thu được, được gọi là vonfram hoặc wolfram; trong đó vonfram thường có trạng thái oxi hóa +6 (giả sử có các cation W ⁶⁺ ).

Sự kết tụ axit

Decatungstate, một ví dụ về polyoxometalat vonfram. Nguồn: Scifanz

Về mặt hóa học vonfram khá độc đáo vì các ion của nó có xu hướng tụ lại để tạo thành các axit dị trùng hợp hoặc polyoxometalat. Họ là ai? Chúng là các nhóm hoặc cụm nguyên tử kết hợp với nhau để xác định một cơ thể ba chiều; Chủ yếu, một cái có cấu trúc giống như cái lồng hình cầu, trong đó chúng “bao bọc” một nguyên tử khác.

Tất cả bắt đầu từ anion vonfram, WO ₄ ^2- , trong môi trường axit nhanh chóng proton hóa (HWO ₄ ^- ) và liên kết với anion lân cận để tạo thành ² ; và điều này đến lượt nó kết hợp với ^2- khác để bắt nguồn từ ^4- . Cứ tiếp tục như vậy cho đến khi có một số chất phân cực trong dung dịch.

Các nhân viên nhảy dù A và B, lần lượt là ^6- và H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ^10- là một trong những người nổi bật nhất trong số các polyanions này.

Có thể là một thách thức để đưa ra bản phác thảo và cấu trúc Lewis của bạn; nhưng về nguyên tắc, nó đủ để hình dung chúng như là các tập hợp WO ₆ bát diện (hình trên).

Lưu ý rằng những hình bát diện màu xám này cuối cùng xác định chất khử chất độc, chất phân cực; Nếu một dị nguyên tử (ví dụ, phốt pho) chứa bên trong nó, thì nó sẽ là một polyoxometalat.

Cấu trúc và cấu hình điện tử

Pha tinh thể

Nguyên tử vonfram xác định một tinh thể có cấu trúc lập phương tâm (bcc). Dạng tinh thể này được gọi là pha α; trong khi pha β cũng có dạng khối, nhưng đậm đặc hơn một chút. Cả hai pha hoặc dạng tinh thể, α và β, có thể cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng trong điều kiện bình thường.

Các hạt tinh thể của pha α là đẳng áp, trong khi các hạt của pha β giống như các cột. Bất kể tinh thể như thế nào, nó được điều chỉnh bởi các liên kết kim loại giữ chặt các nguyên tử W. Nếu không, không thể giải thích được nhiệt độ nóng chảy và điểm sôi cao, hoặc độ cứng và mật độ cao của vonfram.

Liên kết kim loại

Các nguyên tử vonfram phải được liên kết chặt chẽ bằng cách nào đó. Để phỏng đoán, trước hết phải quan sát cấu hình electron của kim loại này:

4f ¹⁴ 5d ⁴ 6s ²

Các obitan 5d rất lớn và mờ, điều này có nghĩa là giữa hai nguyên tử W gần nhau có sự xen phủ quỹ đạo hiệu dụng. Ngoài ra, các obitan 6 cũng đóng góp vào các dải kết quả, nhưng ở một mức độ nhỏ hơn. Trong khi các obitan 4f "nằm sâu trong nền" và do đó đóng góp của chúng vào liên kết kim loại ít hơn.

Điều này, kích thước của các nguyên tử và các hạt tinh thể, là những biến số xác định độ cứng của vonfram và mật độ của nó.

Trạng thái oxy hóa

Trong vonfram hoặc wolfram kim loại, các nguyên tử W có trạng thái oxi hóa bằng không (W ⁰ ). Quay trở lại cấu hình điện tử, các obitan 5d và 6 có thể được "làm trống" các electron tùy thuộc vào việc W có nằm trong nhóm các nguyên tử có độ âm điện cao, chẳng hạn như oxy hoặc flo hay không.

Khi mất hai electron 6, vonfram có trạng thái oxi hóa +2 (W ²⁺ ), nguyên tử của nó co lại.

Nếu nó cũng mất tất cả các electron trong các obitan 5d, trạng thái oxy hóa của nó sẽ trở thành +6 (W ⁶⁺ ); Từ đây, nó không thể trở nên tích cực hơn (theo lý thuyết), vì các obitan 4f, là bên trong, sẽ yêu cầu năng lượng lớn để loại bỏ các electron của chúng. Nói cách khác, trạng thái oxy hóa dương nhất là +6, trong đó vonfram thậm chí còn nhỏ hơn.

Vonfram (VI) này rất bền trong điều kiện axit hoặc trong nhiều hợp chất oxy hóa hoặc halogen. Các trạng thái oxi hóa dương và có thể có khác là: +1, +2, +3, +4, +5 và +6.

Vonfram cũng có thể thu được các electron nếu nó kết hợp với các nguyên tử có độ âm điện nhỏ hơn chính nó. Trong trường hợp này, các nguyên tử của nó lớn hơn. Nó có thể đạt được tối đa bốn electron; có nghĩa là, có trạng thái oxy hóa -4 (W ^4- ).

Thu được

Trước đó, người ta đã đề cập rằng vonfram được tìm thấy trong các khoáng chất wolframite và scheelite. Tùy thuộc vào quá trình, hai hợp chất thu được từ chúng: oxit vonfram, WO ₃ , hoặc amoni paratungstat, (NH ₄ ) ₁₀ (H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ) · 4H ₂ O (hoặc ATP). Một trong số chúng có thể bị khử thành kim loại W với cacbon trên 1050 ° C.

Sản xuất thỏi vonfram không có lợi về mặt kinh tế, vì chúng sẽ cần rất nhiều nhiệt (và tiền) để nấu chảy chúng. Đó là lý do tại sao người ta ưu tiên sản xuất nó ở dạng bột để xử lý nó cùng lúc với các kim loại khác để thu được hợp kim.

Điều đáng nói là Trung Quốc là quốc gia có sản lượng vonfram lớn nhất trên toàn thế giới. Và ở lục địa Mỹ, Canada, Bolivia và Brazil cũng chiếm danh sách các nước sản xuất kim loại này lớn nhất.

Các ứng dụng

Một chiếc vòng làm bằng cacbua vonfram - một ví dụ về độ cứng của kim loại này có thể được sử dụng để làm bất tử và làm cứng vật liệu. Nguồn: SolitaryAngel (SolitaryAngel)

Dưới đây là một số công dụng đã biết của kim loại này:

-Muối của nó được sử dụng để tạo màu cho bông từ trang phục nhà hát cũ.

-Kết hợp với thép nó cứng hơn, thậm chí có thể chống lại các vết cắt cơ học ở tốc độ cao.

-Dây tóc vonfram nung kết đã được sử dụng hơn một trăm năm trong bóng đèn điện và đèn halogen. Ngoài ra, do nhiệt độ nóng chảy cao nên nó đã được sử dụng như một vật liệu cho ống tia âm cực và cho các vòi phun của động cơ tên lửa.

- Thay thế chì trong sản xuất đạn và lá chắn phóng xạ.

-Dây nanoungsten có thể được sử dụng trong các thiết bị nano nhạy cảm với pH và khí.

-Các chất xúc tácungsten được sử dụng để xử lý sản xuất lưu huỳnh trong ngành công nghiệp dầu mỏ.

-Nungsten cacbua được sử dụng rộng rãi nhất trong tất cả các hợp chất của nó. Từ việc tăng cường các công cụ khoan và cắt, hoặc sản xuất các mảnh của vũ khí quân sự, đến gia công gỗ, nhựa và gốm sứ.

Rủi ro và biện pháp phòng ngừa

Sinh học

Là một kim loại tương đối hiếm trong vỏ trái đất, các tác động tiêu cực của nó rất hiếm. Trong đất chua, polyungstat có thể không ảnh hưởng đến các enzym sử dụng anion molybdat; nhưng trong đất cơ bản, WO ₄ ^2- can thiệp (tích cực hoặc tiêu cực) vào quá trình trao đổi chất của MoO ₄ ^2- và đồng.

Ví dụ, thực vật có thể hấp thụ các hợp chất vonfram hòa tan, và khi một động vật ăn chúng và sau khi ăn thịt của nó, các nguyên tử W sẽ xâm nhập vào cơ thể chúng ta. Hầu hết được thải ra ngoài qua nước tiểu và phân, và rất ít người biết điều gì sẽ xảy ra với những người còn lại.

Các nghiên cứu trên động vật đã chỉ ra rằng khi hít phải bột vonfram nồng độ cao, chúng sẽ phát triển các triệu chứng tương tự như các triệu chứng của bệnh ung thư phổi.

Khi nuốt phải, một người trưởng thành sẽ cần uống hàng nghìn gallon nước được làm giàu bằng muối vonfram để thể hiện sự ức chế đáng kể đối với các enzym cholinesterase và phosphatase.

Vật lý

Nói chung, vonfram là một nguyên tố độc hại thấp, và do đó có rất ít rủi ro về môi trường gây hại cho sức khỏe.

Đối với vonfram kim loại, tránh hít thở bụi của nó; và nếu mẫu là chất rắn, thì phải lưu ý rằng nó rất đặc và có thể gây ra thiệt hại vật chất nếu bị rơi hoặc va vào các bề mặt khác.

Người giới thiệu

1. Bell Terence. (sf). Vonfram (Wolfram): Thuộc tính, Sản xuất, Ứng dụng & Hợp kim. Sự cân bằng. Được khôi phục từ: thebalance.com
2. Wikipedia. (2019). Vonfram. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
3. Lenntech BV (2019). Vonfram. Khôi phục từ: lenntech.com
4. Jeff Desjardins. (Ngày 1 tháng 5 năm 2017). Lịch sử của Vonfram, kim loại tự nhiên mạnh nhất trên trái đất. Phục hồi từ: visualcapitalist.com
5. Doug Stewart. (2019). Sự kiện về nguyên tố vonfram. Phục hồi từ: chemicool.com
6. Art Fisher và Pam Powell. (sf). Vonfram. Đại học Nevada. Được phục hồi từ: unce.unr.edu
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (Ngày 02 tháng 3 năm 2019). Sự kiện về vonfram hoặc Wolfram. Phục hồi từ: thinkco.com