Tungsteno

Tungsteno
74 W
Mo ↑ W ↓ Mx Tabla periódica tantalio ← → tungsteno renio
Apariencia
blanco grisáceo, lustroso
Propiedades generales
Nombre, símbolo, número	tungsteno, W, 74
Pronunciación	/ t ʌ ŋ s t ən / TUNG -stən; / w ʊ l F r əm / Wuul -frəm
Categoría Elemento	metal de transición
Grupo, período, bloque	6, 6, d
Peso atómico estándar	183.84
Configuración electrónica	[ Xe ] 4f 14 5d 4 6s 2 2, 8, 18, 32, 12, 2
Historia
Descubrimiento	Torbern Bergman (1781)
Primer aislamiento	Juan José Elhuyar y Fausto Elhuyar (1783)
Propiedades físicas
Fase	sólido
Densidad (cerca rt)	19,25 g · cm -3
Líquido densidad en mp	17,6 g · cm -3
Punto de fusion	3695 K , 3422 ° C, 6192 ° F
Punto de ebullicion	5828 K, 5555 ° C, 10.031 ° F
Punto crítico	13.892 K, MPa
Calor de fusión	35.3 kJ · mol -1
El calor de vaporización	806.7 kJ · mol -1
Capacidad calorífica molar	24.27 J · mol -1 · K -1
Presión del vapor
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k en T (K) 3477 3773 4137 4579 5127 5823
Propiedades atómicas
Estados de oxidación	6, 5, 4, 3, 2, 1, 0, -1, -2 (Levemente ácida óxido)
Electronegatividad	2,36 (escala de Pauling)
Energías de ionización	Primero: 770 kJ · mol -1
	Segundo: 1700 kJ · mol -1
Radio atómico	139 pm
Radio covalente	162 ± 19:00
Miscelánea
Estructura cristalina	centrada en el cuerpo cúbico
Ordenamiento magnético	paramagnético
La resistividad eléctrica	(20 ° C) 52,8 nΩ · m
Conductividad térmica	173 W · m -1 · K -1
Expansión térmica	(25 ° C) 4,5 micras · m -1 · K -1
El módulo de Young	411 GPa
Módulo de corte	161 GPa
Módulo de volumen	310 GPa
Relación de Poisson	0.28
Dureza de Mohs	7.5
Dureza Vickers	3430 MPa
Dureza Brinell	2570 MPa
Número de registro del CAS	7440-33-7
La mayoría de los isótopos estables
Artículo principal: Los isótopos de tungsteno
iso N / A media vida DM DE ( MeV) DP 180 W 0,12% 1,8 × 10 18 y α 2,516 176 Hf 181 W syn 121.2 d ε 0,188 181 Ta 182 W 26.50% > 1,7 × 10 20 y α 1,772 178 Hf 183 W 14,31% > 8 × 10 19 y α 1,680 179 Hf 184 W 30.64% > 1,8 × 10 20 y α 1,123 180 Hf 185 W syn 75.1 d β - 0,433 185 Re 186 W 28,43% > 4,1 × 10 18 y α 1,656 182 Hf β - β - - 186 Os

Tungsteno, también conocido como wolframio, es un elemento químico con el símbolo químico W y número atómico 74. La palabra de tungsteno viene del idioma sueco tung sten directamente traducible a piedra pesada, aunque el nombre es volfram en sueco para distinguirlo de Scheelita, en sueco tungsteno llamado alternativamente.

A, rara duro de metal en condiciones normales cuando no combinado, tungsteno se encuentra de forma natural en la Tierra sólo en compuestos químicos. Se identificó como un nuevo elemento en 1781, y primera aisló en forma de un metal en 1783. Su importante minerales incluyen wolframita y scheelita. La elemento libre es notable por su robustez, sobre todo el hecho de que tiene el más alto punto de fusión de todos los no- metales aleados y el segundo más alto de todos los elementos después de carbono . También es destacable su alta densidad de 19,3 veces la del agua, comparable a la de uranio y oro , y mucho más altos (aproximadamente 1,7 veces) que la de plomo . Tungsteno con pequeñas cantidades de impurezas es a menudo frágil y duro, lo que hace difícil trabajo. Sin embargo, el tungsteno muy puro, aunque sigue siendo difícil, es más dúctil, y se puede cortar con un acero duro sierra para metales.

Muchas aleaciones de tungsteno tienen numerosas aplicaciones, especialmente en incandescente filamentos de bombillas, Tubos de rayos X (como tanto el filamento y objetivo), electrodos de soldadura TIG , y superaleaciones. Dureza de tungsteno y de alta densidad dan aplicaciones militares en penetrar proyectiles. Los compuestos de tungsteno se utilizan con mayor frecuencia en la industria como catalizadores .

El tungsteno es el único metal de la tercera transición serie que se sabe que ocurren en biomoléculas, donde se utiliza en unas pocas especies de bacterias y arqueas. Es el elemento más pesado conocido por ser utilizado por cualquier organismo vivo. Tungsteno interfiere con molibdeno y cobre metabolismo, y es algo tóxico para la vida animal.

Historia

En 1781, Carl Wilhelm Scheele descubrió que un nuevo ácido , ácido túngstico, se podría hacer desde scheelita (en el momento llamado tungsteno). Scheele y Torbern Bergman sugirió que podría ser posible obtener un nuevo metal mediante la reducción de este ácido. En 1783, José y Fausto Elhuyar encontró un ácido a partir de wolframita que era idéntico al ácido túngstico. Más tarde ese año, en España, los hermanos lograron aislar tungsteno por reducción de este ácido con carbón de leña, y se le atribuye el descubrimiento del elemento.

En la Segunda Guerra Mundial , el tungsteno jugó un papel significativo en el fondo las relaciones políticas. Portugal, como la principal fuente europea del elemento, fue puesto bajo presión de ambos lados, a causa de sus yacimientos de mineral de wolframio en Panasqueira. La resistencia de tungsteno a altas temperaturas y su fortalecimiento de aleaciones hicieron una importante materia prima para la industria de las armas.

Etimología

El nombre de "tungsteno" (de la Nordic tung sten, que significa "piedra pesada") se utiliza en Inglés, francés, y muchos otros idiomas como el nombre del elemento. Tungsteno era el nombre antiguo de Suecia para la scheelita mineral. El otro nombre "wolfram" (o "volfram"), que se utiliza por ejemplo en los idiomas más europea (especialmente germánicos y eslavos), se deriva del mineral wolframita, y esto también es el origen de su símbolo químico, W. El nombre "wolframita" se deriva del alemán "Rahm lobo" ("hollín lobo" o "crema lobo"), el nombre dado al tungsteno por Johan Gottschalk Wallerius en 1747. Esto, a su vez, deriva de "Lupi spuma", el nombre Georg Agricola utiliza para el elemento en 1546, lo que se traduce en Inglés como "espuma de lobo" o "crema" (la etimología no es del todo cierto), y es una referencia a las grandes cantidades de estaño consumidos por el mineral durante su extracción.

Características

Propiedades físicas

En forma cruda de tungsteno, es un gris acero duro de metal que a menudo frágil y difícil de trabajo. Si se hace muy puro, tungsteno conserva su dureza (que excede a la de muchos aceros), y se convierte basta con que se puede trabajar fácilmente maleable. Se trabaja por forja, dibujo, o extrusión. Objetos de tungsteno también se forman comúnmente por sinterización.

De todos los metales en forma pura, tungsteno tiene el más alto punto de fusión (3422 ° C , 6192 ° F), más bajo presión de vapor (a temperaturas superiores a 1650 ° C, 3000 ° F) y el mayor resistencia a la tracción. El tungsteno tiene la más baja coeficiente de expansión térmica de cualquier metal puro. La expansión térmica de baja y alta temperatura de fusión y resistencia a la tracción de tungsteno originados por el fuerte enlaces covalentes formados entre átomos de tungsteno por los electrones 5d. La aleación de pequeñas cantidades de tungsteno con acero aumenta en gran medida su tenacidad.

Tungsteno existe en dos principales formas cristalinas α y β:. El primero tiene una centrada en el cuerpo estructura cúbica y es la forma más estable. La estructura de la fase β se llama A15 cúbico; es metaestable, pero puede coexistir con la fase α en condiciones ambientales debido a la síntesis de no equilibrio o estabilización por las impurezas. Contrariamente a la fase α que cristaliza en granos isométricos, la forma β exhibe una columnar hábito. La fase α tiene unas tres veces más bajo la resistividad eléctrica y una mucho menor temperatura de transición superconductora T _C que _en la fase β: ca. 0.015 K vs. 1-4 K; mezclar las dos fases permite obtener valores de T _C intermedicate. El valor T _C también se puede elevar por de aleación de tungsteno con otro metal (por ejemplo, 7,9 K para W- Tc ). Tales aleaciones de tungsteno se utilizan a veces en circuitos superconductores de baja temperatura.

Isótopos

Tungsteno de origen natural se compone de cinco isótopos cuyas vidas media son tan largos que pueden considerarse estable . En teoría, los cinco puede decaer en isótopos del elemento 72 ( hafnio ) por emisión alfa, pero sólo ¹⁸⁰ W se ha observado que hacerlo con una vida media de (1,8 ± 0,2) x 10 ¹⁸ años; en promedio, esto produce alrededor de dos desintegraciones alfa de ¹⁸⁰ W en un gramo de tungsteno natural por año. Los otros isótopos naturales no se han observado a las caries, lo que limita sus vidas medias para ser

¹⁸² W, T _1/2> 1,7 × 10 ²⁰ años

¹⁸³ W, T _1/2> 8 × 10 ¹⁹ años

¹⁸⁴ W, T _1/2> 1,8 × 10 ²⁰ años

¹⁸⁶ W, T _1/2> 4,1 × 10 ¹⁸ años

Otro 30 artificial radioisótopos de tungsteno se han caracterizado, el más estable de los cuales son ¹⁸¹ W con una vida media de 121,2 días, ¹⁸⁵ W con una vida media de 75,1 días, ¹⁸⁸ W con una vida media de 69,4 días, ¹⁷⁸ W con una la vida media de 21,6 días, y ¹⁸⁷ W con una vida media de 23,72 h. Todos los restantes isótopos radiactivos tienen vidas medias de menos de 3 horas, y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a 8 minutos. El tungsteno también tiene 4 estados de la meta, el ser más estable ^179m W (T _½ 6,4 minutos).

Propiedades químicas

Tungsteno Elemental resiste el ataque del oxígeno, ácidos , y álcalis.

El oficial más común estado de oxidación del tungsteno es 6, pero exhibe todos los estados de oxidación -2-6. Tungsteno normalmente se combina con el oxígeno para formar el amarillo óxido túngstico, WO _3, que se disuelve en soluciones acuosas alcalinas para formar iones de tungstato, WO 2-
4.

Carburos de tungsteno (W ₂ C y WC) son producidos por el calentamiento de tungsteno en polvo con carbono . W ₂ C es resistente al ataque químico, aunque reacciona fuertemente con el cloro para formar hexacloruro de tungsteno _(WCl6).

En solución acuosa, tungstato da la heteropoliácidos y polioxometalato aniones en condiciones neutras y ácidas. Como tungstato es tratado progresivamente con ácido, se produce la primera soluble, metaestable "paratungstato A" anión , W
7 O 6-
24, que con el tiempo se convierte en el anión menos soluble "paratungstato B", H
2 W
12 O 10
42. Además la acidificación produce el anión metatungstato muy soluble, H
2 W
12 O 6-
40, después de lo cual se alcanza el equilibrio. El ión metawolframato existe como un conjunto simétrico de doce tungsteno- oxígeno octaedros conocido como el Anión Keggin. Existen muchos otros aniones polioxometalato como especies metaestables. La inclusión de un átomo diferente, como el fósforo en lugar de las dos centrales hidrógenos en metatungstato produce una amplia variedad de heteropoliácidos, tales como H ácido fosfotúngstico ₃ PW ₁₂ O _40.

Puede formar trióxido de tungsteno compuestos de intercalación con metales alcalinos. Estos son conocidos como bronces; un ejemplo es bronce de tungsteno sódico.

Aparición

Tungsteno se encuentra en los minerales wolframita ( hierro - manganeso tungstato, (Fe, Mn) WO _4), scheelita ( calcio tungstato, (CaWO _4), ferberita (FeWo ₄₎ y hübnerita (MnWO _4). China produjo 51.000 toneladas de concentrado de tungsteno en 2009, que era el 83% de la producción mundial. En la antesala de la Segunda Guerra Mundial la producción de China de tungsteno desempeñado un papel a medida que China podría utilizar esta influencia para exigir la asistencia material del gobierno de Estados Unidos. La mayor parte de la producción restante se originó en Rusia (2.500 t), Canadá (1.964 t), Bolivia (1.023 t), Austria (900 t), Portugal (900 t), Tailandia (600 t), Brasil (500 t), Perú (500 t) y Ruanda (500 t). El tungsteno también se considera para ser una mineral, debido a las prácticas mineras no éticas observados en la República Democrática del Congo conflicto.

Papel biológico

Tungsteno, en el número atómico 74, es el elemento más pesado conocido por ser biológicamente funcional, siendo el yodo próxima más pesada (Z = 53). Aunque no en eucariotas , tungsteno es utilizado por algunas bacterias. Por ejemplo, enzimas llamadas oxidorreductasas utilizan tungsteno de manera similar al molibdeno mediante su uso en un tungsteno- complejo pterina con molibdopterina (molibdopterina, a pesar de su nombre, no contiene molibdeno, pero pueden ser complejas, ya sea con molibdeno o tungsteno en uso por los organismos vivos). Enzimas de tungsteno que utilizan normalmente reducen los ácidos carboxílicos a aldehídos. El tungsteno oxidorreductasas también pueden catalizar oxidaciones. La primera enzima de tungsteno que requieren ser descubierto también requiere selenio, y en este caso el par de tungsteno-selenio puede funcionar de manera análoga a la pareja de molibdeno-azufre de algunos molibdeno cofactor que requieren enzimas. Una de las enzimas en la familia oxidorreductasa que a veces emplean tungsteno (bacteriana formiato deshidrogenasa H) se conoce el uso de una versión de selenio y molibdeno de molybdopterin. Aunque se ha encontrado una xantina deshidrogenasa que contiene volframio a partir de bacterias que contienen tungsteno-molydopterin y también no unido a proteínas selenio, un complejo molybdopterin tungsteno-selenio no se ha descrito definitivamente.

En el suelo, tungsteno metálico se oxida a la anión tungstato. Puede ser selectiva o no selectiva importado por algunos organismos procariotas y pueden sustituir a molibdato en cierta enzimas. Su efecto sobre la acción de estas enzimas es en algunos casos y en otros inhibidores positivos. La química del suelo determina cómo se polimeriza el tungsteno; suelos alcalinos causan tungstatos monoméricos; ácidas suelos causan tungstatos poliméricos.

Tungstato de sodio y plomo han sido estudiados por su efecto sobre la lombrices de tierra. El plomo se encontró que era letal en niveles bajos y tungstato de sodio fue mucho menos tóxico, pero el tungstato completamente inhibida su la capacidad reproductiva.

El tungsteno se ha estudiado como un metabólica cobre biológica antagonista, en un papel similar a la acción de molibdeno. Se ha encontrado que tetrathiotungstates se pueden utilizar como cobre biológica productos químicos de quelación, similar a la tetrathiomolybdates.

Producción

Wolframita, escala en cm

Producción de tungsteno en 2005

Acerca de 61.300 toneladas de concentrados de tungsteno se produjeron en el año 2009. El tungsteno se extrae de sus minerales en varias etapas. El mineral se convierte eventualmente a tungsteno (VI) óxido (WO _3), que se calienta con hidrógeno o de carbono para producir tungsteno en polvo. Debido a la alta punto de fusión del tungsteno, no es comercialmente factible fundido de tungsteno lingotes. En lugar de ello, tungsteno en polvo se mezcla con pequeñas cantidades de níquel en polvo u otros metales, y sinterizado. Durante el proceso de sinterización, el níquel se difunde en el tungsteno, la producción de una aleación.

El tungsteno también se puede extraer por reducción con hidrógeno de WF _6:

WF ₆ + 3 H ₂ → W + 6 HF

o descomposición pirolítica:

WF ₆ → W + 3 F ₂ ( Δ H _r = +)

El tungsteno no se comercializa como un contrato de futuros y no se puede seguir en los intercambios como el Londres Bolsa de Metales. Los precios se cotizan generalmente para concentrado de tungsteno o WO _3. Si, convertido al equivalente de metal, que eran cerca de 19.000 por tonelada en 2009.

Aplicaciones

Primer plano de un filamento de tungsteno dentro de una lámpara halógena

Anillo de carburo de tungsteno (bisutería)

Aproximadamente la mitad de la de tungsteno se consume para la producción de materiales duros - a saber, carburo de tungsteno - con el uso principal restante estar en aleaciones y aceros. Menos de 10% se utiliza en otros compuestos químicos .

Los materiales duros

Tungsteno se utiliza principalmente en la producción de materiales duros basado en carburo de tungsteno, uno de los más difíciles carburos, con un punto de fusión de 2770 ° C. WC es un eficiente conductor eléctrico, pero W ₂ C es menos. WC se utiliza para hacer resistente al desgaste abrasivos y cuchillas y cuchillos para ejercicios, sierras circulares, fresado y girando herramientas utilizadas por los de metal mecánica, carpintería, minería , petróleo y las industrias de cuentas y de la construcción de cerca del 60% del consumo actual de tungsteno.

La joyería de la industria hace que los anillos de carburo de tungsteno sinterizado, tungsteno compuestos de carburo / metal, y también de tungsteno metálico. A veces los fabricantes o minoristas se refieren a carburo de tungsteno como un metal, pero es una cerámica. Debido a la dureza de tungsteno de carburo, anillos hechos de este material son extremadamente resistente a la abrasión, y celebrará un acabado bruñido más de anillos de tungsteno metálico. Anillos de carburo de tungsteno son frágiles, sin embargo, y pueden agrietarse bajo un golpe fuerte.

Aleaciones

La dureza y la densidad de tungsteno se aplican en la obtención de metal pesado aleaciones. Un buen ejemplo es de acero de alta velocidad, que puede contener hasta un 18% de tungsteno. Alto punto de fusión del tungsteno tungsteno hace un buen material para aplicaciones como toberas de cohetes, por ejemplo en el UGM-27 Polaris lanzados desde submarinos de misiles balísticos. Superaleaciones que contienen tungsteno, tales como Hastelloy y Stellite, se utilizan en aspas de las turbinas y piezas resistentes al desgaste y recubrimientos.

Armamento

Tungsteno, generalmente aleado con níquel y hierro o de cobalto para formar aleaciones pesadas, se utiliza en penetradores de energía cinética como una alternativa a uranio empobrecido, en aplicaciones en las que el uranio de radiactividad es problemático, o donde de adicional de uranio no se requieren propiedades pirofóricas (por ejemplo, en pequeñas balas de armas ordinarias diseñados para penetrar la armadura corporal). Del mismo modo, aleaciones de tungsteno también se han utilizado en proyectiles de cañón, granadas y misiles, para crear metralla supersónica. El tungsteno también se ha utilizado en Explosivos de Metal Inerte Denso, que lo utilizan como polvo denso para reducir los daños colaterales al tiempo que aumenta la letalidad de explosivos dentro de un radio pequeño.

Aplicaciones Químicas

Tungsteno (IV) sulfuro es una temperatura alta lubricante y es un componente de catalizadores para hidrodesulfuración. _MoS2 es más comúnmente utilizado para este tipo de aplicaciones.

Tungsteno óxidos se utilizan en esmaltes cerámicos y de calcio / magnesio tungstatos se utilizan ampliamente en iluminación fluorescente. Cristal tungstatos se utilizan como detectores de centelleo en la física nuclear y medicina nuclear. Otras sales que contienen tungsteno se utilizan en la industria química y industrias del curtido.

Óxido de tungsteno (WO ₃₎ se incorpora en catalizadores de reducción catalítica selectiva (SCR) que se encuentran en las plantas de energía de carbón. Estos catalizadores convierten oxido de nitrógeno ( NOx) a nitrógeno (N ₂₎ y agua (H ₂ O) usando amoniaco (NH _3). El óxido de tungsteno ayuda con la fuerza física del catalizador y se extiende la vida del catalizador.

Usos de nicho

Las aplicaciones que requieren su alta densidad incluyen pesos, contrapesos, quillas de lastre para yates, lastre cola de aviones comerciales, y como lastre en los coches de carreras de NASCAR y Fórmula Uno ; uranio empobrecido se utiliza también para estos propósitos, debido a la alta densidad de manera similar. Bloques de 75 kg de tungsteno fueron utilizados como "dispositivos de medios de equilibrio de crucero" en la parte de vehículo de entrada de la nave espacial Mars Science Laboratory 2012. Es un material ideal para usar como una muñeca para remachado, donde la masa necesario para obtener buenos resultados se puede lograr en una barra compacta. Aleaciones de alta densidad de tungsteno con níquel, cobre o hierro se utilizan en alta calidad dardos (para permitir un diámetro más pequeño y agrupaciones por lo tanto más estrictos) o para señuelos de pesca (bolas de tungsteno permiten la mosca se hunda rápidamente). Algunos tipos de Cuerdas de instrumentos musicales se enrollan con cables de tungsteno.

Tungstato de sodio se utiliza en El reactivo de Folin-Ciocalteu, una mezcla de diferentes productos químicos utilizados en el "ensayo de Lowry" para el análisis de contenido de proteína.

Sustitución de Oro

Su densidad, similar a la de oro, permite tungsteno para ser usado en la joyería como una alternativa al oro o platino . Tungsteno metálico es más difícil que las aleaciones de oro (aunque no tan duro como el carburo de tungsteno), y es hipoalergénico, por lo que es útil para anillos que resistirá los arañazos, especialmente en diseños con un acabado cepillado.

Debido a que la densidad es tan similar al oro (tungsteno es sólo un 0,36% menos denso), tungsteno también se puede utilizar en la falsificación de barras de oro, como mediante siembra de una barra de tungsteno con el oro, que se ha observado desde la década de 1980, o tomar una barra de oro existente, los agujeros de perforación, y reemplazar el oro extraído con barras de tungsteno. Las densidades no son exactamente lo mismo, y otras propiedades de oro y tungsteno diferir, pero tungsteno chapado en oro pasarán pruebas superficiales.

Tungsteno chapado en oro es comercialmente disponible de China (la principal fuente de tungsteno), tanto en joyería y en forma de barras.

Electrónica

Debido a que conserva su resistencia a altas temperaturas y tiene un alto punto de fusión , tungsteno elemental se utiliza en muchas aplicaciones de alta temperatura, tales como bombilla, de rayos catódicos tubo, y filamentos del tubo de vacío, elementos de calefacción, y toberas de los motores de cohetes. Su alto punto de fusión también hace de tungsteno adecuados para el sector aeroespacial y de alta temperatura utiliza tales como, aplicaciones de calefacción, y de soldadura eléctricos, en particular en la soldadura por arco de tungsteno con gas de proceso (también llamado gas inerte de tungsteno (TIG)).

Debido a sus propiedades conductoras y la inercia química relativa, tungsteno también se utiliza en electrodos, y en el emisor consejos en instrumentos de haz electrónico que utilizan cañones de emisión de campo, tales como microscopios electrónicos. En electrónica, tungsteno se utiliza como un material de interconexión en circuitos integrados , entre el dióxido de silicio material dieléctrico y los transistores. Se utiliza en películas metálicas, que sustituyen el cableado utilizado en la electrónica convencional con una capa de tungsteno (o molibdeno ) en silicio .

La estructura electrónica de tungsteno hace que sea una de las principales fuentes de Objetivos de rayos X, y también para el apantallamiento de radiaciones de alta energía (tal como en el industria radiofármaco para el blindaje de muestras radiactivas FDG). Polvo de tungsteno se utiliza como un material de relleno en plásticos compuestos, que se utilizan como un sustituto no tóxico para el plomo en balas, tiro, y escudos de radiación. Dado que la expansión térmica de este elemento es similar a vidrio de borosilicato, que se utiliza para la fabricación de juntas de vidrio-metal.

Precauciones

Debido a wolframio es rara y sus compuestos son generalmente inerte, los efectos de tungsteno sobre el medio ambiente son limitadas. La LD mediana de dosis letal ₅₀ depende en gran medida del animal y el método de administración y varía entre los 59 mg / kg (por vía intravenosa, conejo) y 5000 mg / kg (de tungsteno de polvo de metal, intraperitoneal, ratas).

Reivindicación de patente

El tungsteno es único entre los elementos en que ha sido objeto de un procedimiento judicial. En 1928, un tribunal de Estados Unidos rechazó El intento de General Electric patentarlo, volcando Patente de Estados Unidos 1.082.933 concedida en 1913 a William Coolidge.