טונגסטן: היסטוריה, תכונות, מבנה, שימושים - כִּימִיָה - 2025

טונגסטן , טונגסטן או טונגסטן מתכת כבדה הוא מעבר אשר סימול כימי הוא W. ממוקם בתקופת 6 קבוצה 6 של הטבלה המחזורית, ומספר אטומי 74. שמיו יש שתי משמעויות אטימולוגי: אבן קשה קצף זאב; השנייה היא כי מתכת זו ידועה גם בשם טונגסטן.

זוהי מתכת אפורה כסופה ולמרות שהיא שבירה, יש לה קשיות, צפיפות רבה ונקודות התכה ורתיחה גבוהות. לפיכך, הוא שימש בכל אותם יישומים שכרוכים בטמפרטורות גבוהות, בלחצים או בכוחות מכניים, כמו מקדחות, קלידים או חוטים הפולטים קרינה.

מוט טונגסטן עם פני השטח המחומצנים שלו חלקית. מקור: תמונות Hi-Res של אלמנטים כימיים

השימוש הידוע ביותר למתכת זו, ברמה תרבותית ופופולרית, הוא בחוטי נורות חשמל. מי שטיפל בהם יבין עד כמה הם שבירים; עם זאת, הם אינם עשויים טונגסטן טהור, אשר ניתן לסחירה ושמיש. בנוסף, במטריצות מתכתיות כמו סגסוגות זה מספק עמידות וקשיחות מצוינות.

היא מאופיינת ומובחנת בהיותה המתכת עם נקודת ההיתוך הגבוהה ביותר, וגם היא צפופה יותר מאשר העופרת עצמה, שעברה רק על ידי מתכות אחרות כמו אוסמיום ואירידיום. באופן דומה, זו המתכת הכבדה ביותר הידועה שממלאת תפקיד ביולוגי כלשהו בגוף.

אניון הטונגסטייט, WO ₄ ^2- , משתתף ברוב התרכובות היוניות שלו , שיכולות לבצע פולימרים ליצירת אשכולות במדיום חומצי. מצד שני, טונגסטן יכולה ליצור תרכובות אינטר-מתכתיות, או להיות מסונן עם מתכות או מלחים אורגניים כך שהמוצקים שלה ירכשו צורות או עקביות שונות.

הוא לא שופע מאוד בקרום כדור הארץ, עם 1.5 גרם בלבד של מתכת זו לטון. יתרה מזאת, מכיוון שהיא אלמנט כבד, מקורו הוא בין-גלקטי; במיוחד מפיצוצים של סופרנובה, שבוודאי זרקו "מטוסים" של אטומי טונגסטן לכוכב הלכת שלנו במהלך היווצרותו.

הִיסטוֹרִיָה

אֶטִימוֹלוֹגִיָה

להיסטוריה של טונגסטן או וולפרם יש שני פרצופים ממש כמו שמותיהם: האחד שוויצרי, והשני גרמני. בשנות ה- 1600 של המאה העשרים, באזורים שכבשו כיום גרמניה ואוסטריה, כורים פעלו להפקת נחושת ופח לייצור ברונזים.

באותה תקופה הכורים מצאו עצמם עם קוץ בתהליך: היה מינרל קשה ביותר להתכה; מינרל המורכב מוולפריט, (Fe, Mn, Mg) WO ₄ , ששמר או "טרף" את הפח כאילו הוא זאב.

מכאן האטימולוגיה של היסוד הזה, 'זאב' לזאב בספרדית, זאב שאכל פח; ו"איל "של קצף או שמנת, שגבישיה דמו לפרווה שחורה ארוכה. כך נוצר השם 'וולפרם' או 'וולפרם' לכבוד התצפיות הראשונות הללו.

בשנת 1758, בצד השוויצרי, מינרל דומה, שלייט, CaWO ₄ , נקרא 'טונג סטן' שמשמעותו 'אבן קשה'.

שני השמות, וולפרם וטונגסטן, נמצאים בשימוש נרחב זה בזה, תלוי אך ורק בתרבות. בספרד, למשל, ובמערב אירופה, מתכת זו ידועה בעיקר בשם טונגסטן; ואילו ביבשת האמריקאית שולט השם טונגסטן.

הכרה וגילוי

היה ידוע אז שבין המאות השבע-עשרה לשמונה-עשרה היו שני מינרלים: וולפרמיט ושליייט. אבל, מי ראה שיש בהם מתכת שונה מהאחרים? אפשר היה לאפיין אותם רק כמינרלים, ובשנת 1779 ניתח הקומיקאי האירי פיטר וולף בזהירות טונגסטן והסיק את קיומו של טונגסטן.

בצד השוויצרי, שוב, הצליח קרל וילהלם שיל בשנת 1781 לבודד טונגסטן כ- WO ₃ ; ועוד יותר מכך, הוא השיג חומצה טונגסטית (או טונגסטית), H ₂ WO ₄ ותרכובות אחרות.

עם זאת, זה לא הספיק כדי להגיע למתכת הטהורה, מכיוון שהיה צורך להפחית חומצה זו; כלומר, כפוף אותו לתהליך כזה שהוא מתנתק מחמצן ומתגבש כמתכת. לקרל וילהלם שללה לא היו התנורים המתודולוגיים המתאימים לתגובת הפחתה כימית זו.

כאן נכנסו לפעולה האחים ספרד ד'אלויאר, פאוסטו וחואן חוסה, שהפחיתו את שני המינרלים (וולפרמיט ושליטייט) בפחם בעיר ברגארה. לשניהם זוכים הכשרון והכבוד להיות מגלים הטונגסטן המתכתי (W).

פלדות ונורות

כל נורה עם נימה של טונגסטן. מקור: Pxhere.

כמו מתכות אחרות, השימושים שלה מגדירים את ההיסטוריה שלה. בין הבולטים בסוף המאה ה -19 היו סגסוגות הפלדה-טונגסטן, וחוטי הטונגסטן שיחליפו את הפחמן בתוך נורות החשמל. ניתן לומר שהנורות הראשונות, כידוע, שווקו בשנים 1903-1904.

נכסים

מראה חיצוני

זוהי מתכת אפורה כסופה זוהר. שביר אך קשה מאוד (לא להתבלבל עם הקשיחות). אם היצירה היא בעלת טוהר גבוה היא הופכת להיות ניתנת לריצוף וקשה, פחות או יותר כמו כמה פלדות.

מספר אטומי

74.

מסה מולארית

183.85 גרם / מול.

נקודת המסה

3422 מעלות צלזיוס.

נקודת רתיחה

5930 מעלות צלזיוס.

צְפִיפוּת

19.3 גרם / מ"ל.

חום של היתוך

52.31 kJ / mol.

חום האידוי

774 ק"ג / מול.

קיבולת חום טוחנת

24.27 ק"ג / מול.

הקשיות של מו

7.5.

אלקטרונגטיביות

2.36 בסולם פאולינג.

רדיו אטומי

139 בערב

התנגדות חשמלית

52.8 nΩ · m ב 20 מעלות צלזיוס.

איזוטופים

זה מתרחש בעיקר בטבע כחמישה איזוטופים: ¹⁸² W, ¹⁸³ W, ¹⁸⁴ W, ¹⁸⁶ W ו- ¹⁸⁰ W. לפי המסה הטוחנית של 183 גרם / מול, הממוצעת את המוני האטום של איזוטופים אלה (והאחרים) שלושים רדיואיזוטופים), לכל אטום טונגסטן או טונגסטן יש כמאה ועשרה נויטרונים (74 + 110 = 184).

כִּימִיָה

זוהי מתכת עמידה מאוד בפני קורוזיה, שכן שכבה דקה של WO ₃ מגנה עליה מפני התקפה של חמצן, חומצה ואקלים. לאחר מומס ושקע עם ריאגנטים אחרים, מתקבלים מלחים שלו, המכונים טונגסטטים או וולפרטים; בהם טונגסטן בדרך כלל יש מצב חמצון של +6 (בהנחה שישנם קטיונים W ⁶⁺ ).

אשכול חומצות

Decatungstate, דוגמה לפוליוקסומטלטים של טונגסטן. מקור: Scifanz

טונגסטן כימית הוא די ייחודי מכיוון שהיונים שלו נוטים להתקבץ יחד ליצירת חומצות הטרופוליטיות או פוליוקסומטלטים. מה הם? אלה קבוצות או מקבצים של אטומים שמתלכדים זה בזה להגדרת גוף תלת מימדי; בעיקר, אחד עם מבנה דמוי כלוב, בו הם "סוגרים" אטום אחר.

הכל מתחיל מהאניון טונגסטייט, WO ₄ ^2- , אשר במדיום חומצי מגן במהירות (HWO ₄ ^- ) ונקשר עם אניון שכנה ליצירת ^2- ; וזה בתורו מצטרף עם עוד ^2- שמקורם ב ^-4 . אז הלאה עד שיש כמה פתרונות סטטיסטיים בפתרון.

Paratungstates A ו- B, ^6- ו- H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ^10- בהתאמה, הם אחד הבולטים מבין הפוליאניונים הללו.

זה יכול להיות מאתגר לבוא עם סקיצות ומבנים של לואיס שלך; אך באופן עקרוני די להמחיש אותם כסטים של WO ₆ אוקטאתדרה (תמונה עליונה).

שימו לב כי האוקטטהדרה האפרורית הזו מגדירה בסופו של דבר את הדקאטונגסטייט, פוליטונגסטאט; אם הטרום (למשל זרחן) מכיל בתוכו, זה יהיה פוליוקסומטלט.

מבנה ותצורה אלקטרונית

שלבים גבישיים

אטומי טונגסטן מגדירים קריסטל עם מבנה מעוקב במרכז הגוף (bcc). צורה גבישית זו ידועה בשם שלב ה- α; בעוד שלב ה- ß הוא גם מעוקב, אך מעט צפוף יותר. שני השלבים או צורות גבישיות, α ו- β, יכולים להתקיים בכפיפה אחת בשיווי משקל בתנאים רגילים.

הגרגרים הגבישיים של שלב ה- α הם איזומטריים, ואילו אלה של שלב ה- ß דומים לעמודי העמודים. ללא קשר לגביש, הוא נשלט על ידי הקשרים המתכתיים המחזיקים את אטומי ה- W יחד, אחרת לא ניתן היה להסביר את נקודות ההיתוך והרתיחה הגבוהות, או את הקשיות והצפיפות הגבוהה של טונגסטן.

קשר מתכתי

אטומי טונגסטן צריכים איכשהו להיות קשורים בחוזקה. כדי ליצור השערה, ראשית יש להקפיד על תצורת האלקטרונים של מתכת זו:

4f ¹⁴ 5d ⁴ 6s ²

המסלול ה 5d גדול מאוד ומעורפל, מה שמשמע כי בין שני אטומי W הסמוכים יש חפיפות מסלוליות יעילות. כמו כן, האורביטלים של שנות ה -6 תורמים ללהקות שהתקבלו, אך במידה פחותה. בעוד שהמעגלים 4f הם "עמוק ברקע" ולכן תרומתם לקשר המתכתי פחות.

זה, גודל האטומים, והגרגירים הגבישיים, הם המשתנים הקובעים את קשיות הוולנג וצפיפותו.

מצבי חמצון

בטונגסטן או וולפרם מתכתיים, אטומי ה- W הם בעלי מצב חמצון אפס (W ⁰ ). בחזרה לתצורה האלקטרונית, ניתן לרוקן את האורביטלים 5d ו- 6s מאלקטרונים, תלוי אם W נמצאת בחברה של אטומים אלקטרוניים מאוד, כמו חמצן או פלואור.

כאשר שני האלקטרונים של שנות ה- 6 הולכים לאיבוד, לטונגסטן יש מצב חמצון של +2 (W ²⁺ ), הגורם להתכווצות האטום שלו.

אם הוא גם מאבד את כל האלקטרונים במסלול ה -5d שלו, מצב החמצון שלו יהפוך ל- +6 (W ⁶⁺ ); מכאן זה לא יכול להיות חיובי יותר (בתיאוריה), מכיוון שהמעגלים 4f, בהיותם פנימיים, ידרשו אנרגיות גדולות כדי להסיר את האלקטרונים שלהם. במילים אחרות, מצב החמצון החיובי ביותר הוא +6, שם הטונגסטן עוד יותר קטן.

טונגסטן זה (VI) יציב מאוד בתנאים חומציים או בתרכובות רבות מחומציות או הלוגניות. מצבי חמצון אפשריים וחיוביים אחרים הם: +1, +2, +3, +4, +5 ו- +6.

טונגסטן יכולה גם להשיג אלקטרונים אם היא משתלבת עם אטומים פחות אלקטרוניים משל עצמה. במקרה זה האטומים שלו הולכים וגדלים. זה יכול להשיג מקסימום ארבעה אלקטרונים; כלומר, יש מצב של חמצון -4 (W ^4- ).

להשיג

הוזכר קודם לכן כי טונגסטן נמצא במינרלים wolframite ו- scheelite. בהתאם לתהליך, שתי תרכובות מתקבלות מהם: תחמוצת טונגסטן, WO ₃ , או paratungstate אמוניום, (NH ₄ ) ₁₀ (H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ) · 4H ₂ O (או ATP). ניתן להפחית את אחד מהם ל W מתכתי עם פחמן מעל 1050 מעלות צלזיוס.

זה לא משתלם כלכלית לייצר מטילי טונגסטן, מכיוון שהם היו זקוקים להרבה חום (וכסף) כדי להמיס אותם. לכן עדיף לייצר אותו בצורת אבקה כדי לטפל בו בבת אחת עם מתכות אחרות כדי להשיג סגסוגות.

ראוי להזכיר שסין היא המדינה עם ייצור הטונגסטן הגדול בעולם. וביבשת אמריקה, קנדה, בוליביה וברזיל תופסים גם את רשימת היצרנים הגדולים ביותר של מתכת זו.

יישומים

טבעת עשויה טונגסטן קרביד - דוגמא כיצד ניתן להשתמש בקשיות המתכת הזו להונצחת ולהקשחת חומרים. מקור: SolitaryAngel (SolitaryAngel)

להלן כמה מהשימושים הידועים למתכת זו:

המלחים שלו שימשו לצביעת כותנה מבגדי תיאטרון ישנים.

בשילוב פלדה הוא מקשה אותה עוד יותר, מסוגל אפילו לעמוד בפני חיתוכים מכניים במהירויות גבוהות.

-חוטי טונגסטן משובצים משמשים למעלה ממאה שנים בנורות חשמל ומנורות הלוגן. כמו כן, בגלל נקודת ההתכה הגבוהה שלו היא שימשה כחומר לצינורות קרני הקתודה, ולחרירי מנועי הרקטות.

תחליפים מובילים בייצור של טילים ומגנים רדיואקטיביים.

ניתן להשתמש בתאי ננו-טונגסטן במכשירי ננו-רגישים לחומציות pH.

זרזי טונגסטן שימשו להתמודדות עם ייצור הגופרית בתעשיית הנפט.

-טונגסטן קרביד הוא השימוש הנפוץ ביותר מבין כל תרכובותיו. החל מהתחזקות כלי החיתוך והקידוח, או ייצור חלקים של חימוש צבאי, לעיבוד עץ, פלסטיק וקרמיקה.

סיכונים ואמצעי זהירות

בִּיוֹלוֹגִי

בהיותה מתכת נדירה יחסית בקרום כדור הארץ, השפעותיו השליליות נדירות. בקרקעות חומציות, polyungstates עלול שלא להשפיע על האנזימים המשתמשים באני מוליבד. אך בקרקעות בסיסיות, WO ₄ ^2- אכן מתערב (חיובי או שלילי) בתהליכים המטבוליים של MoO ₄ ^2- ונחושת.

צמחים, למשל, יכולים לספוג תרכובות טונגסטן מסיסות, וכשחיה אוכלת אותם ואז לאחר צריכת הבשר שלה, אטומי W נכנסים לגופנו. רובם גורשים בשתן ובצואה, ומעט ידוע מה קורה לשארם.

מחקרים בבעלי חיים הראו שכאשר הם שואפים ריכוזים גבוהים של טונגסטן אבקת הם מפתחים תסמינים דומים לאלה של סרטן ריאות.

על ידי בליעה, אדם מבוגר יצטרך לשתות אלפי גלונים של מים מועשרים במלחי טונגסטן כדי להראות עיכוב משמעותי של האנזימים כולינסטרז ופוספטאז.

גוּפָנִי

באופן כללי, טונגסטן היא יסוד רעיל נמוך, ולכן ישנם מעט סיכונים סביבתיים של פגיעה בבריאות.

בנוגע לטונגסטן מתכתי, הימנע מהנשמת אבקו; ואם הדגימה מוצקה, יש לזכור שהיא צפופה מאוד וכי היא עלולה לגרום נזק פיזי אם תפילה או תפגע במשטחים אחרים.

הפניות

1. בל טרנס. (sf). טונגסטן (וולפרם): נכסים, ייצור, יישומים וסגסוגות. האיזון. התאושש מ: thebalance.com
2. ויקיפדיה. (2019). ווֹלפרָם. התאושש מ: en.wikipedia.org
3. Lenntech BV (2019). ווֹלפרָם. התאושש מ: lenntech.com
4. ג'ף דז'ארדינס. (1 במאי 2017). ההיסטוריה של טונגסטן, המתכת הטבעית החזקה ביותר בכדור הארץ. התאושש מ: visualcapitalist.com
5. דאג סטיוארט. (2019). עובדות על טונגסטן. התאושש מ: chemicool.com
6. ארט פישר ופאם פאוול. (sf). ווֹלפרָם. אוניברסיטת נבאדה. התאושש מ: unce.unr.edu
7. הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (02 במרץ, 2019). עובדות טונגסטן או וולפרם. התאושש מ: thoughtco.com