Вольфрам и его характеристики
Общая характеристика вольфрама
По распространенности в земной коре [0,007% (масс.)] вольфрам уступает хрому, но превосходит молибден. Природные соединения вольфрама в большинстве случаев представляют собой вольфраматы – соли вольфрамовой кислоты H2WO4. Так, важнейшая вольфрамовая руда – вольфрамит – состоит из вольфраматов железа и марганца. Часто встречается также минерал шеелит CaWO4.
Вольфрам – тяжелый белый металл (рис. 1) плотностью 19,3 г/см 3. Его температура плавления (около 3400oС), выше, чем температура плавления всех других металлов. Вольфрам можно сваривать и вытягивать в тонкие нити.
Рис. 1. Вольфрам. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса вольфрама
Поскольку в свободном состоянии вольфрам существует в виде одноатомных молекул W, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 183,84.
Изотопы вольфрама
Известно, что в природе вольфрам может находиться в виде пяти стабильных изотопов 180W, 182W, 183W, 184W и 186W.Их массовые числа равны 180, 182, 183, 184 и 186 соответственно. Ядро атома изотопа вольфрама 180W содержит семьдесят четыре протона и сто шесть нейтронов, а остальные отличаются от него только числом нейтронов.
Существуют искусственные нестабильные изотопы вольфрама с массовыми числами от 158-ми до 192-х, а также одиннадцать изомерных состояния ядер.
Ионы вольфрама
На внешнем энергетическом уровне атома вольфрама имеется шесть электронов, которые являются валентными:
1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25р 65d46s2.
В результате химического взаимодействия вольфрам отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:
Wo -2e → W2+;
Wo -3e → W3+;
Wo -4e → W4+;
Wo -5e → W5+;
Wo -6e → W6+.
Молекула и атом вольфрама
В свободном состоянии вольфрам существует в виде одноатомных молекул W. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу вольфрама:
Энергия ионизации атома, эВ |
7,98 |
Относительная электроотрицательность |
2,3 |
Радиус атома, нм |
0,141 |
Сплавы вольфрама
Большая часть добываемого вольфрама расходуется в металлургии для приготовления специальных сталей и сплавов. Быстрорежущая инструментальная сталь содержит до 20% вольфрама и обладает способностью самозакаливаться. Такая сталь не теряет своей твердости даже при нагревании докрасна.
Кроме быстрорежущих широко применяются другие вольфрамовые и хромовольфрамовые стали. Например, сталь, содержащая от 1 до 6% вольфрама и до 2% хрома, применяется для изготовления пил, фрез, штампов.
Как самый тугоплавкий металл вольфрам входит в состав ряда жаропрочных сплавов. В частности, его сплавы с кобальтом и хромом – стеллиты – обладают высокими твердостью, износоустойчивостью, жаростойкостью. Сплавы вольфрама с медью сочетают в себе высокие электрическую проводимость, теплопроводность и износоустойчивость. Они применяются для изготовления рабочих частей рубильников, выключателей, электродов для точечной сварки.
Примеры решения задач
Задание | Осуществите ряд химических превращений:
W→WO3→MgWO4 (WCl6) → WO3. |
Ответ | Вольфрам сгорает при температуре выше 500oС с образованием оксида вольфрама (VI):
2W + 3O2→ 2WO3. При нагревании до 600 – 800oС смеси оксида вольфрама (VI) и оксида магния образуется вольфрамат магния: WO3 + MgO→MgWO4. Оксид вольфрама (VI) растворяется в четыреххлористом углероде при нагревании до 450oС и под давлением с образованием гексахлорида вольфрама: WO3 + 3CCl4 →WCl6 + 3CCl2O. Гексахлорид вольфрама при кипячении в воде образует оксид вольфрама (VI): WCl6 + H2Ohot→WO3¯ + 6HCl. |
Задание | Рассчитайте массовые доли элементов, входящих в состав оксида вольфрама (VI), если его молекулярная формула имеет вид WO3. |
Решение | Массовая доля элемента в составе какой-либо молекулы определяется по формуле:
ω (Х) = n × Ar (X) / Mr (HX) × 100%. Найдем молекулярную массу оксида вольфрама (VI): Mr(WO3) = Ar(W) + 3×Ar(O) = 184 + 3×16 = 184 + 48 = 232г. Тогда, массовые доли вольфрама и кислорода будут равны: ω (W) = Ar (W) / Mr (WO3) × 100%; ω (W) = 184 / 232 × 100% = 79,31%. ω (O) = 3 × Ar (O) / Mr (WO3) × 100%; ω (O) = 3 × 16 / 232 × 100% = 20,69%. |
Ответ | Массовая доля вольфрама равна 79,31%, массовая доля кислорода равна 20,69%. |