텅스텐 : 역사, 속성, 구조, 용도 - 화학 - 2025

텅스텐 , 텅스텐 또는 중금속 텅스텐은 화학적 인 W. 심볼 기간 주기율표 제 6 그룹 (6)에 위치되는 전이이고, 원자 번호 74는 그 이름 두 어원 의미 가지고 단단한 돌을 늑대 거품; 두 번째는이 금속이 텅스텐으로도 알려져 있기 때문입니다.

은회색 금속이며 부서지기 쉽지만 경도, 밀도가 높고 융점 및 끓는점이 높습니다. 따라서 드릴, 발사체 또는 복사 방출 필라멘트와 같은 고온, 압력 또는 기계적 힘과 관련된 모든 응용 분야에서 사용되었습니다.

부분적으로 산화 된 표면을 가진 텅스텐 바. 출처 : 화학 원소의 고해상도 이미지

이 금속의 가장 잘 알려진 용도는 문화적, 대중적 수준에서 전구의 필라멘트입니다. 그것들을 다루는 사람은 그것들이 얼마나 연약한 지 깨닫게 될 것입니다. 그러나 그들은 가단성과 연성이있는 순수한 텅스텐으로 만들어지지 않았습니다. 또한 합금과 같은 금속 매트릭스에서 우수한 저항성과 경도를 제공합니다.

융점이 가장 높은 금속이며 납 자체보다 밀도가 높으며 오스뮴 및 이리듐과 같은 다른 금속 만이 능가합니다. 마찬가지로 신체에서 생물학적 역할을 수행하는 것으로 알려진 가장 무거운 금속입니다.

텅스텐 산 음이온 인 WO ₄ ^2- 는 대부분의 이온 화합물에 참여하며 , 이는 산성 매질에서 중합하여 클러스터를 형성 할 수 있습니다. 반면에 텅스텐은 금속 간 화합물을 형성하거나 금속 또는 무기 염으로 소결되어 고체가 다른 모양이나 농도를 얻을 수 있습니다.

이 금속은 톤당 1.5g에 불과하여 지각에 그다지 풍부하지 않습니다. 더욱이 그것은 무거운 원소이기 때문에 그 기원은 은하계입니다. 특히 초신성 폭발에서 발생합니다.이 폭발은 형성되는 동안 우리 행성을 향해 텅스텐 원자의 "제트"를 던졌을 것입니다.

역사

어원

텅스텐 또는 볼프람의 역사는 이름처럼 스위스와 독일의 두 가지 얼굴을 가지고 있습니다. 1600 년대에 현재 독일과 오스트리아가 점령 한 지역에서 광부들은 구리와 주석을 추출하여 청동을 생산했습니다.

그 무렵 광부들은 그 과정에서 가시를 발견했습니다. 녹기에 극도로 어려운 광물이있었습니다. wolframite, (Fe, Mn, Mg) WO ₄ 로 구성된 광물 . 이것은 마치 마치 늑대 인 것처럼 주석을 유지하거나 "먹었다".

따라서이 요소의 어원은 '늑대'가 스페인어로 된 늑대, 주석을 먹은 늑대입니다. 그리고 거품이나 크림의 '램'은 결정이 긴 검은 털과 닮았다. 따라서 'wolfram'또는 'wolfram'이라는 이름은 이러한 첫 번째 관찰을 기리기 위해 생겨났습니다.

1758 년 스위스 측에서 유사한 광물 인 회중석 인 CaWO ₄ 는 '텅스텐'으로 명명되었으며 이는 '하드 스톤'을 의미합니다.

wolfram과 tungsten이라는 두 이름은 문화에 따라 서로 바꿔서 널리 사용됩니다. 예를 들어 스페인과 서유럽에서는이 금속이 텅스텐으로 가장 잘 알려져 있습니다. 미국 대륙에서는 텅스텐이라는 이름이 우세합니다.

인식과 발견

17 세기와 18 세기 사이에 두 개의 광물이 있었다는 것이 알려졌다 : 늑대 광석과 회중석. 하지만 다른 금속과 다른 금속이 있다는 것을 누가 보았습니까? 그것들은 광물로만 특성화 될 수 있었고, 아일랜드의 화학자 Peter Woulfe가 텅스텐을주의 깊게 분석하고 텅스텐의 존재를 추론 한 것은 1779 년이었습니다.

스위스 측에서도 1781 년 Carl Wilhelm Scheele은 텅스텐을 WO ₃ 으로 분리 할 수있었습니다 . 더욱이 그는 텅스텐 (또는 텅스텐) 산, H ₂ WO ₄ 및 기타 화합물을 얻었다.

그러나이 산을 줄여야했기 때문에 순수한 금속을 얻기에는 충분하지 않았습니다. 즉, 산소에서 분리되어 금속으로 결정화되는 과정을 거칩니다. Carl Wilhelm Scheele은이 화학 환원 반응에 적합한 용광로 나 방법을 가지고 있지 않았습니다.

스페인 형제 d 'Elhuyar, Fausto 및 Juan José가 행동에 나서 베르 가라시에서 석탄으로 두 광물 (늑대와 회중석)을 줄였습니다. 두 사람은 금속 텅스텐 (W)을 발견 한 공로와 영예를 안았습니다.

강철 및 전구

텅스텐 필라멘트가있는 모든 전구. 출처 : Pxhere.

다른 금속과 마찬가지로 그 용도는 역사를 정의합니다. 19 세기 말에 가장 눈에 띄는 것은 강철-텅스텐 합금과 전구 내부의 탄소를 대체하는 텅스텐 필라멘트였습니다. 우리가 알고있는 최초의 전구는 1903-1904 년에 판매되었다고 말할 수 있습니다.

속성

외모

광택이 나는 은회색 금속입니다. 연약하지만 매우 단단합니다 (인성과 혼동하지 마십시오). 조각이 고순도 인 경우 여러 강철만큼이나 그 이상으로 가단성과 단단해집니다.

원자 번호

74.

몰 질량

183.85g / mol.

녹는 점

3422 ° C

비점

5930 ° C

밀도

19.3g / mL.

융합 열

52.31 kJ / 몰.

기화열

774 kJ / 몰.

몰 열용량

24.27 kJ / 몰.

모스 경도

7.5.

전기 음성도

2.36 폴링 척도.

원자 라디오

139 오후

전기 저항

20 ° C에서 52.8 nΩ · m

동위 원소

그것은 자연에서 주로 ¹⁸² W, ¹⁸³ W, ¹⁸⁴ W, ¹⁸⁶ W 및 ¹⁸⁰ W의 5 개의 동위 원소로 발생합니다. 30 개의 방사성 동위 원소), 각 텅스텐 또는 텅스텐 원자는 약 100 개의 중성자를 가지고 있습니다 (74 + 110 = 184).

화학

WO ₃ 의 얇은 층 이 산소, 산 및 알칼리의 공격으로부터 보호하기 때문에 부식에 매우 강한 금속 입니다. 일단 다른 시약으로 용해되고 침전되면 그 염이 얻어지며,이를 tungstates 또는 wolframate라고합니다. 이들에서 텅스텐은 일반적으로 +6의 산화 상태를 갖습니다 ( ^{W6 +} 양이온이 있다고 가정 ).

산 클러스터링

텅스텐 폴리 옥소 메탈 레이트의 예인 Decatungstate. 출처 : Scifanz

화학적으로 텅스텐은 이온이 함께 클러스터링하여 헤테로폴리산 또는 폴리 옥소 메탈 레이트를 형성하는 경향이 있기 때문에 매우 특별합니다. 그들은 무엇인가? 그것들은 3 차원 몸체를 정의하기 위해 함께 모이는 원자의 그룹 또는 클러스터입니다. 주로 구형 케이지와 같은 구조를 가진 하나는 다른 원자를 "둘러싸고"있습니다.

이는 WO 텅스텐 음이온 모든 시작, ₄ ^2- , 이는 산성 매질에서 빠르게 양성자 (HWO ₄ ^- )을 형성하는 인접하는 음이온 및 귀속 ^2- ; 그리고 이것은 차례로 다른 ^2- 와 결합 하여 ^4- 를 시작합니다 . 솔루션에 여러 개의 politungstats가있을 때까지 계속합니다.

Paratungstates A 및 B, ^6- 및 H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ^10- 는 각각 이러한 폴리 음이온 중 가장 두드러진 것 중 하나입니다.

Lewis 스케치와 구조를 생각해내는 것은 어려울 수 있습니다. 그러나 원칙적으로 WO ₆ 팔면체 (상단 이미지) 세트로 시각화하는 것으로 충분합니다 .

이 칙칙한 8 면체는 결국 decatungstate, politungstat를 정의합니다. 헤테로 원자 (예 : 인)가 포함 된 경우 폴리 옥소 메탈 레이트가됩니다.

구조 및 전자 구성

결정상

텅스텐 원자는 체심 입방체 (bcc) 구조로 결정을 정의합니다. 이 결정 형태는 α 상으로 알려져 있습니다. β 단계도 입방체이지만 조금 더 조밀합니다. 상 또는 결정 형태 인 α와 β는 정상 조건에서 평형 상태로 공존 할 수 있습니다.

α상의 결정 입자는 등각 투영이지만 β상의 결정 입자는 기둥과 유사합니다. 결정에 관계없이 W 원자를 단단히 묶는 금속 결합에 의해 지배되며, 그렇지 않으면 높은 융점과 비등점 또는 텅스텐의 높은 경도와 밀도를 설명 할 수 없습니다.

금속 결합

텅스텐 원자는 어떻게 든 단단히 결합되어야합니다. 추측을하기 위해서는 먼저이 금속의 전자 구성을 관찰해야합니다.

4f ¹⁴ 5d ⁴ 6s ²

5d 궤도는 매우 크고 모호합니다. 이는 두 개의 인접한 W 원자 사이에 효과적인 궤도 중첩이 있음을 의미합니다. 또한 6s 궤도는 결과 대역에 기여하지만 정도는 낮습니다. 4f 궤도는 "배경에 깊이"있기 때문에 금속 결합에 대한 기여도가 적습니다.

이것은 원자의 크기와 결정립이 텅스텐의 경도와 밀도를 결정하는 변수입니다.

산화 상태

금속 텅스텐 또는 볼프람에서 W 원자는 산화 상태가 0입니다 (W ⁰ ). 전자 구성으로 돌아가서 5d 및 6s 오비탈은 W가 산소 또는 불소와 같은 전기 음성이 높은 원자와 함께 있는지 여부에 따라 전자가 "비워 질"수 있습니다.

두 개의 6s 전자가 손실되면 텅스텐은 +2 산화 상태 (W ²⁺ )를 가지므로 원자가 수축합니다.

또한 5d 궤도에서 모든 전자를 잃으면 산화 상태가 +6 (W ⁶⁺ )이됩니다. 4f 궤도는 내부에 있기 때문에 전자를 제거하기 위해 큰 에너지가 필요하기 때문에 여기에서 (이론적으로) 더 긍정적이 될 수 없습니다. 즉, 가장 긍정적 인 산화 상태는 +6이며 텅스텐은 더 작습니다.

이 텅스텐 (VI)은 산성 조건이나 많은 산소화 또는 할로겐화 화합물에서 매우 안정적입니다. 다른 가능한 양의 산화 상태는 +1, +2, +3, +4, +5 및 +6입니다.

텅스텐은 자체보다 전기 음성이 적은 원자와 결합하면 전자를 얻을 수도 있습니다. 이 경우 원자가 커집니다. 최대 4 개의 전자를 얻을 수 있습니다. 즉, 산화 상태가 -4 (W ^4- )입니다.

구하기

텅스텐은 wolframite와 scheelite 광물에서 발견된다는 것이 이전에 언급되었습니다. 공정에 따라 산화 텅스텐, WO ₃ 또는 파라 텅스텐 산 암모늄, (NH ₄ ) ₁₀ (H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ) · 4H ₂ O (또는 ATP)의 두 가지 화합물이 생성 됩니다. 둘 중 하나는 탄소가 1050 ° C 이상인 금속 W로 환원 될 수 있습니다.

텅스텐 잉곳을 생산하는 것은 경제적으로 이익이되지 않습니다. 텅스텐 잉곳을 녹이려면 많은 열과 돈이 필요하기 때문입니다. 그래서 합금을 얻기 위해 한 번에 다른 금속으로 처리하기 위해 분말 형태로 생산하는 것이 선호됩니다.

중국은 전 세계적으로 텅스텐 생산량이 가장 많은 국가라는 점을 언급 할 가치가 있습니다. 그리고 미국 대륙에서 캐나다, 볼리비아 및 브라질 도이 금속의 가장 큰 생산자 목록을 차지합니다.

응용

텅스텐 카바이드로 만든 링-이 금속의 경도를 사용하여 재료를 불멸화하고 경화시키는 방법의 예입니다. 출처 : SolitaryAngel (SolitaryAngel)

이 금속의 알려진 용도는 다음과 같습니다.

-그 소금은 오래된 극장 복장에서 면화를 착색하는 데 사용되었습니다.

-강철과 결합되어 더욱 단단해져 고속에서 기계적 절단에도 견딜 수 있습니다.

-소결 텅스텐 필라멘트는 백년 이상 전구 및 할로겐 램프에 사용되었습니다. 또한 융점이 높기 때문에 음극선 관 및 로켓 엔진의 노즐 소재로 사용되었습니다.

-발사체 및 방사능 보호막 제조시 납을 대체합니다.

-텅스텐 나노 와이어는 pH 및 가스에 민감한 나노 장치에 사용할 수 있습니다.

-텅스텐 촉매는 석유 산업에서 황 생산을 처리하는 데 사용되었습니다.

-텅스텐 카바이드는 모든 화합물 중에서 가장 널리 사용됩니다. 절단 및 드릴링 도구의 강화 또는 군비의 제조에서 목재, 플라스틱 및 세라믹 가공에 이르기까지.

위험 및 예방 조치

생물학적

지각에서 비교적 희귀 한 금속이기 때문에 부정적인 영향은 거의 없습니다. 산성 토양에서 polyungstates는 몰 리브 데이트 음이온을 사용하는 효소에 영향을 미치지 않을 수 있습니다. 그러나 기본적인 토양, WO ₄ ^-2- 을 MoO의 대사 과정에 (긍정적으로 또는 부정적으로) 개입 않는 ₄ ^2- 구리.

예를 들어 식물은 수용성 텅스텐 화합물을 흡수 할 수 있으며 동물이이를 먹은 다음 고기를 섭취 한 후 W 원자가 우리 몸에 들어갑니다. 대부분은 소변과 대변으로 배출되며 나머지 사람들에게 어떤 일이 발생하는지는 거의 알려져 있지 않습니다.

동물 연구에 따르면 고농도의 텅스텐 분말을 흡입하면 폐암과 유사한 증상이 나타납니다.

섭취를 통해 성인은 콜린 에스 테라 제와 포스파타제라는 효소를 현저하게 억제하기 위해 텅스텐 염이 풍부한 수천 갤런의 물을 마셔야합니다.

물리적 인

일반적으로 텅스텐은 독성이 낮은 원소이므로 건강에 해를 끼칠 수있는 환경 적 위험이 거의 없습니다.

금속 텅스텐과 관련하여 먼지를 흡입하지 마십시오. 샘플이 고체 인 경우 밀도가 매우 높고 떨어 뜨리거나 다른 표면에 부딪히면 물리적 손상을 일으킬 수 있다는 점을 명심해야합니다.

참고 문헌

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