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鎢 74 W 灰白色,有光澤 名稱·符號 ·序數 鎢(Tungsten)·W·74 元素類別 過渡金屬 族 ·週期 ·區 6 ·6 ·d 標準原子質量 183.84(1)[ 1] 电子排布 [Xe ] 4f14 5d4 6s2 [ 2] 2, 8, 18, 32, 12, 2
鎢的电子層(2, 8, 18, 32, 12, 2) 發現 托尔贝恩·伯格曼 (1781年)分離 Juan José Elhuyar 和Fausto Elhuyar (1783年)物態 固體 密度 (接近室温 ) 19.25 g ·cm −3 熔点 時液體密度17.6 g·cm−3 熔点 3695 K ,3422 °C ,6192 °F 沸點 5933 K ,5660 °C ,10220 °F 熔化热 35.3 kJ·mol−1 汽化热 806.7 kJ·mol−1 比熱容 24.27 J·mol−1 ·K−1 蒸氣壓
壓/Pa
1
10
100
1 k
10 k
100 k
溫/K
3477
3773
4137
4579
5127
5823
氧化态 6 , 5, 4, 3, 2, 1, 0, −1, −2 (微酸性 氧化物)电负性 2.36(鲍林标度) 电离能 第一:770 kJ·mol−1 第二:1700 kJ·mol−1 原子半径 139 pm 共价半径 162±7 pm 晶体结构 體心立方
磁序 順磁性 [ 3] 電阻率 (20 °C)52.8 n Ω·m 熱導率 173 W·m−1 ·K−1 膨脹係數 (25 °C)4.5 µm·m−1 ·K−1 杨氏模量 411 GPa 剪切模量 161 GPa 体积模量 310 GPa 泊松比 0.28 莫氏硬度 7.5 維氏硬度 3430 MPa 布氏硬度 2570 MPa CAS号 7440-33-7 主条目:鎢的同位素
同位素
丰度
半衰期 (t 1/2 )
衰變
方式
能量 (MeV )
產物
180 W
0.12%
1.59×1018 年
α
2.515
176 Hf
181 W
人造
120.956 天
ε
0.205
181 Ta
182 W
26.50%
穩定 ,帶108粒中子
183 W
14.31%
穩定,帶109粒中子
184 W
30.64%
穩定,帶110粒中子
185 W
人造
75.1 天
β−
0.431
185 Re
186 W
28.43%
穩定,帶112粒中子
鎢 (英語:Tungsten [ 4] ),
是一種化學元素 ,其化學符號 为W (源自德語:Wolfram [ 5] [ 6] ),原子序數 为74,原子量 為7002183840000000000♠ 183.84 u 。鎢非常硬,是鋼灰色至白色的過渡金屬 。鎢是卑金屬 ,在自然界大多與其他元素 以化合物 的形態存在,而不是單獨存在。鎢在西元1781年被發現且命名,在1783年第一次成功分離出鎢。黑鎢礦 以及白鎢礦 是鎢的重要礦石。
鎢元素具有极高穩定性,在所有元素中熔點 最高(3422 °C,6192 °F,3695 K)、沸點 最高(5930 °C,10706 °F,6203 K)[ 7] 。密度 為19.25 g·cm−3,與鈾 與金 的密度相當,比鉛 的密度還高1.7倍[ 8] 。多晶鎢本身堅硬易脆[ 9] [ 10] (在標準條件 下,未與其他物質結合時),難以進行加工使用。然而,若是純單晶鎢,則具有延展性 ,可使用鋼鋸切割[ 11] 。
鎢合金有許多的應用,包含燈泡燈絲 、X射線管 、鎢極氣體保護電弧焊 、超合金 和輻射防護屏蔽。鎢的高硬度和高密度的特性,可用於軍事 用途上,如穿甲彈。鎢化合物也經常在工業上作為催化劑 使用。
鎢是第三過渡族中唯一一個其存在於一些少數細菌與古細菌 中的金屬 。是任何生物體內不可或缺元素中最重的一個元素 [ 12] 。然而,鎢會干擾鉬 和銅 的代謝 [ 13] [ 14] ,對於一般常看到的生物體是具有一些毒性 的。
字源
瑞典化學家最早由白鎢礦 中分離出鎢酸,因此根據白鎢礦這種礦石的瑞典古名,將這種元素以瑞典語 :tungsten (這個字可被分解為tung sten ,字面意義為重石)命名。在英文 、法文 等語言中,都使用這個名稱(除了北歐五國 )。但因為tungsten 在瑞典文中也是白鎢礦的名稱,為了避免混淆,瑞典採用volfram 作為元素的名稱。
在歐洲其他國家,主要以德文 及各斯拉夫語 為代表,則使用德語:wolfram 或volfram ,在北歐五國 也使用這個名稱。這個名稱來自黑钨矿 (Wolframite)這個礦石的名字[ 15] 。符号“W”及中文“钨”的来源都来自德文Wolfram 。
黑鎢礦(Wolframite)的名字來自德文 "wolf rahm" ("wolf soot"狼煤煙 或 "wolf cream"狼奶油),於1747年由約翰‧嘎爾修特‧瓦萊裡烏斯 給定。這來自於拉丁文 "lupi spuma",為格奧爾格·阿格里科拉 在1546年對這個元素的稱呼,英文翻譯為「狼的白沫」,指的是這個礦物在萃取的過程消耗大量的錫 。
主要特征
物理性質
純鎢是鋼灰色至錫白色的堅硬金屬 ,通常很脆 而不易金屬加工 ,非常純的鎢可以維持它的硬度(高於許多其他金屬),且具有延展性,易於加工。鎢的加工方法有鍛造 、拉伸和衝擊。鎢常常以燒結 的方法製成。
在所有純金屬中,鎢的熔點最高(3415℃,6192 °F)蒸汽壓最低,(溫度1650℃,3000 °F以上),強度 最高[ 16] 。雖然碳相較於鎢能在較高的溫度下維持固態,但是碳在氣壓 下容易昇華 而非熔化,因此,它不具有熔點。鎢擁有最低的熱膨脹係數 。它的低熱膨脹係數、高熔點,以及高抗張強度,都源自于鎢原子間的強金屬鍵 。少量的鎢與鋼合金,能夠大大提升它的硬度 。
鎢以兩種晶體慣態 結構存在:α和β。前者以立方體心堆積,是較穩定的組成。後者則是亞穩定 的A15 立方體堆積,但因為非平衡合成或雜質造成的穩定性,可以與周圍條件下的α相共存。相較于α相擁有等長的晶粒,β相展現圓柱狀的晶性。α相的電阻率 只有β相的三分之一,且具有遠低於β相的超導轉移溫度(臨界點 TC):ca. 0.015 K vs. 1–4 K;混合兩者可以得到中間值得臨界溫度TC。以其他金屬與鎢合金也可以提高它的臨界溫度TC,此類鎢合金可以用於低溫超導電路。
同位素
天然鎢由四種穩定同位素 (182 W、183 W、184 W 以及 186 W)以及一種長壽命的放射性同位素 (180 W)組成。理論上,這五種同位素都能夠藉由α衰變 成72号元素鉿 ,但只有在180 W中觀測到衰变,半衰期 为 7018180000000000000♠ (1.8± 0.2)× 1018 年。[ 17] [ 18] 平均來說,一克的180 W在一年里会有兩次α衰變[ 19] 。其它同位素尚未被觀察到天然衰變,因此它們的半衰期至少为4 × 1021 年。
此外,还有另外30種鎢的人造放射性同位素已被确认,其中最穩定的有半衰期121.2天的181 W、半衰期75.1天的185 W、半衰期69.4天的188 W、半衰期21.6天的178 W以及半衰期23.72小時的187 W[ 19] 。剩下的放射性同位素半衰期都不超過三小時,其中大部份更少於八分鐘[ 19] 。鎢也有11種同核异构体 ,其中最穩定的是半衰期6.4分鐘的179m W。
化學性質
鎢元素可以阻隔酸 和鹼金屬 的腐蝕。但在空气中加热时表面易形成厚度不均的彩色氧化层
鎢最常見的氧化態 是+6價,但它也有-2至+6之間的其他氧化態。最常見的氧化物是黃色的三氧化鎢 (WO3 ),它可以在鹼性的水中溶化形成WO2− 4
碳 與粉狀鎢加熱可以製成鎢的碳化物(W2 C和WC),W 2 C 通常不易發生化學反應,但容易和氯產生六氯化鎢 (WCl6 )。
在中性或酸性水溶液 中,鎢可以形成異性聚合酸以及多原子離子酸,隨著鎢酸鹽與酸作用,先形成可溶的亞穩定”仲鎢酸A”陰離子W 7O 6– 24 ,接著轉變成溶解度較低的”仲鎢酸B“陰離子 H 2W 12O 10– 42 [ 20] ,最後穩定態達成,更酸化成易溶的偏鎢酸根陰離子H 2W 12O 6– 40 。偏鎢酸根離子 以對稱的十二鎢酸八面體 存在(Keggin structure )。許多其他的多原子離子酸以亞穩定種類存在,包括以磷 取代偏鎢酸根中心的兩個氫原子,製成多變的異性聚合酸,例如磷鎢酸。
三氧化鎢可以與鹼金屬形成嵌入 化合物,被稱作青銅 ,例如鈉鎢青銅 。
应用
钨的应用非常广泛,最常见的是碳化钨 (W C)。这种硬质材料用在金属加工、采矿、采油和建筑工业中作为耐用材料。此外在电灯泡和真空管 中钨丝的应用也很广。钨还常用作电极 。钨可以拉成很细的丝,而且熔点非常高。它的其它应用包括:
由于钨的熔点非常高,所以常用於航空和高温環境,例如电子、加热和焊接(E.G. 钨极气体保护电弧焊 )。
钨非常坚硬,非常紧密,因此制作重金属 合金非常理想,这样的合金用在装甲 車輛 、散热片 和高密度的应用上例如压重物、平衡重物、船和飞机的压重物等。
由于钨非常紧密,飞镖 往往含70%至97%的钨,使其比同重量的銅製飞镖更细,從而增加將全部飞镖投進同一目標的機會。
高速钢 含钨,有时含18%的钨。
制造涡轮机 片、耐用部分和保护层的高温合金含钨(哈氏合金 、钨铬钴合金 等)。
在子弹 中使用钨来取代铅 。
钨的化合物被用作催化剂 、无机颜色。二硫化钨是高温润滑剂 ,它在500 °C依然稳定。
由于钨的漲性和硅酸硼玻璃 类似,所以人們用它進行玻璃/金属密封
钨与镍 、铁 和钴 的合金被用来制作重合金,这样的重合金用在动能弹 或穿甲弹中取代贫铀 以减少污染。
在集成电路 中钨是前路之间的连接物。在二氧化硅绝缘体中侵蚀接触孔,注入钨,磨平来连接三极管。典型的接触孔可以小到65纳米。
碳化钨是最硬的物质之一,被用在机器工具和磨料中。碳化钨是磨具和转具中最常见的材料,往往也是最好的材料。
在放射医学中钨是屏蔽物质。运输氟脱氧葡萄糖 一般用钨容器,因為氟脱氧葡萄糖中的高能量氟-18 令铅容器无法使用。
其它:氧化钨被用在陶瓷 釉中,钙 或镁 钨常用在荧光粉中。在核物理 和核医学 中钨晶体被用作闪烁探测器 。钨被用作X射线 目标和在电子炉中作为加热器。含钨的盐被用在化学和皮革工业中。青铜色的氧化钨被用在绘画中。由于它的低敏感性 碳化钨被用作首饰,此外由于它非常硬它不会像其它擦光的金属被划痕。有些乐器的铉使用钨丝。
历史
1781年,瑞典化學家卡尔·威廉·舍勒 發現,使用白钨矿 ,可以制作出一种新的酸 ,即钨酸 。當時卡尔·威廉·舍勒 與其友人托尔贝恩·贝里曼 皆相信在鎢酸中一定可以進一步分解出一種新的化學元素。1783年胡塞·德盧亞爾 和浮士圖·德盧亞爾 兄弟发现从黑钨矿可以获得同样的酸。同年他们使用木炭 还原钨酸获得了钨,因此他们被公認为钨的发现者[他們稱之為"wolfram" 或 "volfram"][ 21] [ 22] 。
鎢的戰略價值在二十世紀早期受到注意。英國當局在1912年把卡羅克礦坑 (Carrock mine)從德國擁有的坎布里亞 礦業公司解放出來,還有在一次世界大戰 期間限制德國其他的取得來源。在二次世界大戰 ,鎢在政治交涉上扮演更加重要的角色。鎢在歐洲的主要來源是葡萄牙,當時受到雙方的壓力 ,因為在帕納什凱拉 沉積的鎢礦。鎢抗高溫的特性,其硬度和密度,以及強化合金的功效讓它成為軍工業的重要材料,用作武器和設備的成分與製作過程(例如碳化鎢 切割工具用於機械加工鋼鐵)。
生理作用
还原酶 使用钨蝶呤 。
虽然有人怀疑钨会导致白血病 ,但是至今为止缺乏有说服力的证明。
来源
黑钨矿 、白钨矿 、钨铁矿 等矿物含钨。重要的钨矿位于玻利维亚 、美国 加利福尼亚州 和科羅拉多州 、加拿大 、中国 、越南 、葡萄牙 、俄罗斯 以及韩国 。中国出产全世界钨的75%。通过使用碳还原钨的氧化物获得纯的金属。
全世界钨的贮藏总量估计为700万吨,其中约30%是黑钨矿,70%是白钨矿。但是目前大多数这些矿藏无法经济性地开采。按照目前的消耗量这些矿藏只够使用约140年。另一个获得钨的方法是回收。回收的钨比钨矿含量高,事实上利潤很高。
2017年中國、越南與俄羅斯分別供應了79,000、7,200、3,100吨。加拿大在2015年底停止生產因為其唯一的鎢礦礦坑關閉。越南在2010年左右因為其精煉工程的重大優化,大幅增加其產出,產量超過俄羅斯和玻利維亞。
中國仍然不只是全世界鎢製品最大的製造者,也是最大的出口和消費者。鎢的製造在中國外因需求上升而逐漸增加。同時中國的供給受到中國政府的嚴格管制,來對抗非法採礦和過多來自採礦與精煉過程的污染。
因為在剛果共和國 的不道德採礦行為,该国生产的钨矿被認為是衝突礦石 。
在英國達特穆爾 的邊緣有大量的鎢礦沉積,在一次和二次世界大戰期間有利用。隨著鎢的價格上升,這個礦坑在2014年重新開張,但在2018年關閉。
化合物
钨最常见的氧化态 是+6价,但它也有-1至+6之间的氧化状态[ 23] 。最常见的氧化物是黄色的三氧化钨 ,WO3 ,它可以在碱性的水中溶化形成WO4 2− 。
参考文献
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外部連結
镥 Lu 原子序:71 原子量:174.967 熔点(K):1925 沸点(K):3675 电负度:1.27
铪 Hf 原子序:72 原子量:178.49 熔点(K):2506 沸点(K):4876 电负度:1.3
鉭 Ta 原子序:73 原子量:180.948 熔点(K):3290 沸点(K):5731 电负度:1.5
钨 W 原子序:74 原子量:183.84 熔点(K):3695 沸点(K):5828 电负度:2.36
錸 Re 原子序:75 原子量:186.207 熔点(K):3459 沸点(K):5869 电负度:1.9
鋨 Os 原子序:76 原子量:190.23 熔点(K):3306 沸点(K):5285 电负度:2.2
銥 Ir 原子序:77 原子量:192.217 熔点(K):2739 沸点(K):4701 电负度:2.2
鉑 Pt 原子序:78 原子量:195.084 熔点(K):2041.4 沸点(K):4098 电负度:2.28
金 Au 原子序:79 原子量:196.967 熔点(K):1337.33 沸点(K):3129 电负度:2.54
汞 Hg 原子序:80 原子量:200.59 熔点(K):234.32 沸点(K):629.88 电负度:2.00