ทังสเตน: ประวัติคุณสมบัติโครงสร้างการใช้งาน - เคมี - 2026

ทังสเตนทังสเตนทังสเตนหรือโลหะหนักคือการเปลี่ยนแปลงที่มีสัญลักษณ์ทางเคมีดับบลิวตั้งอยู่ในระยะเวลา 6 กลุ่ม 6 ของตารางธาตุและเลขอะตอม 74 ชื่อของมันมีสองความหมายนิรุกติศาสตร์หินหนักและ โฟมหมาป่า ประการที่สองเป็นเพราะโลหะชนิดนี้เรียกอีกอย่างว่าทังสเตน

เป็นโลหะสีเทาเงินและถึงแม้ว่าจะเปราะ แต่ก็มีความแข็งความหนาแน่นสูงจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง ดังนั้นจึงถูกนำมาใช้ในทุกการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิสูงความกดดันหรือแรงเชิงกลเช่นสว่านโพรเจกไทล์หรือเส้นใยฉายรังสี

แท่งทังสเตนที่มีพื้นผิวออกซิไดซ์บางส่วน ที่มา: ภาพความละเอียดสูงขององค์ประกอบทางเคมี

การใช้โลหะชนิดนี้ที่รู้จักกันดีในระดับวัฒนธรรมและเป็นที่นิยมอยู่ในเส้นใยของหลอดไฟฟ้า ใครก็ตามที่จัดการพวกเขาจะตระหนักว่าพวกเขาเปราะบางเพียงใด อย่างไรก็ตามพวกเขาไม่ได้ทำจากทังสเตนบริสุทธิ์ซึ่งอ่อนและเหนียว นอกจากนี้ในเมทริกซ์โลหะเช่นโลหะผสมยังให้ความต้านทานและความแข็งที่ดีเยี่ยม

มีความโดดเด่นและโดดเด่นด้วยการเป็นโลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูงสุดและยังหนาแน่นกว่าตะกั่วด้วยโดยเฉพาะโลหะชนิดอื่นเช่นออสเมียมและอิริเดียม ในทำนองเดียวกันมันเป็นโลหะที่หนักที่สุดที่รู้จักกันเพื่อตอบสนองบทบาททางชีววิทยาบางอย่างในร่างกาย

tungstate anion, WO ₄ ^2-มีส่วนร่วมในสารประกอบไอออนิกส่วนใหญ่ซึ่งสามารถพอลิเมอไรเซชันเพื่อสร้างกลุ่มในตัวกลางที่เป็นกรด ในทางกลับกันทังสเตนสามารถสร้างสารประกอบระหว่างโลหะหรือเผาด้วยโลหะหรือเกลืออนินทรีย์เพื่อให้ของแข็งได้รับรูปร่างหรือความสม่ำเสมอที่แตกต่างกัน

เปลือกโลกมีไม่มากนักโดยมีโลหะชนิดนี้เพียง 1.5 กรัมต่อตัน นอกจากนี้เนื่องจากเป็นองค์ประกอบที่มีน้ำหนักมากต้นกำเนิดจึงเป็นอวกาศ โดยเฉพาะจากการระเบิดของซูเปอร์โนวาซึ่งจะต้องโยน "ไอพ่น" ของอะตอมทังสเตนมายังโลกของเราในระหว่างการก่อตัว

ประวัติศาสตร์

นิรุกติศาสตร์

ประวัติความเป็นมาของทังสเตนหรือวุลแฟรมมีสองหน้าเหมือนชื่อชาวสวิสหนึ่งคนและชาวเยอรมันคนอื่น ๆ ในช่วงทศวรรษที่ 1600 ในภูมิภาคที่เยอรมนีและออสเตรียยึดครองในปัจจุบันคนงานเหมืองได้ทำการสกัดทองแดงและดีบุกเพื่อผลิตทองสัมฤทธิ์

จากนั้นคนงานก็พบว่าตัวเองมีหนามอยู่ในกระบวนการ: มีแร่ที่ยากมากที่จะหลอม; แร่ประกอบด้วยวุลแฟรม (Fe, Mn, Mg) WO ₄ซึ่งกักเก็บหรือ "กิน" ดีบุกราวกับว่ามันเป็นหมาป่า

ดังนั้นนิรุกติศาสตร์สำหรับองค์ประกอบนี้ 'หมาป่า' สำหรับหมาป่าในภาษาสเปนหมาป่าที่กินดีบุก และ 'แกะ' ของโฟมหรือครีมซึ่งมีผลึกคล้ายขนยาวสีดำ ด้วยเหตุนี้ชื่อ 'วุลแฟรม' หรือ 'วุลแฟรม' จึงเกิดขึ้นเพื่อเป็นเกียรติแก่การสังเกตครั้งแรกเหล่านี้

ในปี 1758 ทางฝั่งสวิสแร่ที่คล้ายกันคือคีไลต์ CaWO ₄มีชื่อว่า 'tung sten' ซึ่งแปลว่า 'หินแข็ง'

ทั้งสองชื่อวุลแฟรมและทังสเตนใช้แทนกันได้อย่างกว้างขวางขึ้นอยู่กับวัฒนธรรมเท่านั้น ตัวอย่างเช่นในสเปนและในยุโรปตะวันตกโลหะนี้รู้จักกันดีในชื่อทังสเตน ในขณะที่ในทวีปอเมริกาชื่อทังสเตนมีอิทธิพลเหนือกว่า

การรับรู้และการค้นพบ

เป็นที่ทราบกันดีว่าระหว่างศตวรรษที่สิบเจ็ดถึงสิบแปดมีแร่อยู่สองชนิดคือวุลแฟรมและคีไลท์ แต่ใครจะเห็นว่ามีโลหะอยู่ในนั้นแตกต่างจากคนอื่น ๆ ? พวกเขาสามารถระบุได้ว่าเป็นแร่ธาตุเท่านั้นและในปี 1779 นักเคมีชาวไอริช Peter Woulfe ได้วิเคราะห์ทังสเตนอย่างรอบคอบและสรุปการมีอยู่ของทังสเตน

ทางฝั่งสวิสอีกครั้ง Carl Wilhelm Scheele ในปี ค.ศ. 1781 สามารถแยกทังสเตนเป็น WO ₃ ; และยิ่งไปกว่านั้นเขาได้รับกรด tungstic (หรือ tungstic), H ₂ WO ₄และสารประกอบอื่น ๆ

อย่างไรก็ตามสิ่งนี้ไม่เพียงพอที่จะไปถึงโลหะบริสุทธิ์เนื่องจากจำเป็นต้องลดกรดนี้ นั่นคืออยู่ภายใต้กระบวนการที่แยกตัวออกจากออกซิเจนและตกผลึกเป็นโลหะ Carl Wilhelm Scheele ไม่มีเตาเผาหรือวิธีการที่เหมาะสมสำหรับปฏิกิริยาการลดสารเคมีนี้

ที่นี่เป็นจุดเริ่มต้นของพี่น้องชาวสเปน d'Elhuyar, Fausto และ Juan Joséซึ่งลดแร่ธาตุทั้งสอง (Wolframite และ Scheelite) ด้วยถ่านหินในเมือง Bergara ทั้งสองคนได้รับรางวัลและเกียรติยศของการเป็นผู้ค้นพบโลหะทังสเตน (W)

เหล็กและหลอดไฟ

หลอดไฟที่มีไส้ทังสเตน ที่มา: pxhere.

เช่นเดียวกับโลหะอื่น ๆ การใช้งานจะกำหนดประวัติศาสตร์ของมัน สิ่งที่โดดเด่นที่สุดในตอนท้ายของศตวรรษที่ 19 ได้แก่ โลหะผสมเหล็กทังสเตนและไส้หลอดทังสเตนเพื่อแทนที่คาร์บอนภายในหลอดไฟฟ้า อาจกล่าวได้ว่าหลอดไฟหลอดแรกอย่างที่เรารู้จักกันนั้นวางตลาดในปีพ. ศ. 2446-2547

คุณสมบัติ

ลักษณะทางกายภาพ

เป็นโลหะสีเงินเทาเงางาม บอบบาง แต่แข็งมาก (เพื่อไม่ให้สับสนกับความเหนียว) ถ้าชิ้นส่วนมีความบริสุทธิ์สูงมันจะอ่อนและแข็งได้เท่ากับเหล็กหลาย ๆ ตัวหรือมากกว่านั้น

เลขอะตอม

74.

มวลโมลาร์

183.85 ก. / โมล.

จุดหลอมเหลว

3422 องศาเซลเซียส

จุดเดือด

5930 องศาเซลเซียส

ความหนาแน่น

19.3 ก. / มล.

ความร้อนของฟิวชั่น

52.31 กิโลจูล / โมล

ความร้อนของการกลายเป็นไอ

774 กิโลจูล / โมล

ความจุความร้อนกราม

24.27 กิโลจูล / โมล

ความแข็งของ Moh

7.5.

อิเล็ก

2.36 ในระดับ Pauling

วิทยุปรมาณู

139 น

ความต้านทานไฟฟ้า

52.8 nΩ· m ที่ 20 ° C

ไอโซโทป

ส่วนใหญ่เกิดขึ้นในธรรมชาติโดยมีไอโซโทป 5 ไอโซโทป: ¹⁸²วัตต์¹⁸³วัตต์¹⁸⁴วัตต์¹⁸⁶วัตต์และ¹⁸⁰วัตต์ตามมวลโมลาร์ 183 กรัม / โมลซึ่งโดยเฉลี่ยมวลอะตอมของไอโซโทปเหล่านี้ (และอื่น ๆ ไอโซโทปรังสีสามสิบตัว) แต่ละอะตอมของทังสเตนหรือทังสเตนมีนิวตรอนประมาณหนึ่งร้อยสิบ (74 + 110 = 184)

เคมี

เป็นโลหะที่ทนทานต่อการกัดกร่อนสูงเนื่องจากชั้นบาง ๆ ของ WO ₃ช่วยป้องกันการโจมตีของออกซิเจนกรดและด่าง เมื่อละลายและตกตะกอนด้วยรีเอเจนต์อื่นแล้วจะได้เกลือซึ่งเรียกว่า tungstates หรือ Wolframates ทังสเตนมักจะมีสถานะออกซิเดชันเป็น +6 (สมมติว่ามีไอออนบวก W ⁶⁺ )

การรวมกลุ่มของกรด

Decatungstate เป็นตัวอย่างของ polyoxometalates ทังสเตน ที่มา: Scifanz

ทังสเตนในทางเคมีมีความเฉพาะเจาะจงมากเนื่องจากไอออนของมันมีแนวโน้มที่จะรวมกลุ่มกันเพื่อสร้างกรดเฮเทอโรโพลีหรือโพลีออกโซเมทาเลต พวกเขาคืออะไร? พวกมันเป็นกลุ่มหรือกลุ่มของอะตอมที่มารวมกันเพื่อกำหนดร่างกายสามมิติ โดยทั่วไปแล้วจะมีโครงสร้างคล้ายกรงทรงกลมซึ่งพวกมัน "ล้อม" อะตอมอีกตัวไว้

ทุกอย่างเริ่มต้นจากแอนไอออน tungstate, WO ₄ ^2-ซึ่งในตัวกลางของกรดจะโปรโตเนตอย่างรวดเร็ว (HWO ₄ ^- ) และจับกับประจุลบที่อยู่ใกล้เคียงเพื่อสร้าง^2- ; และในทางกลับร่วมกับอีก²จะเกิด4- จนกว่าจะมีสถานะทางการเมืองหลายประการในการแก้ปัญหา

Paratungstates A และ B, ^6-และ H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ^10-ตามลำดับเป็นหนึ่งใน polyanion ที่โดดเด่นที่สุด

การสร้างแบบร่างและโครงสร้าง Lewis ของคุณอาจเป็นเรื่องยาก แต่โดยหลักการแล้วก็เพียงพอที่จะมองเห็นเป็นชุดของ WO ₆ octahedra (ภาพบน)

โปรดสังเกตว่า octahedra สีเทาเหล่านี้จบลงด้วยการกำหนด decatungstate ซึ่งเป็น Politungstat; ถ้า heteroatom (เช่นฟอสฟอรัส) อยู่ภายในมันก็จะเป็น polyoxometalate

โครงสร้างและการกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์

ขั้นตอนของผลึก

อะตอมของทังสเตนกำหนดผลึกที่มีโครงสร้างลูกบาศก์เป็นศูนย์กลางร่างกาย (bcc) รูปแบบผลึกนี้เรียกว่าเฟสα; ในขณะที่เฟสβยังเป็นลูกบาศก์ แต่มีความหนาแน่นมากกว่าเล็กน้อย ทั้งสองเฟสหรือรูปแบบผลึกαและβสามารถอยู่ร่วมกันได้อย่างสมดุลภายใต้สภาวะปกติ

เม็ดผลึกของเฟสαมีมิติเท่ากันในขณะที่เฟสβมีลักษณะคล้ายคอลัมน์ ไม่ว่าคริสตัลจะอยู่ภายใต้พันธะโลหะที่ยึดอะตอม W ไว้ด้วยกันอย่างแน่นหนามิฉะนั้นจะไม่สามารถอธิบายจุดหลอมเหลวและจุดเดือดที่สูงหรือความแข็งและความหนาแน่นสูงของทังสเตนได้

พันธะโลหะ

อะตอมของทังสเตนจะต้องถูกมัดให้แน่น ในการคาดเดาต้องสังเกตการกำหนดค่าอิเล็กตรอนของโลหะนี้ก่อน:

4f ¹⁴ 5d ⁴ 6s ²

วงโคจร 5d มีขนาดใหญ่มากและคลุมเครือซึ่งหมายความว่าระหว่างอะตอม W สองอะตอมที่อยู่ใกล้เคียงมีการทับซ้อนกันของวงโคจรที่มีประสิทธิภาพ นอกจากนี้วงโคจร 6s ยังมีส่วนช่วยในวงดนตรีที่เกิดขึ้น แต่ในระดับที่น้อยกว่า ในขณะที่วงโคจร 4f "อยู่ลึกลงไปด้านหลัง" ดังนั้นจึงมีส่วนร่วมในพันธะโลหะน้อยกว่า

นี่คือขนาดของอะตอมและเม็ดผลึกเป็นตัวแปรที่กำหนดความแข็งของทังสเตนและความหนาแน่นของมัน

สถานะออกซิเดชัน

ในทังสเตนโลหะหรือวุลแฟรมอะตอม W มีสถานะออกซิเดชันเป็นศูนย์ (W ⁰ ) กลับไปที่การกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์วงโคจร 5d และ 6s สามารถ "ว่าง" ของอิเล็กตรอนได้ขึ้นอยู่กับว่า W อยู่ในกลุ่มของอะตอมที่มีอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงเช่นออกซิเจนหรือฟลูออรีน

เมื่อสูญเสียอิเล็กตรอน 6s สองตัวทังสเตนจะมีสถานะออกซิเดชัน +2 (W ²⁺ ) ซึ่งทำให้อะตอมหดตัว

ถ้ามันสูญเสียอิเล็กตรอนทั้งหมดในวงโคจร 5d ด้วยสถานะออกซิเดชันของมันจะกลายเป็น +6 (W ⁶⁺ ) จากตรงนี้มันไม่สามารถกลายเป็นบวกได้อีกแล้ว (ในทางทฤษฎี) เนื่องจากวงโคจร 4f ซึ่งอยู่ภายในจะต้องใช้พลังงานมหาศาลในการกำจัดอิเล็กตรอน กล่าวอีกนัยหนึ่งสถานะออกซิเดชั่นที่เป็นบวกมากที่สุดคือ +6 โดยที่ทังสเตนมีขนาดเล็กกว่า

ทังสเตน (VI) นี้มีความเสถียรมากในสภาวะที่เป็นกรดหรือในสารประกอบที่มีออกซิเจนหรือฮาโลเจนหลายชนิด สถานะออกซิเดชั่นที่เป็นไปได้และเป็นบวกอื่น ๆ ได้แก่ +1, +2, +3, +4, +5 และ +6

ทังสเตนยังสามารถรับอิเล็กตรอนได้ถ้ามันรวมกับอะตอมที่มีอิเล็กโตรเนกาติวิตีน้อยกว่าตัวมันเอง ในกรณีนี้อะตอมของมันจะใหญ่ขึ้น สามารถรับอิเล็กตรอนได้สูงสุดสี่ตัว กล่าวคือมีสถานะออกซิเดชันเป็น -4 (W ^4- )

การได้รับ

มีการกล่าวไว้ก่อนหน้านี้ว่าทังสเตนพบได้ในแร่ธาตุวุลแฟรมและสคีไลท์ ขึ้นอยู่กับกระบวนการนี้สารประกอบสองชนิดจะได้รับจากพวกมัน: ทังสเตนออกไซด์ WO ₃หรือแอมโมเนียมพาราทังสเตท (NH ₄ ) ₁₀ (H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ) · 4H ₂ O (หรือ ATP) ทั้งสองอย่างสามารถลดลงเป็นโลหะ W ที่มีคาร์บอนสูงกว่า 1,050 ° C

การผลิตแท่งทังสเตนไม่ได้ผลกำไรทางเศรษฐกิจเนื่องจากต้องใช้ความร้อน (และเงิน) จำนวนมากในการหลอม นั่นคือเหตุผลว่าทำไมจึงเป็นที่ต้องการในการผลิตในรูปแบบผงเพื่อบำบัดพร้อมกับโลหะอื่น ๆ เพื่อให้ได้โลหะผสม

เป็นที่น่ากล่าวขวัญว่าจีนเป็นประเทศที่มีการผลิตทังสเตนมากที่สุดในโลก และในทวีปอเมริกาแคนาดาโบลิเวียและบราซิลยังครองรายชื่อผู้ผลิตโลหะชนิดนี้รายใหญ่ที่สุด

การประยุกต์ใช้งาน

แหวนที่ทำจากทังสเตนคาร์ไบด์ - ตัวอย่างของความแข็งของโลหะนี้ที่สามารถใช้เพื่อทำให้วัสดุเป็นอมตะและแข็งตัวได้ ที่มา: SolitaryAngel (SolitaryAngel)

นี่คือบางส่วนของการใช้งานที่รู้จักสำหรับโลหะนี้:

- เกลือของมันถูกนำมาใช้เพื่อทำสีผ้าฝ้ายจากเครื่องแต่งกายของโรงละครเก่า

- เมื่อรวมกับเหล็กแล้วจะทำให้มันแข็งตัวมากขึ้นและสามารถต้านทานการตัดด้วยเครื่องจักรด้วยความเร็วสูงได้

- ไส้หลอดทังสเตนที่ผ่านการเผาถูกใช้มานานกว่าร้อยปีในหลอดไฟฟ้าและหลอดฮาโลเจน นอกจากนี้เนื่องจากมีจุดหลอมเหลวสูงจึงทำหน้าที่เป็นวัสดุสำหรับหลอดรังสีแคโทดและสำหรับหัวฉีดของเครื่องยนต์จรวด

- แทนที่ผู้นำในการผลิตกระสุนปืนและโล่กัมมันตภาพรังสี

- สายนาโนทังสเตนสามารถใช้ใน pH และอุปกรณ์นาโนที่ไวต่อก๊าซ

- ตัวเร่งปฏิกิริยาทังสเตนถูกใช้เพื่อจัดการกับการผลิตกำมะถันในอุตสาหกรรมน้ำมัน

- ทังสเตนคาร์ไบด์เป็นสารประกอบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด ตั้งแต่การเสริมความแข็งแกร่งของเครื่องมือตัดและเจาะหรือการผลิตชิ้นส่วนของอาวุธยุทโธปกรณ์ไปจนถึงการตัดเฉือนไม้พลาสติกและเซรามิก

ความเสี่ยงและข้อควรระวัง

ทางชีวภาพ

เนื่องจากเป็นโลหะที่ค่อนข้างหายากในเปลือกโลกผลกระทบด้านลบจึงหายาก ในดินที่เป็นกรด polyungstates อาจไม่มีผลต่อเอนไซม์ที่ใช้แอนไอออนโมลิบเดต แต่ในดินพื้นฐาน WO ₄ ^2-จะเข้าไปแทรกแซง (ในทางบวกหรือทางลบ) ในกระบวนการเผาผลาญของ MoO ₄ ^2-และทองแดง

ตัวอย่างเช่นพืชสามารถดูดซับสารประกอบทังสเตนที่ละลายน้ำได้และเมื่อสัตว์กินเข้าไปแล้วหลังจากบริโภคเนื้อแล้วอะตอมของ W ก็จะเข้าสู่ร่างกายของเรา ส่วนใหญ่ถูกขับออกทางปัสสาวะและอุจจาระและไม่ค่อยมีใครรู้ว่าเกิดอะไรขึ้นกับส่วนที่เหลือ

การศึกษาในสัตว์ทดลองแสดงให้เห็นว่าเมื่อสูดดมทังสเตนผงที่มีความเข้มข้นสูงจะมีอาการคล้ายกับมะเร็งปอด

โดยการกลืนกินมนุษย์ที่เป็นผู้ใหญ่จะต้องดื่มน้ำหลายพันแกลลอนที่อุดมไปด้วยเกลือทังสเตนเพื่อแสดงการยับยั้งเอนไซม์ cholinesterase และ phosphatase ที่เห็นได้ชัด

ทางกายภาพ

โดยทั่วไปแล้วทังสเตนเป็นองค์ประกอบที่มีพิษต่ำดังนั้นจึงมีความเสี่ยงต่อสิ่งแวดล้อมน้อยที่จะทำลายสุขภาพ

เกี่ยวกับทังสเตนโลหะหลีกเลี่ยงการหายใจเอาฝุ่นเข้าไป และถ้าตัวอย่างเป็นของแข็งต้องระลึกไว้เสมอว่ามันมีความหนาแน่นมากและอาจทำให้เกิดความเสียหายทางกายภาพได้หากทำตกหรือโดนพื้นผิวอื่น

อ้างอิง

1. เบลล์เทอเรนซ์ (เอสเอฟ) ทังสเตน (Wolfram): คุณสมบัติการผลิตการใช้งานและโลหะผสม สมดุล. ดึงมาจาก: thebalance.com
2. วิกิพีเดีย (2019). ทังสเตน สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
3. Lenntech BV (2019). ทังสเตน สืบค้นจาก: lenntech.com
4. Jeff Desjardins (1 พฤษภาคม 2560). ประวัติของทังสเตนโลหะธรรมชาติที่แข็งแกร่งที่สุดในโลก ดึงมาจาก: visualcapitalist.com
5. ดั๊กสจ๊วต (2019). ข้อเท็จจริงองค์ประกอบทังสเตน ดึงมาจาก: chemicool.com
6. Art Fisher และ Pam Powell (เอสเอฟ) ทังสเตน มหาวิทยาลัยเนวาดา กู้คืนจาก: unce.unr.edu
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (02 มีนาคม 2562). ข้อเท็จจริงทังสเตนหรือวุลแฟรม ดึงมาจาก: thoughtco.com