تنگستن

تنگستن (به انگلیسی: Tungsten) یا وُلفرام[4][5] عنصری شیمیایی با نماد شیمیایی W و عدد اتمی ۷۴ است. تنگستن فلزی کمیاب و گران بهاست که در طبیعت تقریباً به صورت خالص یافت نمی‌شود، بلکه فقط می‌توان ترکیبات آن را با سایر عناصر پیدا کرد. این عنصر در سال ۱۷۸۱ میلادی شناسایی و در سال ۱۷۸۳ برای اولین بار به عنوان یک فلز خالص جداسازی شد. سنگ‌های معدنی اصلی حاوی تنگستن، سنگ‌های ولفرامیت و شئلیت هستند.

تنگستن، ₇₄W

تنگستن
تلفظ	‎/ˈtʌŋstən/‎ ​(TUNG-stən)
ظاهر	grayish white, lustrous
جرم اتمی استاندارد (Ar، استاندارد)	۱۸۳٫۸۴(۱)[1]
تنگستن در جدول تناوبی
Mo ↑ W ↓ Sg تانتال ← تنگستن → رنیم
عدد اتمی (Z)	74
گروه	گروه ۱۲
دوره	دوره 6
بلوک	بلوک-d
دسته	Transition metal
آرایش الکترونی	[Xe] 4f^14 5d^4 6s^2[2]
لایه الکترونی	2, 8, 18, 32, 12, 2
ویژگی‌های فیزیکی
فاز در STP	جامد
نقطه ذوب	3695 K ​(3422 °C, ​6192 °F)
نقطه جوش	5828 K ​(5555 °C, ​10031 °F)
چگالی (near r.t.)	19.25 g/cm^3
در حالت مایع (at m.p.)	17.6 g/cm^3
نقطه بحرانی	13892 K,  MPa
حرارت همجوشی	35.3 kJ/mol
آنتالپی تبخیر	806.7 kJ/mol
ظرفیت حرارتی مولی	24.27 J/(mol·K)
فشار بخار فشار (Pa) ۱ ۱۰ ۱۰۰ ۱ K ۱۰ K ۱۰۰ K در دمای (K) 3477 3773 4137 4579 5127 5823
ویژگی‌های اتمی
عدد اکسایش	−4, −2, −1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6 (یک اکسید اسیدی ملایم)
الکترونگاتیوی	مقیاس پائولینگ: 2.36
انرژی یونش	1st: 770 kJ/mol 2nd: 1700 kJ/mol
شعاع اتمی	empirical: 139 pm
شعاع کووالانسی	pm 162±7
Color lines in a spectral range خط طیف نوری تنگستن
دیگر ویژگی ها
ساختار بلوری	​(bcc)
انبساط حرارتی	4.5 µm/(m·K) (at 25 °C)
رسانندگی گرمایی	173 W/(m·K)
رسانش الکتریکی	52.8 n Ω·m (at 20 °C)
رسانش مغناطیسی	پارامغناطیس[3]
مدول یانگ	411 GPa
مدول برشی	161 GPa
مدول حجمی	310 GPa
نسبت پواسون	0.28
سختی موس	7.5
سختی ویکرز	3430 MPa
سختی برینل	2570 MPa
شماره ثبت سی‌ای‌اس	7440-33-7
ایزوتوپ‌های تنگستن
ایزوتوپ فراوانی نیمه‌عمر (t۱/۲) حالت فروپاشی محصول ^180W 0.12% 1.8×10^18 y α 2.516 ^176Hf ^181W syn 121.2 d ε 0.188 ^181Ta ^182W 26.50% ^182W ایزوتوپ پایدار است که 108 نوترون دارد ^183W 14.31% ^183W ایزوتوپ پایدار است که 109 نوترون دارد ^184W 30.64% ^184W ایزوتوپ پایدار است که 110 نوترون دارد ^185W syn 75.1 d β^− 0.433 ^185Re ^186W 28.43% ^186W ایزوتوپ پایدار است که 112 نوترون دارد

این عنصر آزاد به دلیل قدرت فوق‌العاده آن مورد توجه است، به ویژه اینکه تنگستن با دمای ذوب ۳۴۲۲ درجه سلسیوس بالاترین دمای ذوب را در بین تمام عناصر شناخته شده دارد. همچنین این عنصر بالاترین دمای جوش عناصر را با دمای ۵۵۵۵ درجه سلسیوس به خود اختصاص داده‌است.[6] چگالی آن ۱۹٫۳۰ برابر چگالی آب، در حدود ۱٫۷ برابر چگالی سرب و نزدیک به چگالی اورانیوم و طلا است.[7]

تنگستن پلی کریستالی ماده ای ذاتاً سخت و شکننده بوده و این خاصیت کار با آن را دشوار می‌کند، اما تنگستن تک کریستالی خالص شکل پذیرتر است و حتی می‌توان آن را با تیغ اره فولادی برش داد.[8]

آلیاژهای مختلف تنگستن کاربردهای فراوانی دارند، از جمله در ساخت رشته‌های لامپ‌های رشته‌ای، لامپ‌های اشعه ایکس (هم برای ساخت رشته و هم برای ساخت هدف)، الکترودهای مورد استفاده در جوشکاری تیگ، ساخت ابرآلیاژها، و ساخت حفاظ‌های تشعشع. سختی و چگالی بالای تنسگتن باعث شده که این ماده کاربردهای نظامی نیز داشته باشد، برای مثال در ساخت خمپاره‌های نفوذکننده. از ترکیبات تنگستن اغلب به عنوان کاتالیزور صنعتی نیز استفاده می‌شود.

تنگستن تنها عنصری از فلزات واسطه است که وجود آن در زیست مولکول‌ها شناخته شده‌است، و در برخی از باکتری‌ها و آرکئاها یافت شده‌است.[9]با این حال، تنگستن با متابولیسم مولیبدن و مس تداخل داشته و برای اشکال آشناتر از حیوانات تا حدی سمی است.[10][11]

تاریخچه

در سال ۱۷۸۱ کارل ویلهلم شیله (Carl Wilhelm Scheele)یک اسی جدید_تنگستنیک اسید_را کشف کرد که از شیلیته_تنگستن امروزی_ حاصل می‌شد. شیله و توربرن برگمن معتقد بودند با کاهش این اسید می‌توان فلز جدیدی بدست آورد. در سال ۱۷۸۳ خوزه و فاستو اسیدی را یافتند که از ولفرامیت به دست می‌آمد و بسیار شبیه به تنگستیک اسید بود. در اواخر آن سال این دو برادر توانستند با کاهش این اسید همراه زغال تنگستن را جداسازی کنند و نام خود را به عنوان کاشف این عنصر ثبت کنند.

ویژگی‌ها

خواص فیزیکی

تنگستن در حالت خام و غیر خالص، یک فلز سخت خاکستری و فولادی رنگ است که ترد بوده و کار کردن بر روی آن دشوار است. اگر این فلز به قدر کافی خالص سازی شود، سختی خود را حفظ کرده، (سختی آن چندین برابر فولاد است) و شکل پذیرتر می‌شود به گونه ای که می‌توان بر روی آن به راحتی کار کرد. این تنگستن را می‌توان با فورجینگ، کشش، و اکسترود شکل داد، اما بیشتر توسط فرایند تف جوشی به قطعات تنگستنی شکل داده می‌شود.

تنگستن در دو ساختار بلوری عمده وجود دارد: α و β. شکل α ساختار مکعب مربعی مرکز پر داشته و پایدارتر است. فاز β ساختار A15 cubic داشته و شبه پایدار است.

خواص شیمیایی

عنصر تنگستن در برابر اکسایش، اسید و باز از خود مقاومت نشان می‌دهد. معمولی‌ترین حالت اکسیداسیون تنگستن +۶ است، اما کلیه حالات اکسیداسیون از -۲ تا +۶ از خود نشان می‌دهد. تنگستن معمولاً با اکسیژن ترکیب شده و تری‌اکسید تنگستن زرد رنگ (WO₃‎) را تشکیل می‌دهد، که در محلول قلیایی آبی حل شده و به فرم یونهای تنگستن، (WO₂^4-‎) در می‌آید. از آنجا که تنگستن به آرامی با اسید واکنش می‌دهد، برای اول به صورت آنیون بی‌ثبات قابل حل، paratungstate A ظاهر می‌شود (W₇O₂₄^6-‎) که در طول زمان به شکل آنیون کمتر قابل حل paratungstate B در می‌آید (H₂W₁₂O₄₀^10-‎).
با اسیدی شدن بیشتر آنیون بسیار قابل حل metatungstate، تولید می‌شود (H₂W₁₂O₄₂^6-‎)که پس از هر موازنه بدست می‌آید.
با اسیدی شدن بیشتر آنیون بسیار قابل حل metatungstate، تولید می‌شود که پس از هر موازنه بدست می‌آید . یون metatungstate یک خوشه متقارن از دوازده تنگستن اکسیژن اکتاهدرا ست که آنیونKeggin نامیده می‌شود. آنیونها polyoxometalate دیگری به عنوان گونه‌های با ثبات وجود دارد. گنجاندن اتم متفاوتی مثل فسفر به جای دو اتم هیدروژن مرکزی در metatungstate تولید طیف گسترده‌ای از اسیدهای heteropoly مانند اسید phosphotungstic می‌سازد (H₃PW₁₂O₄₀‎).
تری‌اکسید تنگستن می‌تواند ترکیبات معینی را با فلزات قلیایی تشکیل دهد؛ که به برنز معروف هستند، به عنوان مثال سدیم تنگستن برنز.

کاربردها

تقریباً نیمی از تنگستن استخراج شده در دنیا برای تولید کاربید تنگستن، که ماده ای بسیار سخت است، استفاده می‌شود. باقی آن نیز در تولید آلیاژها و فولادها استفاده می‌شود. کمتر از ۱۰٪ از آن نیز در تولید ترکیبات شیمیایی استفاده می‌شود.[12] از آنجایی که دمای گذار ترد-شکل‌پذیر تنگستن بسیار بالاست، معمولاً محصولات ساخته شده از آن توسط فرایندهایی از قبیل متالورژی پودر، تف جوشی جرقه پلاسما، انباشت بخار شیمیایی، پرس ایزواستاتیک گرم، و روش‌های ترموپلاستیک ساخته می‌شود. یک روش قابل انعطاف بیشتر ذوب لیزری انتخابی (SLM) است، که نوعی چاپ سه بعدی است و امکان ایجاد اشکال پیچیده سه بعدی را فراهم می‌کند.[13]

مواد سخت

تنگستن به‌طور عمده در تولید مواد سخت بر پایه کاربید تنگستن استفاده می‌شود. کاربید تنگستن یکی از سخت‌ترین کاربیدهای شناخته شده، با نقطه ذوب ۳۷۷۰ درجه سلسیوس است. کاربید تنگستن با ترکیب WC، رسانای الکتریکی خوبی است، اما رسانایی الکتریکی W₂C کمتر است. حدود ۶۰ درصد مصرف تنگستن به صورت WC در حال حاضر برای ساخت مواد ساینده مقاوم در برابر سایش، و ابزارهای برشی «کاربیدی» شامل: چاقو، مته، اره گرد بر، قالب‌های مسلح کردن دوباره تفنگ، و ابزارهای برشی تراشکاری و فرزکاری استفاده می‌شود.[14]
ابزارهای «کاربیدی» در اصل کامپوزیت‌های فلز-سرامیک هستند، که عمدتا در آن از کبالت به عنوان بایندر یا نگهدارنده ذرات تنگستن در کنار هم استفاده می‌شود.[15]

آلیاژها

ازاستحکام و چگالی تنگستن در ساخت آلیاژهای فلزی سنگین استفاده شده‌است. یک مثال خوب فولادهای تندبر هستند که حاوی حدود ۱۸٪ تنگستن است. با توجه به نقطه ذوب بالای تنگستن ماده خوبی برای کاربرد درمانند نازل موشک، به عنوان مثال در پولاریس 27-UGM، زیردریایی با موشک بالستیک می‌باشد.
ابر آلیاژهایی که دارای تنگستن هستند، مانند Hastelloy و Stellite، در پره‌های توربین، قطعات مقاوم در برابر سایش و پوشش فلزات استفاده می‌شود.

جنگ‌افزار

آلیاژ تنگستن، معمولابا نیکل و آهن یا کبالت به شکل آلیاژهای سنگین است، درگلوله‌های انرژی جنبشی به عنوان یک جایگزین برای اورانیوم ضعیف شده استفاده می‌شود، در برنامه‌هایی که کاربرد رادیواکتیویته مشکل زاست استفاده می‌شود. یا در مواردی که خواص آتشزایی اورانیوم مورد نیاز نمی‌باشد (به عنوان مثال، در گلوله‌های سلاح‌های معمولی کوچک که به منظور نفوذ به زره بدن طراحی شده‌اند). به‌طور مشابه، آلیاژهای تنگستن در گلوله‌های توپ، نارنجک و موشک، و نیز برای ساخت گلوله‌های انفجاری (افشان) فراصوت بکار می‌رود. تنگستن در مواد منفجره با فلز فشرده نیز کاربرد دارد، که از آن به عنوان پودر متراکم، برای کاهش خسارات جانبی و در همان حال افزایش کشندگی انفجار در محدوده یک شعاع کوچک، استفاده می‌شود.

الکترونیک

یک لامپ الکترونیکی باز شده‌است و باعث خروج گاز ساکن درون لامپ گردیده‌است. پس از آن هنگامی که لامپ روشن می‌گردد رشته تنگستن شروع به سوختن می‌کند و شعله‌ای از آتش را حاصل می‌کند. این تشکیل آتش به خاطر نفوذ اکسیژن به درون لامپ می‌باشد.

نمای نزدیک از رشته تنگستنی یک لامپ هالوژن

از آنجا که تنگستن عنصری است که استحکام خود را در دماهای بالا حفظ می‌کند و دارای نقطه ذوب بالاست، در بسیاری از برنامه‌هایی که درجه حرارت بالا ست کاربرد دارد، از قبیل لامپ، لامپ اشعه کاتد، و رشته‌های درون لوله خلاء، المنت حرارتی، ونازل موتور موشکها. نقطه ذوب بالای آن همچنین موجب شده تا تنگستن برای پروژه‌های هوا - فضا و دمای بالا مناسب باشد، مانند برق، حرارت، و برنامه‌های کاربردی جوشکاری، به ویژه در فرایند جوشکاری آرگون (جوشکاری (TIG) نیز نامیده می‌شود).
با توجه به خواص رسانایی و بی‌اثری شیمیایی نسبی، از تنگستن در الکترودها نیز استفاده می‌شود، و در نوکهای انتشاردهنده (امیتر) در ابزارهای پرتو الکترونی، مانند میکروسکوپ الکترونی بکار می‌رود. در الکترونیک، تنگستن را به عنوان ماده اتصال درتراشه‌ها (IC)، بین سیلیکون دی‌اکسید دی الکتریک مواد و ترانزیستور بکار می‌برند. در لایه‌های نازک فلزی که جایگزین سیم کشی بکار رفته در الکترونیک معمولی شده، یک پوشش از تنگستن (یا مولیبدن) بر روی سیلیکون استفاده می‌شود.
ساختار الکترونیکی تنگستن آن را به یکی از مواد اصلی برای اهداف اشعه X تبدیل کرده‌است، از دیگر کاربردهای آن محافظت در برابر پرتوهای با انرژی بالا (مانند صنعت پرتو درمانی برای محافظ نمونه رادیواکتیو FDG) است. پودر تنگستن به عنوان مواد پرکننده در کامپوزیت‌های پلاستیکی، که به عنوان یک جایگزین غیر سمی سرب در گلوله، ساچمه، و سپر تابشی بکار می‌رود. چون انبساط حرارتی این عنصر شبیه شیشه بوروسیلیکات است، از آن در ساخت عایق‌های شیشه به فلز استفاده می‌شود.

در ویکی‌انبار پرونده‌هایی دربارهٔ تنگستن موجود است.

پانویس

1. Meija, J.; et al. (2016). "Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)". شیمی محض و کاربردی(نشریه). 88 (3): 265–91. doi:10.1515/pac-2015-0305.
2. Berger, Dan. "Why does Tungsten not 'Kick' up an electron from the s sublevel ?". Bluffton College, USA.
3. Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
4. wolfram on Merriam-Webster.
5. wolfram on Oxford Dictionaries.
6. Zhang Y; Evans JRG and Zhang S (2011). "Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks". J. Chem. Eng. Data. 56 (2): 328–337. doi:10.1021/je1011086.
7. Daintith, John (2005). Facts on File Dictionary of Chemistry (4th ed.). New York: Checkmark Books. ISBN 978-0-8160-5649-1.
8. Stwertka, Albert (2002). A Guide to the elements (2nd ed.). New York: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-515026-1.
9. Koribanics, N. M.; Tuorto, S. J.; Lopez-Chiaffarelli, N.; McGuinness, L. R.; Häggblom, M. M.; Williams, K. H.; Long, P. E.; Kerkhof, L. J. (2015). "Spatial Distribution of an Uranium-Respiring Betaproteobacterium at the Rifle, CO Field Research Site". PLOS ONE. 10 (4): e0123378. Bibcode:2015PLoSO..1023378K. doi:10.1371/journal.pone.0123378. PMC 4395306. PMID 25874721.
10. McMaster, J.; Enemark, John H. (1998). "The active sites of molybdenum- and tungsten-containing enzymes". Current Opinion in Chemical Biology. 2 (2): 201–207. doi:10.1016/S1367-5931(98)80061-6. PMID 9667924.
11. Hille, Russ (2002). "Molybdenum and tungsten in biology". Trends in Biochemical Sciences. 27 (7): 360–367. doi:10.1016/S0968-0004(02)02107-2. PMID 12114025.
12. Erik Lassner, Wolf-Dieter Schubert, Eberhard Lüderitz, Hans Uwe Wolf, "Tungsten, Tungsten Alloys, and Tungsten Compounds" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim. doi:10.1002/14356007.a27_229.
13. Tan, C. (2018). "Selective laser melting of high-performance pure tungsten: parameter design, densification behavior and mechanical properties". Sci. Technol. Adv. Mater. 19 (1): 370–380. Bibcode:2018STAdM..19..370T. doi:10.1080/14686996.2018.1455154. PMC 5917440. PMID 29707073.
14. Daintith, John (2005). Facts on File Dictionary of Chemistry (4th ed.). New York: Checkmark Books. ISBN 978-0-8160-5649-1.
15. Don Law-West; Louis Perron. "Tungsten". The Canadian Encyclopaedia. Retrieved 2020-07-18.