钨：历史，性质，结构，用途 - 化学 - 2025

的钨，是钨或重金属，其化学符号是W.位于周期元素周期表的6组6的过渡，以及原子序数74。它的名字有两个词源意义：坚硬的石头和狼泡沫 第二是因为这种金属也被称为钨。

它是一种银灰色金属，尽管很脆，但具有很高的硬度，密度以及较高的熔点和沸点。因此，它已被用于涉及高温，高压或机械力的所有那些应用中，例如钻头，弹丸或发射辐射的细丝。

钨棒，其表面部分被氧化。来源：化学元素的高分辨率图像

从文化和流行的角度来看，这种金属最著名的用途是在灯泡的灯丝中。谁处理过它们，谁就会意识到它们有多脆弱。然而，它们不是由纯钨制成的，纯钨具有延展性和延性。此外，在合金等金属基体中，它具有出色的电阻和硬度。

它的特征和特点是熔点最高，并且比铅本身更致密，仅被other和铱等其他金属所超越。同样，它是已知在人体中起某些生物学作用的最重的金属。

钨酸根阴离子WO ₄ ^2-参与其大部分离子化合物，这些离子化合物可在酸性介质中聚合形成簇。另一方面，钨可以​​形成金属间化合物，或与金属或无机盐烧结，从而使其固体获得不同的形状或稠度。

它在地壳中并不十分丰富，每吨仅含1.5克这种金属。此外，由于它是重元素，因此起源于星际。特别是超新星爆炸，在形成过程中，超新星爆炸一定会将钨原子“喷射”向我们的星球。

历史

词源

钨或钨的历史就像它们的名字一样有两个面孔：一个是瑞士人，另一个是德国人。在1600年代，在德国和奥地利目前占领的地区，矿工致力于提取铜和锡以生产青铜。

到那时，矿工们在这一过程中发现了自己的荆棘。一种由钨铁矿（Fe，Mn，Mg）WO ₄组成的矿物，它像锡狼一样保留或“吞噬”了锡。

因此，这种元素的词源是西班牙语中的“狼”，即吃锡的狼。泡沫或奶油的“公羊”，其晶体类似于长长的黑色皮毛。因此正是为了纪念这些最初的观察而出现了“ wolfram”或​​“ wolfram”这个名字。

1758年，在瑞士方面，类似的白钨矿CaWO ₄被命名为“ 钨粉”，意为“硬石”。

钨和钨这两个名称被广泛互换使用，完全取决于文化。例如，在西班牙和西欧，这种金属被称为钨。而在美洲大陆，钨这个名字占主导地位。

认识与发现

那时人们知道在十七和十八世纪之间有两种矿物：黑钨矿和白钨矿。但是，谁能看到其中有一种与众不同的金属呢？它们只能被表征为矿物，并且在1779年，爱尔兰化学家Peter Woulfe仔细分析了钨并推论出钨的存在。

在瑞士方面，卡尔·威廉·谢勒（Carl Wilhelm Scheele）于1781年再次能够将钨分离为WO ₃。他甚至获得了钨（或钨）酸，H ₂ WO ₄和其他化合物。

但是，这不足以得到纯金属，因为必须还原这种酸。即，使其经历从氧脱离并结晶为金属的过程。卡尔·威廉·舍勒（Carl Wilhelm Scheele）没有适合此化学还原反应的熔炉或方法。

西班牙兄弟d'Elhuyar，Fausto和JuanJosé在这里开始行动，他们在贝尔加拉市用煤还原了两种矿物（硅灰石和白钨矿）。他们两个被授予金属钨（W）发现者的功绩和荣誉。

钢材和灯泡

任何带有钨丝的灯泡。资料来源：Pxhere。

像其他金属一样，其用途定义了其历史。在19世纪末最突出的是钢钨合金，而钨丝代替了电灯泡中的碳纤维。众所周知，最早的灯泡是1903-1904年投放市场的。

物产

外观

它是有光泽的银灰色金属。易碎，但非常坚硬（不要与韧性相混淆）。如果工件是高纯度的，则它会变得可塑且坚硬，甚至多达几种钢。

原子数

74。

摩尔质量

183.85克/摩尔

熔点

3422℃。

沸点

5930℃。

密度

19.3克/毫升。

熔化热

52.31 kJ /摩尔

汽化热

774 kJ /摩尔

摩尔热容

24.27 kJ /摩尔

莫氏硬度

7.5。

电负性

鲍林标度为2.36。

原子无线电

下午139

电阻率

在20°C时为52.8nΩ·m。

同位素

它在自然界主要以5种同位素形式存在：¹⁸² W，¹⁸³ W，¹⁸⁴ W，¹⁸⁶ W和^180W。根据183 g / mol的摩尔质量，这些同位素的原子质量平均三十个放射性同位素），每个钨或钨原子都有大约一百一十个中子（74 + 110 = 184）。

化学

它是一种高度耐腐蚀的金属，因为它的WO ₃薄层可以保护它免受氧气，酸和碱的侵蚀。一旦与其他试剂溶解并沉淀，便获得其盐，称为钨酸盐或钨酸盐；在它们中，钨通常具有+6的氧化态（假设存在W ⁶⁺阳离子）。

酸团聚

十碳酸盐，多金属氧钨的例子。资料来源：Scifanz

化学上钨是非常独特的，因为它的离子易于聚集形成杂多酸或多金属氧酸盐。这些是什么？它们是原子的组或簇，它们一起定义了三维物体。主要是具有球形笼状结构的结构，其中它们“包围”另一个原子。

它从钨酸盐阴离子所有开始，WO ₄ ^2-，其在酸性介质中质子化迅速（HWO ₄ ^- ）和结合与相邻的阴离子，以形成^2-; 而这又与另一个^2-一起生成^4-。如此下去直到解决方案中有几个politungstats。

仲钨酸盐A和B，^6-和H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ^10-分别是这些聚阴离子中最突出的阴离子之一。

提出您的Lewis草图和结构可能很困难；但是原则上将它们可视化为WO ₆八面体集（上图）就足够了。

注意，这些灰色的八面体最终定义了decatungstate，即politungstat。如果其中包含杂原子（例如磷），则该杂原子将为多金属氧酸盐。

结构和电子配置

结晶相

钨原子定义了具有体心立方（bcc）结构的晶体。这种结晶形式被称为α相。虽然β相也是立方的，但密度更高。在正常条件下，α和β两种相或晶体形式可以共存。

α相的晶粒是等距的，而β相的晶粒类似于圆柱。不论晶体是什么，都取决于将W原子紧密结合在一起的金属键，否则无法解释高熔点和高沸点或钨的高硬度和高密度。

金属键

钨原子必须以某种方式紧密结合。为了推测，必须首先观察该金属的电子构型：

4f ¹⁴ 5d ⁴ 6s ²

5d轨道非常大且模糊，这意味着两个相邻的W原子之间存在有效的轨道重叠。同样，6s轨道对产生的频带有贡献，但程度较小。尽管4f轨道处于“深层背景”，因此它们对金属键的贡献较小。

原子的大小和晶粒的大小是决定钨硬度及其密度的变量。

氧化态

在金属钨或钨中，W原子的氧化态为零（W ⁰）。返回到电子配置，可以根据W是处于高负电性原子（例如氧或氟）的陪伴下，清空5d和6s轨道的电子。

当两个6s电子丢失时，钨具有+2氧化态（W ²⁺），这会使它的原子收缩。

如果它还在5d轨道上失去所有电子，其氧化态将变为+6（W ⁶⁺）；从这里开始，它不可能变得更正（理论上），因为处于内部的4f轨道将需要巨大的能量才能去除其电子。换句话说，最正的氧化态是+6，其中钨甚至更小。

这种钨（VI）在酸性条件下或许多氧化或卤化化合物中非常稳定。其他可能的正氧化态为：+ 1，+ 2，+ 3，+ 4，+ 5和+6。

如果钨与比其自身负电性更低的原子结合，钨也可以获取电子。在这种情况下，它的原子变大。它最多可以获取四个电子；也就是说，其氧化态为-4（W ^4-）。

取得

前面提到，钨存在于黑钨矿和白钨矿中。根据工艺不同，可以从中获得两种化合物：氧化钨WO ₃或仲钨酸铵（NH ₄）₁₀（H ₂ W ₁₂ O ₄₂）·4H ₂ O（或ATP）。可以用1050°C以上的碳将其中任何一种还原为金属W。

生产钨锭在经济上不赚钱，因为它们需要大量的热量（和金钱）来熔化它们。因此，优选将其制成粉末形式以与其他金属同时处理以获得合金。

值得一提的是，中国是世界上钨产量最大的国家。在美洲大陆，加拿大，玻利维亚和巴西也占据了这种金属最大的生产国的名单。

应用领域

由碳化钨制成的环-如何使用这种金属的硬度来使材料永生化和硬化的示例。来源：SolitaryAngel（SolitaryAngel）

以下是这种金属的一些已知用途：

-它的盐被用来给老式剧院的棉花上色。

-与钢结合使用，可进一步硬化，甚至能够抵抗高速的机械切割。

-钨丝烧结已在电灯泡和卤素灯中使用了一百多年。而且，由于其高熔点，它还用作阴极射线管和火箭发动机喷嘴的材料。

-取代铅在弹丸和放射性屏蔽的制造中。

-钨纳米线可用于pH和气体敏感的纳米设备。

-钨催化剂用于石油工业中的硫磺生产。

-碳化钨是所有化合物中使用最广泛的。从增强切削和钻孔工具，或制造军事装备，到机械加工木材，塑料和陶瓷。

风险与预防措施

生物

作为地壳中一种相对稀有的金属，其负面影响很少。在酸性土壤中，聚钨酸盐可能不会影响使用钼酸根阴离子的酶。但是在碱性土壤中，WO ₄ ^2-确实干预（正向或负向）MoO ₄ ^2-和铜的代谢过程。

例如，植物可以吸收可溶性钨化合物，当动物吃掉它们之后，在食用肉类后，W原子就会进入我们的体内。大多数被排出尿液和粪便，而其余的情况鲜为人知。

动物研究表明，吸入高浓度的钨粉会产生类似于肺癌的症状。

通过摄入，成年男子将需要喝数千加仑的富含钨盐的水，以显示出对胆碱酯酶和磷酸酶的明显抑制作用。

物理

一般而言，钨是一种低毒元素，因此几乎没有危害健康的环境风险。

关于金属钨，请避免吸入其灰尘；如果样品是固体，则必须牢记样品非常致密，如果掉落或撞击其他表面可能会造成物理损坏。

参考文献

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