تنگستن

یکی از عناصر با عدد اتمی ۷۴

تنگستن (به انگلیسی: Tungsten) یا وُلفرام[۵][۶] عنصری شیمیایی با نماد شیمیایی W و عدد اتمی ۷۴ است. تنگستن، فلزی کمیاب و گران‌بهاست که تقریباً در طبیعت، خالص یافت نمی‌شود، بلکه فقط می‌توان ترکیبات آن را با سایر عناصر پیدا کرد. این عنصر در ۱۷۸۱ میلادی شناسایی و در ۱۷۸۳ برای اولین بار به عنوان یک فلز خالص جدا شد. سنگ‌های معدنی اصلی حاوی تنگستن، سنگ‌های ولفرامیت و شئلیت هستند.

تنگستن، 74W
Wolfram evaporated crystals and 1cm3 cube.jpg
تنگستن
تلفظ‎/ˈtʌŋstən/‎ (TUNG-stən)
ظاهرgrayish white, lustrous
جرم اتمی استاندارد (Ar، استاندارد)۱۸۳٫۸۴(۱)[۱]
تنگستن در جدول تناوبی
Element 1: هیدروژن (H), Other non-metal
Element 2: هلیوم (He), Noble gas
Element 3: لیتیم (Li), Alkali metal
Element 4: برلیم (Be), Alkaline earth metal
Element 5: بور (B), Metalloid
Element 6: کربن (C), Other non-metal
Element 7: نیتروژن (N), Halogen
Element 8: اکسیژن (O), Halogen
Element 9: فلوئور (F), Halogen
Element 10: نئون (Ne), Noble gas
Element 11: سدیم (Na), Alkali metal
Element 12: منیزیم (Mg), Alkaline earth metal
Element 13: آلومینیم (Al), Other metal
Element 14: سیلسیم (Si), Metalloid
Element 15: فسفر (P), Other non-metal
Element 16: گوگرد (S), Other non-metal
Element 17: کلر (Cl), Halogen
Element 18: آرگون (Ar), Noble gas
Element 19: پتاسیم (K), Alkali metal
Element 20: کلسیم (Ca), Alkaline earth metal
Element 21: اسکاندیم (Sc), Transition metal
Element 22: تیتانیم (Ti), Transition metal
Element 23: وانادیم (V), Transition metal
Element 24: کروم (Cr), Transition metal
Element 25: منگنز (Mn), Transition metal
Element 26: آهن (Fe), Transition metal
Element 27: کبالت (Co), Transition metal
Element 28: نیکل (Ni), Transition metal
Element 29: مس (Cu), Transition metal
Element 30: روی (Zn), Other metal
Element 31: گالیم (Ga), Other metal
Element 32: ژرمانیم (Ge), Metalloid
Element 33: آرسنیک (As), Metalloid
Element 34: سلنیم (Se), Other non-metal
Element 35: برم (Br), Halogen
Element 36: کریپتون (Kr), Noble gas
Element 37: روبیدیم (Rb), Alkali metal
Element 38: استرانسیم (Sr), Alkaline earth metal
Element 39: ایتریم (Y), Transition metal
Element 40: زیرکونیم (Zr), Transition metal
Element 41: نیوبیم (Nb), Transition metal
Element 42: مولیبدن (Mo), Transition metal
Element 43: تکنسیم (Tc), Transition metal
Element 44: روتنیم (Ru), Transition metal
Element 45: رودیم (Rh), Transition metal
Element 46: پالادیم (Pd), Transition metal
Element 47: نقره (Ag), Transition metal
Element 48: کادمیم (Cd), Other metal
Element 49: ایندیم (In), Other metal
Element 50: قلع (Sn), Other metal
Element 51: آنتیموان (Sb), Metalloid
Element 52: تلوریم (Te), Metalloid
Element 53: ید (I), Halogen
Element 54: زنون (Xe), Noble gas
Element 55: سزیم (Cs), Alkali metal
Element 56: باریم (Ba), Alkaline earth metal
Element 57: لانتان (La), Lanthanoid
Element 58: سریم (Ce), Lanthanoid
Element 59: پرازئودیمیم (Pr), Lanthanoid
Element 60: نئودیمیم (Nd), Lanthanoid
Element 61: پرومتیم (Pm), Lanthanoid
Element 62: ساماریم (Sm), Lanthanoid
Element 63: اروپیم (Eu), Lanthanoid
Element 64: گادولینیم (Gd), Lanthanoid
Element 65: تربیم (Tb), Lanthanoid
Element 66: دیسپروزیم (Dy), Lanthanoid
Element 67: هولمیم (Ho), Lanthanoid
Element 68: اربیم (Er), Lanthanoid
Element 69: تولیم (Tm), Lanthanoid
Element 70: ایتربیم (Yb), Lanthanoid
Element 71: لوتتیم (Lu), Lanthanoid
Element 72: هافنیم (Hf), Transition metal
Element 73: تانتال (Ta), Transition metal
Element 74: تنگستن (W), Transition metal
Element 75: رنیم (Re), Transition metal
Element 76: اوسمیم (Os), Transition metal
Element 77: ایریدیم (Ir), Transition metal
Element 78: پلاتین (Pt), Transition metal
Element 79: طلا (Au), Transition metal
Element 80: جیوه (Hg), Other metal
Element 81: تالیم (Tl), Other metal
Element 82: سرب (Pb), Other metal
Element 83: بیسموت (Bi), Other metal
Element 84: پولونیم (Po), Other metal
Element 85: آستاتین (At), Metalloid
Element 86: رادون (Rn), Noble gas
Element 87: فرانسیم (Fr), Alkali metal
Element 88: رادیم (Ra), Alkaline earth metal
Element 89: آکتینیم (Ac), Actinoid
Element 90: توریم (Th), Actinoid
Element 91: پروتاکتینیم (Pa), Actinoid
Element 92: اورانیم (U), Actinoid
Element 93: نپتونیم (Np), Actinoid
Element 94: پلوتونیم (Pu), Actinoid
Element 95: امریسیم (Am), Actinoid
Element 96: کوریم (Cm), Actinoid
Element 97: برکلیم (Bk), Actinoid
Element 98: کالیفرنیم (Cf), Actinoid
Element 99: اینشتینیم (Es), Actinoid
Element 100: فرمیم (Fm), Actinoid
Element 101: مندلیفیم (Md), Actinoid
Element 102: نوبلیم (No), Actinoid
Element 103: لارنسیم (Lr), Actinoid
Element 104: رادرفوردیم (Rf), Transition metal
Element 105: دوبنیم (Db), Transition metal
Element 106: سیبورگیم (Sg), Transition metal
Element 107: بوهریم (Bh), Transition metal
Element 108: هاسیم (Hs), Transition metal
Element 109: مایتنریم (Mt)
Element 110: دارمشتادیم (Ds)
Element 111: رونتگنیم (Rg)
Element 112: کوپرنیسیم (Cn), Other metal
Element 113: نیهونیم (Nh)
Element 114: فلروویم (Fl)
Element 115: مسکوویم (Mc)
Element 116: لیورموریم (Lv)
Element 117: تنسین (Ts)
Element 118: اوگانسون (Og)
Mo

W

Sg
تانتالتنگستنرنیم
عدد اتمی (Z)74
گروهگروه ۶
دورهدوره 6
بلوکبلوک-d
دسته Transition metal
آرایش الکترونی[Xe] 4f14 5d4 6s2[۲]
2, 8, 18, 32, 12, 2
ویژگی‌های فیزیکی
فاز در STPجامد
نقطه ذوب3695 K ​(3422 °C, ​6192 °F)
نقطه جوش5828 K ​(5555 °C, ​10031 °F)
چگالی (near r.t.)19.25 g/cm3
در حالت مایع (at m.p.)17.6 g/cm3
نقطه بحرانی13892 K,  MPa
حرارت همجوشی35.3 kJ/mol
آنتالپی تبخیر 806.7 kJ/mol
ظرفیت حرارتی مولی24.27 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)
الکترونگاتیویمقیاس پائولینگ: 2.36
انرژی یونش
  • 1st: 770 kJ/mol
  • 2nd: 1700 kJ/mol
شعاع اتمیempirical: 139 pm
شعاع کووالانسی pm 162±7
Color lines in a spectral range
خط طیف نوری تنگستن
دیگر ویژگی ها
ساختار بلوری ​(bcc)
Body-centered cubic crystal structure for تنگستن
انبساط حرارتی4.5 µm/(m·K) (at 25 °C)
رسانندگی گرمایی173 W/(m·K)
رسانش الکتریکی52.8 n Ω·m (at 20 °C)
رسانش مغناطیسیپارامغناطیس[۳]
مدول یانگ411 GPa
مدول برشی161 GPa
مدول حجمی310 GPa
نسبت پواسون0.28
سختی موس7.5
سختی ویکرز3430 MPa
سختی برینل2570 MPa
شماره ثبت سی‌ای‌اس7440-33-7
ایزوتوپ‌های تنگستن
ایزوتوپ فراوانی نیمه‌عمر (t۱/۲) حالت فروپاشی محصول
180W 0.12% 1.8×1018 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
| منابع

این عنصر آزاد، ویژگی‌های یگانه‌ای دارد؛ تنگستن با دمای ذوب ۳۴۲۲ درجه سلسیوس، بیش‌ترین دمای ذوب و جوش را میان همه عناصر دارد.[۷] چگالی آن ۱۹٫۳۰ برابر چگالی آب، در حدود ۱٫۷ برابر چگالی سرب و نزدیک به چگالی اورانیوم و طلا است.[۸]

تنگستن چندکریستالی ماده‌ای ذاتاً سخت و شکننده است که کار با آن را دشوار می‌کند، اما تنگستن تک‌کریستالی خالص شکل‌پذیرتر است و حتی می‌توان آن را با اره فولادی برید.[۹]

آلیاژهای تنگستن کاربردهای فراوانی دارند، از جمله در ساخت رشته‌ لامپ‌ رشته‌ای، لامپ‌ پرتوی ایکس، الکترود جوشکاری تیگ، ابرآلیاژها، و حفاظ‌های تشعشع. سختی و چگالی زیاد تنگستن باعث کاربردهای نظامی هم شده‌است. برای نمونه در ساخت خمپاره‌های نفوذکننده. اغلب از ترکیبات تنگستن به‌عنوان کاتالیزور استفاده می‌شود.

تنگستن تنها عنصر از فلزات واسطه در زیست‌مولکول‌ها است، و در برخی باکتری‌ها و آرکی‌ها یافت می‌شود.[۱۰]با این حال، تنگستن با متابولیسم مولیبدن و مس تداخل داشته و برای برخی گونه‌های جان‌داران تا اندازه‌ای سمی است.[۱۱][۱۲]

تاریخچهویرایش

در ۱۷۸۱ کارل ویلهلم شیله (Carl Wilhelm Scheele)، یک اسید جدید به‌نام تنگستیک اسید را کشف کرد که از شیلیته به‌دست می‌آمد. شیله و توربرن برگمن معتقد بودند با کاهش این اسید می‌توان فلز جدیدی به‌دست‌آورد. در ۱۷۸۳ خوزه و فاستو اسیدی یافتند که از ولفرامیت به دست می‌آمد و بسیار شبیه به تنگستیک اسید بود. در اواخر آن سال این دو برادر با کاهش، اسید همراه زغال تنگستن را جدا، و نام خود را به عنوان کاشف این عنصر ثبت کردند.

ویژگی‌هاویرایش

ویژگی‌های فیزیکیویرایش

تنگستن خام و ناخالص، سخت، ترد و فولادرنگ، و کار با آن دشوار است. اگر تنگستن، کافی خالص‌ شود، سختی خود را حفظ کرده، (سختی آن چندین برابر فولاد است) و شکل‌پذیرتر می‌شود به گونه‌ای که می‌توان به‌راحتی با آن کار کرد. این تنگستن را می‌توان با آهنگری، کشش، و اکسترود شکل داد، اما بیشتر با تف‌جوشی به تنگستن شکل داده‌می‌شود.

تنگستن دو ساختار بلوری عمده دارد: آلفا و بتا. آلفا ساختار مکعب مربعی مرکز پر داشته و پایدارتر است. بتا، ساختار A15 cubic داشته و شبه‌پایدار است.

ویژگی‌های شیمیاییویرایش

تنگستن در برابر اکسایش، اسید و باز مقاومت می‌کند. 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، (WO24-‎) در می‌آید. از آنجا که تنگستن به آرامی با اسید واکنش می‌دهد، برای اول به صورت آنیون بی‌ثبات قابل حل، paratungstate A ظاهر می‌شود (W7O246-‎) که در طول زمان به شکل آنیون کمتر قابل حل paratungstate B در می‌آید (H2W12O4010-‎).
با اسیدی شدن بیشتر آنیون بسیار قابل حل metatungstate، تولید می‌شود. (H2W12O426-‎)که پس از هر موازنه به‌دست می‌آید.
با اسیدی شدن بیشتر آنیون بسیار قابل حل metatungstate، تولید می‌شود که پس از هر موازنه به‌دست 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).
تنگستن تری‌اکسید می‌تواند ترکیبات معینی را با فلزات قلیایی تشکیل دهد؛ که به برنز معروف هستند، به عنوان مثال سدیم تنگستن برنز.

کاربردهاویرایش

تقریباً نیمی از تنگستن استخراج‌شده در دنیا برای تولید کاربید تنگستن، که بسیار سخت است، استفاده می‌شود. باقی آن نیز در تولید آلیاژها و فولاد استفاده می‌شود. کمتر از ۱۰٪ از آن نیز در تولید ترکیبات شیمیایی استفاده می‌شود.[۱۳] ازآن‌جاکه دمای گذار ترد-شکل‌پذیر تنگستن بسیار بالاست، معمولاً محصولات آن از راه فرایندهایی مانند متالورژی پودر، اسپارک پلاسما زینترینگ، لایه‌نشانی بخار شیمیایی، پرس ایزواستاتیک گرم و روش‌های ترموپلاستیک ساخته می‌شود. یک روش انعطاف‌پذیر بیشتر، ذوب لیزری انتخابی (SLM) است، که نوعی چاپ سه‌بعدی است و امکان اشکال پیچیده سه‌بعدی را فراهم می‌کند.[۱۴]

مواد سختویرایش

تنگستن به‌طور عمده در تولید مواد سخت بر پایه کاربید تنگستن استفاده می‌شود. کاربید تنگستن یکی از سخت‌ترین کاربیدهای شناخته‌، 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 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.[۱۵]
ابزارهای «کاربیدی» در اصل کامپوزیتهای فلز-سرامیک هستند، که عمدتاً در آن از کبالت به عنوان بایندر یا نگهدارنده ذرات تنگستن در کنار هم استفاده می‌شود.[۱۶]

آلیاژهاویرایش

از استحکام و چگالی تنگستن در ساخت آلیاژهای فلزی سنگین استفاده شده‌است. یک مثال خوب فولادهای تُندبُر 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.

جنگ‌افزارویرایش

آلیاژ تنگستن، معمولاً با 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.

الکترونیکویرایش

 
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

ازآنجاکه تنگستن استحکام خود را در دماهای بالا حفظ می‌کند و نقطه ذوب بالا دارد، در کاربردهایی که درجه حرارت بالاست کاربرد دارد، مانند لامپ رشته‌ای، لامپ اشعه کاتدی، و رشته‌های درون لوله خلاء، المنت حرارتی، و افشانه موتور موشکها. نقطه ذوب بالای آن همچنین موجب شده تا تنگستن برای پروژه‌های هوافضا و دمای بالا مناسب باشد، مانند جوشکاری، به‌ویژه در جوشکاری آرگون (TIG).
با توجه به رسانایی و بی‌اثری شیمیایی نسبی، از تنگستن در الکترودها نیز استفاده می‌شود، و در نوک انتشاردهنده (امیتر) ابزارهای پرتو الکترونی، مانند میکروسکوپ الکترونی به‌کار می‌رود. در الکترونیک، تنگستن را به عنوان ماده اتصال درتراشه‌ها (IC)، بین سیلیکون دی‌اکسید دی الکتریک 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 الکترونی تنگستن آن را یکی از مواد اصلی در کاریردهای اشعه X کرده‌است، از دیگر کاربردهای آن محافظت در برابر پرتوهای با انرژی بالا (در پرتو درمانی برای محافظت از نمونه رادیواکتیو FDG) است. پودر تنگستن به عنوان مواد پرکننده در کامپوزیت‌های پلاستیکی، که جایگزین غیرسمی سرب در گلوله، ساچمه، و سپر تابشی است، بکار می‌رود. چون انبساط حرارتی این عنصر شبیه شیشه بوروسیلیکات است، از آن در ساخت عایق‌های شیشه به فلز استفاده می‌شود.

پانویسویرایش

  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. "Why does Tungsten not 'Kick' up an electron from the s sublevel ?". Retrieved 2008-06-15.
  5. wolfram on Merriam-Webster.
  6. wolfram بایگانی‌شده در ۲۱ نوامبر ۲۰۱۸ توسط Wayback Machine on Oxford Dictionaries.
  7. 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.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:نام‌های متعدد:فهرست نویسندگان (link)
  8. Daintith, John (2005). Facts on File Dictionary of Chemistry (4th ed.). New York: Checkmark Books. ISBN 978-0-8160-5649-1.
  9. Stwertka, Albert (2002). A Guide to the elements (2nd ed.). New York: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-515026-1.
  10. 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.
  11. 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.
  12. 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.
  13. 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.
  14. 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.
  15. Daintith, John (2005). Facts on File Dictionary of Chemistry (4th ed.). New York: Checkmark Books. ISBN 978-0-8160-5649-1.
  16. Don Law-West; Louis Perron. "Tungsten". The Canadian Encyclopaedia. Retrieved 2020-07-18.