Свойства оксидов вольфрама

Высший оксид вольфрама

Свойства оксидов вольфрама

Оксид вольфрама считается одним из самых тугоплавких в данном классе неорганических веществ. Для того чтобы дать металлу характеристику, проанализируем качества самого металла.

Особенности вольфрама

Чтобы понять, какое практическое значение имеет оксид вольфрама, отметим, что сам металл обладает электрическим сопротивлением, коэффициентом линейного расширения, высокой температурой плавления.

У чистого вольфрама высокая пластичность. Металл растворится в кислоте только при нагревании до температуры 5000 оС. Он взаимодействует с углеродом, образуя в качестве продукта реакции карбид вольфрама. Полученное соединение отличается повышенной прочностью.

Самый распространенный оксид вольфрама – вольфрамовый ангидрид. Основным преимуществом химического соединения является способность восстанавливать порошок до металла, образуя в качестве побочных продуктов низшие оксиды.

Металл отличается высокой плотностью, ломкостью и способностью при низких температурах образовывать оксид вольфрама.

Сплавы вольфрама

Ученые выделяют однофазные виды сплавов, в составе которых есть один или несколько элементов. Наиболее известно соединение вольфрама с молибденом. Легирование сплава молибденом элементом повышает прочность вольфрама при растяжении.

Однофазными сплавами считаются соединения: вольфрам – цирконий, вольфрам –гафний, вольфрам – ниобий. Максимальную пластичность вольфраму придает рений. Его добавление не влияет на показатели тугоплавкого металла.

Получение металла

Традиционным способом нельзя получить сплавы тугоплавкого вольфрама: достигая температуры плавления, металл моментально переходит в газообразную форму. Основным вариантом получения чистого металла является электролиз. В промышленных объемах для получения вольфрамовых сплавов применяют порошковую металлургию. Для этого создают особые технологические условия с использованием вакуума.

Нахождение в природе

Оксид вольфрама, формула которого WO3, называют высшим соединением. Он не встречается в природе в чистом виде, а входит в состав вольфрамовых руд. Процесс добычи и переработки тугоплавкого металла предполагает несколько этапов.

Высший оксид вольфрама выделяют из рудной массы. Далее проводится обогащение соединения, а после обработки выделяют чистый металл.

В процессе изготовления тонкой вольфрамовой проволоки следят за тем, чтобы полностью удалить примеси. В противном случае технические характеристики готового изделия будут существенно снижены.

Сферы использования вольфрама

Как восстановить оксид вольфрама? Водород, взаимодействующий с данным соединением, помогает получить чистый металл. Он необходим при изготовлении нитей накаливания, создания рентгеновских трубок, нагревателей и экранов вакуумных печей, которые предназначнгы для использования при высоких температурах.

Сталь, легирующим элементом в которой является вольфрам, отличается высокими прочностными качествами. Продукцию, выполненную из подобного сплава, применяют при производстве медицинского инструмента, режущих пластин для бурения скважин. Основным преимуществом соединения считают стойкость к механической деформации.

Вероятность возникновения при эксплуатации готовых изделий трещин и сколов довольно невысока. Самой популярной маркой стали, в состав которой включен вольфрам, считается победит.

Из лома этого редкого металла изготавливают качественные катализаторы, всевозможные краски, специальные пигменты и т. п. В современной атомной промышленности широко используют тигли из вольфрама и контейнеры для размещения радиоактивных отходов.

Тугоплавкость металла играет особую роль при дуговой сварке. Так как вольфрам в чистом виде считается довольно редким металлом, для его получения проводится процедура обогащения и переработки вольфрамовой руды.

В чистом виде он имеет светло-серый цвет с характерным металлическим блеском. Стандартные сплавы вольфрама, именуемые стеллитами, включают также кобальт и хром. Основными компонентом в таких соединениях выступает кобальт.

Сплавы востребованы в машиностроении.

Оксиды вольфрама

Какие особенности имеет оксид вольфрама (6), формула которого имеет вид WO3? Металл способен проявлять разные степени окисления: максимальную устойчивость имеют варианты с валентностью металла (4) и (6).

Первое соединение вида WO2 относится к кислотным оксидам и обладает следующими характеристиками: высокая температура плавления и особая плотность. Данное химическое соединение почти не растворяется в воде, но в случае нагревания может растворяться в кислотах и щелочах.

В химической промышленности его используют в качестве катализатора в некоторых реакциях. Например, соединение WO2 применяют в производстве керамических изделий.

Оксид вольфрама, имеющий валентность (6), также проявляет характерные кислотные свойства. Данное соединение вступает во взаимодействие с щелочами, но не способно растворяться в воде. Учитывая, что у соединения высокая температура плавления, его используют только в качестве ускорителя химических процессов.

Заключение

В курсе неорганической химии особое внимание уделяется изучению оксидов, анализу их свойств и особенностям примененияв промышленности. Например, на выпускном экзамене девятиклассникам предлагают задание следующего содержания: «Составьте формулы оксидов меди, железа, вольфрама, а также определите их основные химические свойства».

Для того чтобы успешно справиться с поставленной задачей, необходимо иметь представление об особенностях оксидов. Таковыми считают бинарные соединения, в которых вторым элементом стоит кислород. Все оксиды принято классифицировать на три группы: основные, кислотные, амфотерные.

Железо и медь являются элементами побочной подгруппы, поэтому способны проявлять переменные валентности. Для меди можно записать только два варианта оксидов, проявляющих основные свойства – Cu2O и CuO.

Железо располагается не в главной подгруппе химических элементов, поэтому имеют место степени окисления +2 и +3. В этих случаях образуются оксиды следующих видов – FeO и Fe2O3.

Вольфрам в бинарных соединениях с кислородом в чаще всего проявляет валентности (4) и (6). Оба оксида данного металла проявляют кислотные свойства, поэтому они используются в промышленности в качестве ускорителей химических процессов.

Основным предназначением всех оксидов вольфрама является выделение из них чистого металла, востребованного в химической и металлургической промышленности.

Вольфрам

Свойства оксидов вольфрама

Вольфрам считается самым тугоплавким из известных металлов. Впервые был получен в 18 веке, но промышленное использование началось гораздо позже, с развитием технологии производства.

Вольфрам

Основные характеристики

Как самый тугоплавкий металл, вольфрам имеет специфические свойства:

  • Температура плавления вольфрама — примерно соответствует температуре солнечной короны — 3422 °С.
  • Вместе с этим, плотность чистого вольфрама ставит его в один ряд с наиболее плотными металлами. Его плотность практически равна плотности золота — 19,25 г/см3.
  • Теплопроводность вольфрама зависит от температуры и составляет от 0,31 кал/см·сек·°С при 20°С до 0,26 кал/см·сек·°С при 1300°С.
  • Теплоемкость также близка к золоту и составляет 0.15·103 Дж/(кг·К).

Металл имеет кубическую объемноцентрированную кристаллическую решетку. Несмотря на высокую твердость, вольфрам в нагретом состоянии очень пластичен и ковок, что позволяет изготавливать из него тонкую проволоку, имеющую широкое применение.

Вольфрамовая проволока

Имеет серебристо-серый цвет, который не меняется на открытом воздухе, поскольку вольфраму присуща высокая химическая стойкость, а с кислородом он реагирует только при температуре выше красного каления.

Химические свойства элемента, как правило, начинают проявляться при нагреве выше нескольких сотен градусов.

В обычных условиях он не взаимодействует с большинством известных кислот, кроме смеси плавиковой и азотной кислот.
В присутствии определенных окислителей может реагировать с расплавами щелочей.

При этом для начала реакции требуется нагрев до температуры 400 — 500 °С, а далее реакция идет бурно, с выделением тепла.

Некоторые соединения, особенно карбид вольфрама, обладают очень высокой твердостью и находят применение в металлургическом производстве для обработки твердых сплавов.

Приведенные характеристики вольфрама определяют специфику областей применения металла, как в чистом виде, так и в составе различных сплавов и химических соединений.

Вольфрам входит в состав многих жаростойких сплавов в качестве легирующей добавки для повышения твердости, температуры плавления и коррозионной стойкости.

Близость плотности и теплоемкости вольфрама и золота теоретически может служить для подделки золотых слитков, однако это легко можно выявить при измерении электрического сопротивления и при переплавке золотого слитка.

Получение вольфрама

В чистом, самородном виде металл в природе не встречается. Большинство месторождений образовано оксидами. соединений в пересчете на чистый металл в рудном месторождении составляет 0.2 — 2%.
Химическая стойкость и высокая температура плавления допускают получение вольфрама из руды только при использовании специфических методик.

Вольфрамовые прутки

В основе большинства методов промышленного получения вольфрама лежит восстановление металла из его оксида. Первая стадия производства состоит в обогащении вольфрамосодержащей руды. Затем при помощи операций выщелачивания и восстановления получают оксид WO3, который восстанавливают до чистого металла в атмосфере водорода. Температура процесса составляет около 700 °С.

В результате реакции получается тонкодисперсный металлический порошок.

Высокая температура плавления не позволяет оформить металл в виде слитков, поэтому порошок вольфрама сначала прессуют под высоким давлением, а затем спекают в среде водорода, используя нагрев до температуры 1300 °С.

 Через полученные бруски пропускают мощный электрический ток. В результате высокого переходного сопротивления между зернами металла происходит нагрев и плавление заготовки.

Очистку полученного слитка производят методом зонной плавки, подобно технологии получения сверхчистых полупроводников. Производство вольфрама по данной технология позволяет получить металл высокой степени чистоты без дополнительных операций очистки.

При производстве сплавов, все составляющие добавляются еще перед стадией прессования порошка, поскольку в дальнейшем это сделать уже невозможно. В процессе прессовки, спекания и дальнейшей обработки заготовки (прессование, прокатка) обеспечивается равномерное распределение примесей в сплаве.

Вольфрам

Обработка вольфрама производится при температурах около полутора тысяч градусов. При таком нагреве металл становится очень пластичным и допускает ковку, штамповку.

Тонкая проволока для спиралей ламп накаливания изготавливается методом волочения. При этом кристаллы металлы располагаются вдоль проволоки, повышая ее прочность.

Поскольку к спиралям ламп предъявляются высоки требования по однородности, вольфрамовый провод дополнительно подвергают операциям электрохимического полирования.

Применение вольфрама

Большинство областей применения вольфрама используют такие его качества, как высокая температура плавления, плотность и пластичность. Вольфрам незаменим в следующих областях:

  • Чистый вольфрам, это единственный металл, который применяется в нитях накаливания осветительных ламп, радиолампах, кинескопах и прочих электровакуумных приборах;
  • В чистом виде и в составе сплавов используется при производстве сердечников подкалиберных бронебойных снарядов и пуль;
  • Высокая плотность вольфрама позволяет изготавливать роторы малогабаритных гироскопов ракетной техники и космических аппаратов;
  • Изготовление неплавящихся электродов при аргонно-дуговой сварке;
  • Устройства защиты от ионизирующих излучений из вольфрама эффективнее, чем традиционные свинцовые. Использование вольфрама экономически выгодно, несмотря на более высокую стоимость, чем у свинца. Это вызвано тем, что расход вольфрама при тождестве технических характеристик изделия намного меньше.
  • Изделия из вольфрама не нуждаются в защите от коррозии благодаря низкой химической активности при нормальных температурных условиях.

Сверла из вольфрама

Соединения вольфрама с углеродом более известны как «победит». Их высокая твердость используется в режущих напайках металлообрабатывающих инструментов — резцов, сверл, фрез.

Инструменты с победитовыми напайками используются для обработки практически любых материалов, начиная от древесины, где почти не требуют периодической заточки, до любых пород камня. Для заточки победитовых инструментов требуются абразивы с самой высокой твердостью.

В полной мере этому соответствуют алмазные и эльборовые абразивы имеющие самую высокую твердость среди всех известных.

Победитовые напайки крепятся к рабочим кромкам инструмента при помощи пайки медью. В качестве флюса используется бура.

Карбид вольфрама используется в ювелирных изделиях, в частности, в кольцах. Высокая твердость материала позволяет сохранить блеск изделия в течение всего срока службы.

Победит изготавливают порошковым методом, используя для скрепления кристаллом карбида вольфрама кобальт.

Сплавы на основе вольфрама

Сплавы вольфрама возможно получить исключительно методом порошковой металлургии. Это вызвано большой разницей температур плавления входящих в состав сплава металлов.

Порошки исходных составляющих после смешивания прессуются, а затем подвергаются спеканию. В результате капиллярных сил более легкоплавкие металлы заполняют пространство между зернами вольфрама, образуя монолитный сплав.

На границах зерен образуются твердые растворы компонентов сплава.

Наибольшее распространение получили сплавы вольфрама с медью, железом и никелем. Самые распространенные сплавы ВНЖ и ВНМ включают в себя вольфрам — никель — железо и вольфрам — никель — медь.

Для достижения особых характеристик в состав могут входить также серебро, хром, кобальт и молибден.

Вольфрамовые сплавы находят применение для изготовления деталей и устройств, в которых важна высокая плотность при малых габаритных размерах. Это всевозможные противовесы, маховики, грузы центробежных регуляторов, сердечники пуль и снарядов.

Известно не очень много марок вольфрама. В первую очередь, это технически чистый вольфрам — ВЧ.

Используемые в промышленности марки вольфрама обычно включают в себя некоторые добавки. Материал, легированный лантаном, обозначается как ВЛ, иттрием — ВИ. Указанные легирующие добавки еще более улучшают механические и технологические качества металла.

Сплавы с рением — ВР5, ВР20 — используются в производстве высокотемпературных термопар.

Легирование торием повышает эмиссионные свойства вольфрама, что особенно важно при изготовлении катодов мощных электровакуумных ламп. Данная добавка также улучшает способность к зажиганию электрической дуги при аргонно-дуговой сварке.

Сплавы вольфрама с медью и серебром используются для изготовления контактов сильноточной коммутационной аппаратуры.

Медь и серебро при высокой электропроводности не обладают высокой механической прочностью. При прохождении высоких токов возможно расплавление контактных групп.

Контакты из вольфрамовых сплавов свободны от этих недостатков, не смотря на несколько большее электрическое сопротивление.

Высокая плотность сплавов позволят использовать их для изготовления контейнеров для хранения радиоактивных веществ, экранов для защиты от γ-излучения.

, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.