Wolfraam is een chemisch element met atoomnummer 74. Dit zware metaal van staalgrijs tot wit is zeer duurzaam, waardoor het in veel gevallen gewoon onvervangbaar is. Het smeltpunt is hoger dan dat van enig ander metaal en daarom wordt het gebruikt als filamenten in gloeilampen en verwarmingselementen in elektrische ovens (bijvoorbeeld een zirkonium-wolfraamlegering). Door de chemie van het element kan het als katalysator worden gebruikt. Zijn uitzonderlijke hardheid maakt het geschikt voor gebruik in "hogesnelheidsstaalsoorten", waardoor materialen met hogere snelheden kunnen worden gesneden dan koolstofstaal en in legeringen voor hoge temperaturen. Wolfraamcarbide, een verbinding van het element met koolstof, is een van de hardste stoffen die bekend zijn en wordt gebruikt om frees- en draaigereedschappen te maken. Calcium- en magnesiumwolframaten worden veel gebruikt in fluorescentielampen en wolfraamoxiden worden veel gebruikt in verven en keramische glazuren.
Ontdekkingsgeschiedenis
Het bestaan van dit chemische element werd voor het eerst gesuggereerd in 1779 door Peter Woolf, toen hij het mineraal wolframiet onderzocht en kwam totde conclusie dat het een nieuwe stof moet bevatten. In 1781 stelde Carl Wilhelm Scheele vast dat uit wolfraamiet een nieuw zuur kon worden gewonnen. Scheele en Thorburn Bergman stelden voor om de mogelijkheid te overwegen om een nieuw metaal te verkrijgen door dit zuur, wolfraamzuur genaamd, te reduceren. In 1783 vonden twee broers, José en Fausto Elguiar, een zuur in wolframiet dat identiek was aan wolfraamzuur. In hetzelfde jaar slaagden de broers erin om er wolfraam uit te isoleren met houtskool.
Tijdens de Tweede Wereldoorlog speelde dit chemische element een grote rol. De weerstand van het metaal tegen hoge temperaturen, evenals de extreme sterkte van zijn legeringen, maakten van wolfraam de belangrijkste grondstof voor de militaire industrie. De strijdende partijen zetten Portugal onder druk als belangrijkste bron van wolframiet in Europa.
In de natuur zijn
In de natuur komt het element voor in wolframiet (FeWO4/MnWO4), scheeliet (CaWO4), ferberiet en hübnerite. Belangrijke afzettingen van deze mineralen zijn te vinden in de VS in Californië en Colorado, in Bolivia, China, Zuid-Korea, Rusland en Portugal. Ongeveer 75% van de wolfraamproductie in de wereld is geconcentreerd in China. Het metaal wordt verkregen door het oxide ervan te reduceren met waterstof of koolstof.
Wereldreserves worden geschat op 7 miljoen ton. Aangenomen wordt dat 30% daarvan afzettingen zijn van wolframiet en 70% van scheeliet. Momenteel is hun ontwikkeling economisch niet levensvatbaar. Bij het huidige verbruik zullen deze reserves slechts 140 jaar meegaan. Een andere waardevolle bronwolfraam is een recycling van schroot.
Belangrijkste kenmerken
Wolfraam is een chemisch element dat is geclassificeerd als een overgangsmetaal. Het W-symbool komt van het Latijnse woord wolframium. In het periodiek systeem bevindt het zich in groep VI tussen tantaal en rhenium.
In zijn puurste vorm is wolfraam een hard materiaal, in kleur variërend van staalgrijs tot tinnen wit. Met onzuiverheden wordt het metaal broos en moeilijk om mee te werken, maar als ze afwezig zijn, kan het worden gesneden met een ijzerzaag. Bovendien kan het worden gesmeed, gerold en getrokken.
Wolfraam is een chemisch element waarvan het smeltpunt het hoogste is van alle metalen (3422 °C). Het heeft ook de laagste dampdruk. Het heeft ook de hoogste treksterkte bij T> 1650 °C. Het element is zeer goed bestand tegen corrosie en wordt slechts in geringe mate aangetast door minerale zuren. Bij contact met lucht vormt zich een beschermende oxidelaag op het metaaloppervlak, maar wolfraam wordt bij hoge temperaturen volledig geoxideerd. Wanneer het in kleine hoeveelheden aan staal wordt toegevoegd, neemt de hardheid dramatisch toe.
Isotopen
In de natuur bestaat wolfraam uit vijf radioactieve isotopen, maar ze hebben zo'n lange halfwaardetijd dat ze als stabiel kunnen worden beschouwd. Ze vervallen allemaal tot hafnium-72 met de emissie van alfadeeltjes (overeenkomend met helium-4-kernen). Alfaverval wordt alleen waargenomen in 180W, de lichtste en zeldzaamste hiervanisotopen. Gemiddeld treden er twee alfa-verval op in 1 g natuurlijk wolfraam per jaar 180W.
Bovendien zijn er 27 kunstmatige radioactieve isotopen van wolfraam beschreven. De meest stabiele hiervan is 181W met een halfwaardetijd van 121,2 dagen, 185W (75,1 dagen), 188 W (69, 4 dagen) en 178W (21, 6 dagen). Alle andere kunstmatige isotopen hebben een halfwaardetijd van minder dan een dag, en de meeste zijn minder dan 8 minuten. Wolfraam heeft ook vier "metastabiele" toestanden, waarvan de meest stabiele 179mW (6,4 min) is.
Verbindingen
In chemische verbindingen verandert de oxidatietoestand van wolfraam van +2 naar +6, waarvan +6 de meest voorkomende is. Het element bindt zich typisch met zuurstof om geel trioxide te vormen (WO3), dat oplost in waterige alkalische oplossingen als wolframaationen (WO42−).
Toepassing
Omdat wolfraam een zeer hoog smeltpunt heeft en ductiel is (kan in draad worden getrokken), wordt het veel gebruikt als de gloeidraad van gloeilampen en vacuümlampen, evenals in de verwarmingselementen van elektrische ovens. Bovendien is het materiaal bestand tegen extreme omstandigheden. Een van de bekende toepassingen is gasafgeschermd wolfraam booglassen.
Uitzonderlijk hard, wolfraam is een ideaal onderdeel voor zware wapenlegeringen. Hoge dichtheid wordt gebruikt in kettlebells,contragewichten en ballastkielen voor jachten, maar ook in darts (80-97%). Snelstaal, dat materiaal met hogere snelheden kan snijden dan koolstofstaal, bevat tot 18% van deze stof. Turbinebladen, slijtdelen en coatings gebruiken "superlegeringen" die wolfraam bevatten. Dit zijn hittebestendige, zeer resistente legeringen die werken bij verhoogde temperaturen.
De thermische uitzetting van een chemisch element is vergelijkbaar met borosilicaatglas, dus het wordt gebruikt om glas-op-metaal afdichtingen te maken. Composieten die wolfraam bevatten, zijn een uitstekende vervanging voor lood in kogels en schoten. In legeringen met nikkel, ijzer of kob alt worden er inslagprojectielen van gemaakt. Net als een kogel wordt zijn kinetische energie gebruikt om een doel te raken. In geïntegreerde schakelingen wordt wolfraam gebruikt om verbindingen met transistors te maken. Sommige soorten snaren voor muziekinstrumenten zijn gemaakt van wolfraamdraad.
Verbindingen gebruiken
De uitzonderlijke hardheid van wolfraamcarbide (W2C, WC) maakt het het meest gebruikte materiaal voor frees- en draaigereedschappen. Het wordt toegepast in de metallurgische, mijnbouw-, olie- en bouwnijverheid. Wolfraamcarbide wordt ook gebruikt bij het maken van sieraden, omdat het hypoallergeen is en zijn glans niet verliest.
Glazuur wordt gemaakt van zijn oxiden. Wolfraam "brons" (zo genoemd vanwege de kleur van de oxiden) wordt gebruikt in verven. Magnesium- en calciumwolframaat worden gebruikt in fluorescerendelampen. Kristallijn wolframaat dient als een scintillatiedetector in de nucleaire geneeskunde en natuurkunde. Zouten worden gebruikt in de chemische en leerindustrie. Wolfraamdisulfide is een vet voor hoge temperaturen dat bestand is tegen 500°C. Sommige verbindingen die wolfraam bevatten, worden in de chemie als katalysator gebruikt.
Eigenschappen
De belangrijkste fysische eigenschappen van W zijn als volgt:
- Atoomnummer: 74.
- Atoommassa: 183, 85.
- Smeltpunt: 3410 °C.
- Kookpunt: 5660 °C.
- Dichtheid: 19,3 g/cm3 bij 20°C.
- Oxidatietoestanden: +2, +3, +4, +5, +6.
- Elektronische configuratie: [Xe]4 f 145 d 46 s 2.
