التنغستن: التاريخ ، الخصائص ، الهيكل ، الاستخدامات - كيمياء - 2026

ل التنغستن ، التنغستن التنغستن أو المعادن الثقيلة هو التحول الذي هو W. يقع في فترة 6 مجموعة 6 من الجدول الدوري الكيميائي رمز، والعدد الذري 74. اسمها معنيان اشتقاقي: الحجر الصلب و رغوة الذئب والثاني هو أن هذا المعدن معروف أيضًا باسم التنغستن.

إنه معدن فضي رمادي ، وعلى الرغم من أنه هش ، إلا أنه يتميز بصلابة وكثافة عالية ونقاط انصهار وغليان عالية. لذلك ، تم استخدامه في جميع تلك التطبيقات التي تنطوي على درجات حرارة عالية أو ضغوط أو قوى ميكانيكية ، مثل التدريبات أو المقذوفات أو الشعيرات الباعثة للإشعاع.

شريط التنغستن مع سطح مؤكسد جزئيا. المصدر: صور عالية الدقة للعناصر الكيميائية

أشهر استخدامات لهذا المعدن على المستوى الثقافي والشعبي هو خيوط المصابيح الكهربائية. كل من تعامل معهم سيدرك مدى هشاشتهم ؛ ومع ذلك ، فهي ليست مصنوعة من التنجستن النقي ، وهو مرن ومرن. بالإضافة إلى ذلك ، في المصفوفات المعدنية مثل السبائك ، فإنه يوفر مقاومة وصلابة ممتازة.

يتميز بكونه المعدن ذو أعلى نقطة انصهار ، وأيضًا أنه أكثر كثافة من الرصاص نفسه ، ولا يتفوق عليه إلا معادن أخرى مثل الأوزميوم والإيريديوم. وبالمثل ، فهو أثقل معدن معروف أنه يؤدي دورًا بيولوجيًا في الجسم.

أنيون التنغستات ، WO ₄ ^2- ، يشارك في معظم مركباته الأيونية ، والتي يمكن أن تتبلمر لتشكيل مجموعات في وسط حمضي. من ناحية أخرى ، يمكن أن يشكل التنجستن مركبات بين المعادن ، أو أن يتم تلبيده بالمعادن أو الأملاح غير العضوية بحيث تكتسب المواد الصلبة أشكالًا أو اتساقًا مختلفًا.

وهي ليست بكثرة في قشرة الأرض ، حيث لا يوجد سوى 1.5 جرام من هذا المعدن لكل طن. علاوة على ذلك ، نظرًا لكونه عنصرًا ثقيلًا ، فإن أصله بين المجرات ؛ على وجه التحديد من انفجارات المستعر الأعظم ، والتي يجب أن تكون قد ألقت "نفاثات" من ذرات التنجستن باتجاه كوكبنا أثناء تكوينه.

التاريخ

علم أصول الكلمات

تاريخ التنغستن أو ولفرام له وجهان تمامًا مثل أسمائهما: أحدهما سويسري والآخر ألماني. في القرن السابع عشر ، في المناطق التي تحتلها حاليًا ألمانيا والنمسا ، عمل عمال المناجم على استخراج النحاس والقصدير لإنتاج البرونز.

بحلول ذلك الوقت ، وجد عمال المناجم أنفسهم مع شوكة في هذه العملية: كان هناك معدن من الصعب للغاية إذابته ؛ معدن يتكون من ولفراميت ، (Fe ، Mn ، Mg) WO ₄ ، والذي يحتفظ بالقصدير أو "يلتهم" كما لو كان ذئبًا.

ومن هنا أصل أصل هذا العنصر ، "الذئب" للإسبانية ، الذئب الذي أكل القصدير ؛ و "كبش" من الرغوة أو القشدة ، تشبه بلوراتها فرو أسود طويل. وهكذا نشأ اسم "ولفرام" أو "ولفرام" تكريما لهذه الملاحظات الأولى.

في عام 1758 ، على الجانب السويسري ، تم تسمية معدن مشابه ، شيلليت ، CaWO ₄ ، باسم "تونغ ستين" ، والذي يعني "الحجر الصلب".

يستخدم كلا الاسمين ، ولفرام والتنغستن ، على نطاق واسع بالتبادل ، اعتمادًا على الثقافة فقط. في إسبانيا ، على سبيل المثال ، وفي أوروبا الغربية ، يشتهر هذا المعدن بالتنغستن. بينما في القارة الأمريكية يسود اسم التنجستن.

الاعتراف والاكتشاف

كان معروفاً آنذاك أنه بين القرنين السابع عشر والثامن عشر كان هناك معدنان: ولفراميت وشيليت. لكن من رأى أن فيها معدنًا مختلفًا عن الآخرين؟ لا يمكن وصفها إلا على أنها معادن ، وفي عام 1779 قام الكيميائي الأيرلندي بيتر وولف بتحليل التنغستن بعناية واستنتج وجود التنغستن.

على الجانب السويسري ، مرة أخرى ، تمكن Carl Wilhelm Scheele في عام 1781 من عزل التنغستن باسم WO ₃ ؛ بل وأكثر من ذلك ، حصل على حمض التنغستيك (أو التنغستيك) ، H ₂ WO ₄ ومركبات أخرى.

ومع ذلك ، لم يكن هذا كافيًا للوصول إلى المعدن النقي ، حيث كان من الضروري تقليل هذا الحمض ؛ أي إخضاعه لعملية من شأنها أن تنفصل عن الأكسجين وتتبلور كمعدن. لم يكن لدى Carl Wilhelm Scheele الأفران أو المنهجية المناسبة لتفاعل الاختزال الكيميائي هذا.

ومن هنا جاء دور الإخوة الإسبان دي إلهيوار ، فاوستو وخوان خوسيه ، الذين قاموا باختزال المعادن (ولفراميت وشيليت) بالفحم ، في مدينة بيرجارا. حصل الاثنان على الجدارة والشرف لكونهما مكتشفين للتنغستن المعدني (W).

فولاذ ومصابيح

أي مصباح كهربائي مع خيوط التنجستن. المصدر: Pxhere.

مثل المعادن الأخرى ، فإن استخداماته تحدد تاريخه. من بين أبرزها في نهاية القرن التاسع عشر سبائك التنغستن الفولاذي وخيوط التنغستن لتحل محل الكربون الموجود داخل المصابيح الكهربائية. يمكن القول أن أول مصابيح كهربائية كما نعرفها تم تسويقها في 1903-1904.

الخصائص

مظهر جسماني

إنه معدن فضي رمادي لامع. هش ولكنه صعب للغاية (لا ينبغي الخلط بينه وبين المتانة). إذا كانت القطعة عالية النقاوة فإنها تصبح صلبة ومرنة ، مثل العديد من الفولاذ أو أكثر.

العدد الذري

74.

الكتلة المولية

183.85 جم / مول.

نقطة الانصهار

3422 درجة مئوية.

نقطة الغليان

5930 درجة مئوية.

كثافة

19.3 جم / مل.

حرارة الانصهار

52.31 كيلوجول / مول.

حرارة التبخير

774 كيلو جول / مول.

السعة الحرارية المولية

24.27 كيلوجول / مول.

صلابة محمد

7.5

كهرسلبية

2.36 على مقياس بولينج.

راديو ذري

139 م

المقاومة الكهربائية

52.8 نيوتن متر عند 20 درجة مئوية.

النظائر

يحدث في الغالب في الطبيعة على شكل خمسة نظائر: ¹⁸² واط ، ¹⁸³ واط ، ¹⁸⁴ واط ، ¹⁸⁶ واط ، ¹⁸⁰ واط وفقًا للكتلة المولية التي تبلغ 183 جم / مول ، والتي تحدد متوسط ​​الكتل الذرية لهذه النظائر (وغيرها. ثلاثين نظيرًا مشعًا) ، تحتوي كل ذرة تنجستن أو تنجستن على حوالي مائة وعشرة نيوترون (74 + 110 = 184).

كيمياء

إنه معدن شديد المقاومة للتآكل ، حيث أن طبقته الرقيقة من WO ₃ تحميه من هجوم الأكسجين والحمض والقلويات. بمجرد الذوبان والترسيب مع الكواشف الأخرى ، يتم الحصول على أملاحه ، والتي تسمى تنجستات أو ولفراميت ؛ في نفوسهم ، عادة ما يكون للتنغستن حالة أكسدة +6 (بافتراض وجود W ⁶⁺ كاتيونات).

التكتل الحمضي

Decatungstate ، مثال على التنغستن polyoxometalates. المصدر: Scifanz

يعتبر التنجستن كيميائيًا فريدًا تمامًا لأن أيوناته تميل إلى التجمع لتشكيل أحماض غير متجانسة أو بوليوكسوميتالات. ما هم؟ إنها مجموعات أو عناقيد من الذرات التي تتحد معًا لتحديد جسم ثلاثي الأبعاد ؛ بشكل أساسي ، أحدهما بهيكل كروي يشبه القفص ، حيث "يحيط" بذرة أخرى.

يبدأ كل شيء من أنيون التنغستات ، WO ₄ ^2- ، والذي في الوسط الحمضي يتحول بسرعة إلى البروتونات (HWO ₄ ^-) ويرتبط بأنيون مجاور ليشكل ^2- ؛ وهذا بدوره تنضم إلى آخر ^2- أن تنشأ و ^4-. وهكذا حتى يكون هناك العديد من politungstats في المحلول.

تعتبر Paratungstates A و B و ^6- و H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ^10- ، على التوالي ، واحدة من أبرز هذه polyanions.

قد يكون من الصعب وضع مخطط لويس الخاص بك وهياكله ؛ ولكن من حيث المبدأ يكفي تصورها كمجموعات من WO ₆ ثماني السطوح (الصورة العلوية).

لاحظ أن هذه الأوكتاهدرا الرمادية تنتهي بتعريف decatungstate ، وهو politungstat ؛ إذا احتوت ذرة غير متجانسة (على سبيل المثال ، الفوسفور) بداخلها ، فستكون عندئذ بوليوكسوميتالات.

الهيكل والتكوين الإلكتروني

المراحل البلورية

تحدد ذرات التنجستن البلورة بهيكل مكعب محوره الجسم (bcc). يُعرف هذا الشكل البلوري باسم المرحلة ألفا ؛ بينما المرحلة β تكعيبية أيضًا ، لكنها أكثر كثافة قليلاً. يمكن أن تتعايش كلتا المرحلتين أو الأشكال البلورية ، α و ، في حالة توازن في ظل الظروف العادية.

الحبيبات البلورية لمرحلة α متساوية القياس ، في حين أن حبيبات المرحلة تشبه الأعمدة. بغض النظر عن البلورة ، فهي محكومة بالروابط المعدنية التي تربط ذرات W معًا بإحكام ، وإلا لا يمكن تفسير نقاط الانصهار والغليان العالية ، أو صلابة التنجستن العالية وكثافته.

السندات معدنية

يجب ربط ذرات التنغستن بإحكام بطريقة ما. لعمل تخمين ، يجب أولاً ملاحظة التكوين الإلكتروني لهذا المعدن:

4f ¹⁴ 5d ⁴ 6 s ²

المدارات 5d كبيرة جدًا ومبهمة ، مما يعني أن هناك تداخلات مدارية فعالة بين ذرتين قريبتين W. أيضًا ، تساهم المدارات 6s في النطاقات الناتجة ، ولكن بدرجة أقل. في حين أن المدارات 4f "عميقة في الخلفية" وبالتالي فإن مساهمتها في الرابطة المعدنية أقل.

هذا ، حجم الذرات ، والحبيبات البلورية ، هي المتغيرات التي تحدد صلابة التنجستن وكثافته.

الأكسدة

في التنجستن المعدني أو ولفرام ، تمتلك ذرات W حالة أكسدة صفرية (W ⁰). بالعودة إلى التكوين الإلكتروني ، يمكن "إفراغ" المداري 5d و 6s من الإلكترونات اعتمادًا على ما إذا كان W في صحبة ذرات عالية الكهربية ، مثل الأكسجين أو الفلور.

عندما يفقد إلكترونان 6S ، يكون للتنغستن حالة أكسدة +2 (W ²⁺) ، مما يؤدي إلى تقلص ذرته.

إذا فقدت أيضًا جميع الإلكترونات في مداراتها 5d ، فستصبح حالة الأكسدة الخاصة بها +6 (W ⁶⁺) ؛ من هنا لا يمكن أن تصبح أكثر إيجابية (من الناحية النظرية) ، لأن المدارات 4f ، كونها داخلية ، تتطلب طاقات كبيرة لإزالة إلكتروناتها. بمعنى آخر ، أكثر حالات الأكسدة إيجابية هي +6 ، حيث يكون التنجستن أصغر.

هذا التنغستن (VI) مستقر جدًا في الظروف الحمضية أو في العديد من المركبات المؤكسجة أو المهلجنة. حالات الأكسدة الأخرى الممكنة والإيجابية هي: +1 ، +2 ، +3 ، +4 ، +5 و +6.

يمكن أن يكتسب التنجستن أيضًا إلكترونات إذا اتحد مع ذرات أقل كهرسلبية منه. في هذه الحالة ، تكبر ذراتها. يمكنه الحصول على أربعة إلكترونات كحد أقصى ؛ وهذا يعني أن لديك حالة أكسدة تبلغ -4 (دبليو ⁴).

الحصول

ذكر في وقت سابق أن التنجستن يوجد في معادن ولفراميت وشيليت. اعتمادًا على العملية ، يتم الحصول على مركبين منها: أكسيد التنجستن ، WO ₃ ، أو الأمونيوم paratungstate ، (NH ₄) ₁₀ (H ₂ W ₁₂ O ₄₂) · 4H ₂ O (أو ATP). يمكن اختزال أي منهما إلى W معدني بكربون أعلى من 1050 درجة مئوية.

ليس من المربح اقتصاديًا إنتاج سبائك التنغستن ، لأنها ستحتاج إلى الكثير من الحرارة (والمال) لصهرها. لذلك يفضل إنتاجه في صورة مسحوق لمعالجته مرة واحدة بمعادن أخرى للحصول على سبائك.

ومن الجدير بالذكر أن الصين هي الدولة التي لديها أكبر إنتاج للتنغستن في جميع أنحاء العالم. وفي القارة الأمريكية ، تحتل كندا وبوليفيا والبرازيل أيضًا قائمة أكبر منتجي هذا المعدن.

التطبيقات

حلقة مصنوعة من كربيد التنجستن - مثال على كيفية استخدام صلابة هذا المعدن لتخليد المواد وتصلبها. المصدر: SolitaryAngel (SolitaryAngel)

فيما يلي بعض الاستخدامات المعروفة لهذا المعدن:

- تم استخدام أملاحه لتلوين القطن من ملابس المسارح القديمة.

- يقترن مع الفولاذ يقويها أكثر ، حتى أنها قادرة على مقاومة القطع الميكانيكي بسرعات عالية.

- تم استخدام خيوط التنجستن الملبدة لأكثر من مائة عام في المصابيح الكهربائية ومصابيح الهالوجين. أيضًا ، نظرًا لارتفاع نقطة انصهارها ، فقد عملت كمواد لأنابيب أشعة الكاثود وفوهات محركات الصواريخ.

- المستبدلات الرائدة في صناعة المقذوفات والدروع المشعة.

- يمكن استخدام أسلاك التنغستن النانوية في الأجهزة النانوية الحساسة لدرجة الحموضة والغازات.

- تم استخدام محفزات التنجستن للتعامل مع إنتاج الكبريت في صناعة النفط.

- كربيد التنجستن هو الأكثر استخدامًا من بين جميع مركباته. من تقوية أدوات القطع والحفر ، أو تصنيع قطع الأسلحة العسكرية ، إلى تصنيع الأخشاب والبلاستيك والسيراميك.

المخاطر والاحتياطات

بيولوجي

كونه معدنًا نادرًا نسبيًا في قشرة الأرض ، فإن آثاره السلبية نادرة. في التربة الحمضية ، قد لا تؤثر polyungstates على الإنزيمات التي تستخدم الأنيونات الموليبدات ؛ ولكن في التربة الأساسية ، يتدخل WO ₄ ^2- (إيجابًا أو سلبًا) في عمليات التمثيل الغذائي لـ MoO ₄ ^2- والنحاس.

فالنباتات ، على سبيل المثال ، يمكنها امتصاص مركبات التنجستن القابلة للذوبان ، وعندما يأكلها حيوان ما ، ثم بعد تناول لحمها ، تدخل ذرات W إلى أجسامنا. يُطرد معظمهم في البول والبراز ، ولا يُعرف الكثير عما يحدث لبقية منهم.

أظهرت الدراسات التي أجريت على الحيوانات أنه عندما يستنشقون تركيزات عالية من مسحوق التنجستن ، فإنهم يصابون بأعراض مشابهة لأعراض سرطان الرئة.

عن طريق الابتلاع ، يحتاج الإنسان البالغ إلى شرب آلاف الجالونات من الماء المخصب بأملاح التنغستن لإظهار تثبيط ملموس لإنزيمات الكولينستراز والفوسفاتاز.

جسدي - بدني

بشكل عام ، يعتبر التنجستن عنصرًا منخفض السمية ، وبالتالي هناك القليل من المخاطر البيئية التي تضر بالصحة.

فيما يتعلق بالتنغستن المعدني ، تجنب تنفس غباره ؛ وإذا كانت العينة صلبة ، فيجب ألا يغيب عن البال أنها كثيفة جدًا ويمكن أن تسبب ضررًا ماديًا إذا سقطت أو اصطدمت بأسطح أخرى.

المراجع

1. بيل تيرينس. (سادس). التنجستن (ولفرام): الخصائص والإنتاج والتطبيقات والسبائك. التوازن. تم الاسترجاع من: thebalance.com
2. ويكيبيديا. (2019). التنغستن. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
3. لينتيك بي في (2019). التنغستن. تم الاسترجاع من: lenntech.com
4. جيف ديجاردان. (1 مايو 2017). تاريخ التنغستن ، أقوى معدن طبيعي على وجه الأرض. تم الاسترجاع من: visualcapitalist.com
5. دوغ ستيوارت. (2019). حقائق عنصر التنغستن. تم الاسترجاع من: chemicool.com
6. آرت فيشر وبام باول. (سادس). التنغستن. جامعة نيفادا. تم الاسترجاع من: unce.unr.edu
7. هيلمنستين ، آن ماري ، دكتوراه. (02 مارس 2019). حقائق التنغستن أو ولفرام. تم الاسترجاع من: thinkco.com