Какие физ свойства вольфрама лежат в основе его применения в лампах накаливания

Главная
Справочник
Свойства вольфрама

Вольфрам (W) – удивительный металл с прекрасными физическими и химическими характеристиками. Его активно применяют практически во всех отраслях промышленности.

Физические свойства вольфрама

твердый тугоплавкий и тяжелый металл (вес вольфрама почти в 2 раза больше, чем у свинца);
масса вольфрама составляет 184 г/моль;
сплавы W отличаются прочностью, твердостью и высоким сопротивлением к высоким температурам;
цвет зависит от способа получения (порошок имеет серый, темно-серый или черный цвет, сплавленный W – серый оттенок, напоминающий цвет платины);
плотность вольфрама при нормальних условиях равна 19, 25 г/м3.

Температура плавления вольфрама составляет 3410 °C – соизмерима с температурой на поверхности Солнца – 6690 °C. Высокая твердость вольфрама позволяет применять его в химической промышленности и металлургии. При этом сопротивление вольфрама зависит только от температуры.

Химические свойства вольфрама

в природе состоит из стабильных изотопов (5 штук), массовые числа которых находятся в пределах 180-186;
отделение 74 электронов атома W происходит легко;
обладает 6 валентностью, в соединениях может иметь 0, 2, 3, 4 и 5-валентным;
орбита элемента включает 2 яруса, что позволяет образовать крепкую химическую связь.

Наука относит вольфрам к химически активным элементам. Он может вступать в различные реакции и образовывать как простые, так и сложные соединения. В сплавах W чаще всего остается химически связанным. При этом с окислителями (например, с кислородом) он реагирует быстрее, чем другие металлы рода «тяжеловесов».

В случае нагревания элемента он еще быстрее вступает в реакцию с кислородом. Если в реакции участвуют водные пары, реакция протекает гораздо быстрее. Ученые выяснили: при нагреве элемента до 500 °C получается WO2 – низкий окислитель с высокой устойчивочтью. Он затягивает поверхность металла коричневой пленкой.

Если повышать температуру – можно получить еще один окислитель, который называют промежуточным (W4O11). Он имеет синюю окраску, а если продолжить нагрев до температуры в 923°C, она изменится на лимонно-желтую. Этому будет способствовать WO3.

Если с вольфрамом смешивают сухой фтор, то даже при небольшом подогреве можно получить вещество WF6. Его именуют гексафторидом. Оно может плавиться даже при 2,5 градусах, а кипеть при 19,5. Такое же соединение можно получить и при использовании хлора. Однако для этой реакции потребуется высокая температура – около 600 °C.

Также вольфрам легко вступает в реакции с йодом и бромом. С ними он образовывает такие малоустойчивые соединения как дибромид, ментамид, а также дииодид и тетрадид. При высоких температурах вольфрам соединяется с селеном, азотом, серой, а также с кремнием и углеродом.

Одним из интересных соединений считают карбонил. В этой реакции вольфрам реагирует на окись углерода. Именно здесь и проявляется его нулевая валентность. Однако это вещество сложно назвать устойчивым. Поэтому его можно получить только при создании специальных условий. Из карбонила получают плотные и ультратонкие покрытия чистого вольфрама.

Нужно уделить внимание и вольфрамовым соединениям. Некоторые из них поддаются полимеризации, в частности окись вольфрама.

Свойства атома

Имя, символ, номер – Вольфрам/Wolframium (W), 74
Атомная масса (молярная масса), г/моль – 183,84 а. е. м.
Электронная конфигурация – [Xe] 4f14 5d4 6s2
Радиус атома, пм – 141

Химические свойства

Ковалентный радиус, пм – 170
Радиус иона, пм – (+6e) 62 (+4e) 70
Электроотрицательность, шкала Полинга – 2.3
Электродный потенциал, В – W < W3+ 0,11
W < W6+ 0,68
Степени окисления – 6, 5, 4, 3, 2, 0
Энергия ионизации, кДж/моль(1-й ионизац. потенциал, эВ) – 769,7 (7,98)

Термодинамические свойства простого вещества

Плотность, кг/м3 (при н. у., г/см3) – 19300 (19,3)
Температура плавления, °C, K – 3422, 3695
Температура кипения, °C, K – 5555, 5828
Теплота плавления, кДж/кг, кДж/моль – 191, 35
Теплота испарения, кДж/кг, кДж/моль – 4482, 824
Теплоемкость, кДж/(кг·°С) – 0,134
Молярная теплоемкость, Дж/(K·моль) – 24,27
Молярный объем, см3/моль – 9,53

Кристаллическая решетка простого вещества

Структура решетки – кубическая объемноцентрированая
Параметры решетки, A – 3,160
Температура Дебая, K – 310,00

Прочие характеристики

Теплопроводность, K, Вт/(м·К) – 300, 173
Удельное электросопротивление при 20°С, ом·мм2/м – 5,03
Коэффициент теплопроводности при 20°С, кал/ (см·сек·град) – 0,4
Коэффициент линейного расширения, 1/град – 43·10-6
Временное сопротивление при растяжении, кг/мм2 – 35

Источник

Вольфрам (W) – 74-й элемент периодической системы химических элементов Менделеева. Это уникальный металл, отличающийся хорошими механическими и химическими свойствами, а также высокими эксплуатационными показателями. Благодаря этому компонент применяется во многих промышленных сферах.

Сегодня трудно встретить человека, который не слышал о вольфраме. Он был известен еще в далеком 16 веке. Самое простое изделие, в котором присутствует данный элемент – лампочка накаливания. Здесь вольфрамовая нить играет роль проводника электрического тока, за счет чего она накаливается до появления оптического излучения. На этом и построен принцип работы обыкновенной лампы.

В сегодняшней статье обсудим свойства вольфрама, поговорим об особенностях и применении металлического компонента, а также разберем историю происхождения. Приступим!

История появления

Наименование химического элемента Wolframium произошло от названия минерала вольфрамит. Как говорилось, о нем начали говорить в начале – середине 16 века. Но тогда минерал назывался иначе – spuma lupi, что в переводе с латинского означает «волчья пена». На немецком языке компонент называли Wolf Rahm – «волчья пасть».

Обуславливались данные названия следующим: если в оловянной руде находились вольфрамовые соединения, число исходящего олова существенно уменьшалось. Вольфрам «съедал» олово, из-за чего получил такое название.

Вольфрам химические свойства

Современная наука поместила элемент в группу химически активных металлов. Вольфрам участвует в разных реакциях, формируя сложные и простые соединения. Если его сплавить, он также останется химически связанным. Наряду с этим с окислителями W реагирует быстрее, нежели иные металлические вещества.

Ниже приведен список, где вы найдете главные химические свойства вольфрама:

встречается из изотопов, массовые количества равняются 183;
74 электрона без труда отделяются от атома;
имеет 6 валентностей при различных соединениях с веществами;
орбита содержит 2 яруса, из-за чего появляется надежная связь.

Интересный факт! Если запустить реакцию, в которой будут участвовать W и сухой фтор, получится уникальное вещество под названием гексафторидом (WF6). Несмотря на высокую температуру самого вольфрама, WF6 плавится при температуре 2,5 градуса по Цельсию, а кипит уже при комнатных условиях.

Вольфрам физические свойства

В чистом виде металл представляет собой блестящее вещество серебристого оттенка. Сегодня W является одним из самых прочных, тяжелых и тугоплавких металлов. Его минимальная температура плавления составляет 3 410 градусов. Пожалуй, в этом он уступает только углероду, который относится к группе неметаллов. Многие вещества не только плавятся, но и кипят при таком температурном режиме. Если довести температурные условия до 5 550 градусов, элемент начинает плавиться. Он с легкостью поддается ковке, в процессе которой возможно получить тонкую нить.

А вот таблица, характеризующая металл еще больше.

Масса	184 г/моль
Плотность	19,25 г/м3
Твердость по шкале Мооса	7,5
Излом	Зазубренный
Магнетизм	Парамагнетик

Получение

При добыче вольфрама из руд образуется оксид WO3, который впоследствии восстанавливается с помощью водорода при нагреве до металлического порошкообразного вещества. Ввиду высоких температурных условий плавления получить небольшие размеры металла довольно затруднительно. А потому полученный порошок спрессовывают и спекают в атмосфере водорода. Затем через него проходит мощное напряжение, из-за чего W накаливается до 3 000 градусов. Таким образом, вольфрам поддается плавлению.

Сам же элемент достаточно редко встречается в природе. После всех веществ он занимает лишь 57-е место. Находят его, как правило, в подземных водах в виде своего иона или различных соединений.

Вольфрам свойства и применение

Как говорилось, наибольшую популярность вольфрам получил в производстве обычных лампочек накаливания. Впервые ее изобрели в начале 19 века. Помимо примитивных изделий W участвует в изготовлении трубок для рентгеновского оборудования, составляющих вакуумных печек и других устройств, использующихся при высоких температурах.

Интересный факт! Сталь включает в свой состав вольфрамовые соединения. Благодаря этому она может похвастаться прочностью и надежностью. Подобные сплавы хорошо зарекомендовали себя в производстве оборудования для бурения скважин, а также в медицинской отрасли и машиностроении.

Самый износоустойчивый сплав, полученный из вольфрама, называется победит. Его нередко применяют в химической сфере, где изготавливают краски и пигменты.

карбид-вольфрамовый

Вольфрамовый карбид

Примерно половина добываемого вольфрама используется в производстве твердых металлических веществ. Сюда же входит карбид, температура плавления которого достигает почти 3 000 градусов. Данный металл выглядит как химическое соединение, в состав которого входит одинаковое число атомов вольфрама и углерода. Такой сплав обладает особенными показателями. Сам же W делает его настолько прочным и твердым, что по характеристикам он превосходит сталь в несколько раз.

Наиболее распространенной продукцией, которую делают из карбида, являются режущие предметы. Некоторые из них имеют высокие требования к температурной устойчивости, а потому этот сплав оптимален для изготовления. Помимо этого соединение хорошо зарекомендовало себя в производстве:

частей воздушных судов и легковых авто;
деталей для космических аппаратов;
медицинских хирургических приборов;
украшений (кольца, серьги, колье);
шариков для ручек премиум-сегмента.

Мединструменты, включающие в себя сплав, используются в области полостной хирургии. Они превосходят в цене приборы из стали, но отличаются более высокими показателями. То же самое относится к ювелирным изделиям: отполированный металл долгие годы сохраняет блестящий и изысканный вид.

Вольфрам имеет одни из самых высоких характеристик. У него уникальные физические и химические параметры, похвастаться которыми сможет далеко не каждый металл. Несмотря на маленькую распространенность, он встречается в быту и производстве. Для укрепления других компонентов из него нередко делают сплавы.

Надеемся, статья была интересной и познавательной. Читайте предыдущие статьи и ждите новых полезных публикаций на нашем сайте!

Источник

Вольфрам: свойства металла Вольфрам является тугоплавким металлом. У него есть свои разновидности марок, каждая из которых имеет особенности. Этот элемент в периодической таблице Менделеева находится под 74 номером и имеет светло-серый цвет. Его температура плавления составляет 3380 градусов. Основными его свойствами являются коэффициент линейного расширения, электрическое сопротивление, температура плавления и плотность.

Свойства и марки вольфрама

Вольфрам имеет свои механические и физические свойства, а также несколько разновидностей марок.

К физическим свойствам относят:

Коэффициент термического линейного расширения — 4,32*10 (-6) м/мК.
Сопротивление электрическое — 5,5 мкОм*см.
Теплопроводность — 129 Вт/(м*К).
Теплоёмкость удельная — 0,147 Дж/(г*К).
Температура кипения — 5900 градусов.
Температура плавления — 3380 градусов.
Плотность — 19,3 г/см3.
Атомный диаметр — 0,274 нм.
Атомная масса — 183,84 г/моль.
Атомный номер — 74.

Механические свойства:

Относительное удлинение — 0%.
Временное сопротивление — 800−1100 МПа.
Коэффициент Пуассона 0,29.
Модуль сдвига — 151,0 ГПа.
Модуль упругости — 415,0 ГПа.

Отличается этот металл маленькой скоростью испарения даже при 2 тыс. градусов и очень большой точкой кипения — 5900 градусов. Свойствами, которые ограничивают область использования этого материала, являются малое сопротивление окислению, высокая склонность к ломкости и высокая плотность. На вид он напоминает сталь. Используется для того, чтобы изготавливать сплавы высокой прочности. Обработать его можно только после нагревания. Температура нагрева зависит от того, какой именно метод обработки вы собираетесь проводить.

Вольфрам имеет такие марки:

МВ — сплав вольфрама и молибдена. Повышается прочность молибдена при сохранении пластичности после обжига.
ВРН — вольфрам без присадки. В нём допустимо повышенное содержание примесей.
ВР — сплав рения и вольфрама.
ВЛ, ВИ, ВТ — вольфрам с присадкой окиси лантана, иттрия и тория соответственно. Повышают эмиссионные свойства вольфрама.
ВМ — вольфрам с ториевой и кремнещелочной присадками. Повышает температуру рекристаллизации и прочность при высоких температурах.
ВА — вольфрам с алюминиевой и кремнещелочной присадками. Увеличивает температуру первичной рекристаллизации, формоустойчивость при больших температурах, а также прочность после отжига.
ВЧ — чистый без присадок.

Область применения

Из-за своих уникальных свойств вольфрам получил широкое применение. В промышленности он применяется в чистом виде и в сплавах.

Основными областями применения являются:

Стали специальные. При производстве быстрорежущих сталей и для инструментальных сталей этот материал применяется в качестве легирующего элемента или же основного компонента. Из таких сталей производят штампы, пуансоны, фрезы, свёрла и прочие. Буква «Р» в названии сплава означает, что это быстрорежущая сталь, а буквы «К» или «М» — сталь легированная кобальтом или молибденом. Вольфрам ещё входит в состав сталей магнитных, которые подразделяются на вольфрам кобальтовые и вольфрамовые.
Сплавы твёрдые на основе карбида вольфрама. Это соединение углерода и вольфрама. Он тугоплавкий, износостойкий и имеет высокую твёрдость. Из него изготавливают рабочие части буровых и режущих инструментов.
Износостойкие и жаропрочные сплавы. В них использована тугоплавкость вольфрама. Наиболее распространёнными являются хромовые и кобальтовые соединения — стеллиты. Обычно их при помощи наплавки наносят на сильно изнашивающиеся машинные детали.
Тяжёлые и контактные соединения. К ним относят сплавы вольфрама с серебром и медью. Это довольно эффективные контактные материалы для производства рабочих частей выключателей, рубильников, электродов для точечной сварки и прочих оборудований.
Электроосветительная и электровакуумная техника. Вольфрам в виде разных кованых деталей, ленты или проволоки используют в производстве рентгенотехники, радиоэлектроники и электроламп. Это лучший материал для спиралей и нитей накаливания. Вольфрамовые прутки и проволоки служат для высокотемпературных печей электронагревателями. Эти электронагреватели могут работать в атмосфере инертного газа, водорода или вакуума.
Сварочные электроды. Сварка является важной сферой для применения этого металла. Из него делают электроды для сварки дуговой, так как они неплавкие.

Процесс производства тугоплавкого вольфрама

Сверла карбид вольфрама Этот материал относят к редким металлам. Для него характерны сравнительно небольшие объёмы потребления и производства, а также в земной коре малая распространённость. Никакой из редких металлов не получают восстановлением из сырья. Изначально оно перерабатывается в соединение химическое. А ещё любая редкометаллическая руда перед переработкой подвергается дополнительному обогащению.

Выделяют три главные стадии для получения редкого металла:

Разложение руды. Извлекаемый металл отделяется от основной массы перерабатываемого сырья. Он концентрируется в осадке или растворе.
Получение химического чистого соединения. Его выделение и очистка.
Из полученного соединения выделяют металл. Так получают чистые материалы без примесей.

В процессе получения вольфрама тоже есть несколько стадий. Исходное сырьё — шеелит и вольфрамит. Обычно в их составе содержится от 0,2 до 2% вольфрама.

Обогащение руды производится при помощи электростатической или магнитной сепарации, флотации, гравитации. В итоге получают концентрат вольфрамовый, который содержит примерно 55−65% ангидрида вольфрама. Контролируется в них и наличие примесей: висмута, сурьмы, меди, олова, мышьяка, серы, фосфора.
Получение вольфрамового ангидрида. Он является сырьём для изготовления вольфрама металлического или же его карбида. Для этого проводится ряд процедур, таких как: выщелачивание спёка и сплава, разложение концентратов, получение вольфрамовой технической кислоты и прочие. В результате этих действий должен получиться продукт, который будет содержать в себе 99,9% трехокиси вольфрама.
Получение порошка. В виде порошка чистый металл может быть получен из ангидрида. Для этого проводится восстановление углеродом или водородом. Углеродное восстановление проводится реже, потому что ангидрид насыщается карбидами и это приводит к хрупкости металла и ухудшению обработки. При получении порошка применяют специальные методы, которые позволяют контролировать форму и размер зёрен, гранулометрический и химический составы.
Получение вольфрама компактного. В основном он в виде слитков или штабиков является заготовкой для изготовления полуфабрикатов: ленты, прутков, проволоки и прочих.

Вольфрамовая продукция

Из вольфрама изготавливают многие необходимые для хозяйства предметы, такие как проволока, прутки и прочие.

Прутки

Прутки из вольфрама Одной из наиболее распространённой продукцией из этого тугоплавкого материала являются вольфрамовые прутки. Исходным материалом для его изготовления является штабик.

Чтобы из штабика получить пруток его подвергают ковке, используя ротационную ковочную машину.

Осуществляется ковка при нагревании, так как этот металл при комнатной температуре очень хрупкий. В ковке выделяют несколько этапов. На каждом последующем прутки получаются меньшего диаметра.

На первом этапе получаются прутки, которые будут иметь диаметр до 7 миллиметров, если штабик будет иметь длину от 10 до 15 сантиметров. Температура заготовки при ковке должна равняться 1450−1500 градусов. Нагревающим материалом обычно является молибден. После второго этапа прутки будут составлять в диаметре до 4,5 миллиметров. Температура штабика при её производстве примерно 1250−1300 градусов. На следующем этапе прутки будут иметь диаметр до 2,75 миллиметров.

Прутки марок ВЧ и ВА получают при более низких температурах, чем марок ВИ, ВЛ и ВТ.

Если заготовка была получена методом плавки, то горячая ковка не осуществляется. Связано это с тем, что такие слитки имеют крупнокристаллическую грубую структуру. При использовании горячей ковки могут появиться разрушения и трещины.

В этой ситуации вольфрамовые слитки подвергаются горячему двойному прессованию (приблизительная степень деформации 90%). Производится первое прессование при температурном режиме в 1800—1900 градусов, а второе — 1350−1500. После этого заготовки подвергаются горячей ковке для того, чтобы из них получить вольфрамовые прутки.

Эта продукция применяется во многих промышленных отраслях. Одна из наиболее распространённых — сварочные неплавящиеся электроды. Для них подойдут прутки, которые изготовлены из марок ВЛ, ВЛ и ВТ. В качестве нагревателей применяются прутки, изготовленные из марок МВ, ВР и В. А. Они применяются в печах, температура которых может достигать 3 тыс. градусов в вакууме, атмосфере инертного газа или водорода. Вольфрамовые прутки могут быть катодами газозарядных и электронных приборов, а также радиоламп.

Электроды

Электроды вольфрамовые WL-20 ф Одним из главных компонентов, которые необходимы для сварки, являются сварочные электроды. При сварке дуговой они используются наиболее широко. Относится она к термическому классу сварки, в котором за счёт термической энергии осуществляется плавление. Автоматическая, полуавтоматическая или ручная дуговая сварка является самой распространённой. Вольтовой дугой создаётся тепловая энергия, которая находится между изделием и электродом. Дугой называют стабильный мощный электрический заряд в ионизированной атмосфере паров металла, газов. Чтобы получить дугу, электрод к месту сварки проводит электрический ток.

Сварочным электродом называют проволочный стержень, на который нанесено покрытие (возможны варианты и без покрытия). Для сварки существует множество различных электродов. Их отличительными чертами являются диаметр, длина, химический состав. Для сварки определённых сплавов или металлов применяются разные электроды. Наиболее важным видом классификации является разделение электродов на неплавящиеся и плавящиеся.

Сварочные плавящиеся электроды во время сварки расплавляются, их металл вместе с металлом расплавленным свариваемой детали пополняют сварочную ванну. Выполняют такие электроды из меди и стали.

А вот электроды неплавящиеся в процессе сварки не расплавляются. К ним относят вольфрамовые и угольные электроды. При сварке необходимо подавать присадочный материал, который плавится и с расплавленным материалом свариваемого элемента образуют сварочную ванну. Для этих целей в основном применяют сварочные прутки или проволоку. Электроды сварочные могут быть непокрытыми и покрытыми. Покрытие играет важную роль. Его компоненты могут обеспечить получение металла швов определённых свойств и состава, защиту расплавленного металла от влияния воздуха и стабильное горение дуги.

Составляющие в покрытии могут быть раскисляющими, шлакообразующими, газообразующими, стабилизирующими или легирующими. Покрытие может быть целлюлозным, основным, рутиловым или кислым.

Вольфрамовые электроды используются для сварки металлов цветных, а также их сплавов, высоколегированных сталей. Хорошо вольфрамовый электрод подходит для образования сварного шва повышенной прочности, при этом детали могут иметь различный химический состав.

Вольфрамовая продукция очень качественная и нашла своё применение во многих отраслях, в некоторых она просто незаменима.

Источник