タングステン：歴史、特性、構造、用途 - 化学 - 2025

タングステンは、タングステンまたは重金属タングステンは、その化学シンボルW.周期型周期表の6群6に位置する遷移であり、原子番号74は、その名前は、二つの語源の意味を有する：硬い石とをオオカミの泡; 2つ目は、この金属はタングステンとも呼ばれるためです。

銀灰色の金属であり、もろいが、硬度、密度が高く、融点と沸点が高い。したがって、ドリル、発射体、または放射線放出フィラメントなど、高温、高圧、または機械的な力を伴うすべてのアプリケーションで使用されています。

表面が部分的に酸化されたタングステン棒。出典：化学元素の高解像度画像

この金属の最もよく知られている用途は、文化的で人気のあるレベルで、電球のフィラメントにあります。それらを扱った人なら誰でも、それらがどれほど壊れやすいかを理解するでしょう。ただし、それらは可鍛性と延性がある純粋なタングステンでできていません。さらに、合金などの金属マトリックスでは、優れた耐性と硬度を提供します。

それは、融点が最も高い金属であること、および鉛自体よりも密度が高く、オスミウムやイリジウムなどの他の金属のみを上回っていることを特徴としています。同様に、それは体内で何らかの生物学的役割を果たすことが知られている最も重い金属です。

タングステン酸アニオン、WO ₄ ^2-は、酸性媒体中でクラスターを形成するために重合することができるそのイオン性化合物のほとんどに参加しています。一方、タングステンは金属間化合物を形成したり、金属や無機塩と一緒に焼結したりして、その固体が異なる形状や一貫性を得ることができます。

地球の地殻にはそれほど豊富ではなく、1トンあたりこの金属はわずか1.5グラムです。さらに、それは重い要素であるため、その起源は銀河間です。具体的には、超新星爆発で、その形成中にタングステン原子の「ジェット」を私たちの惑星に向けて投げたに違いありません。

歴史

語源

タングステンまたはウルフラムの歴史には、その名前のようにスイス人とドイツ人という2つの面があります。1600年代、現在ドイツとオーストリアが占領している地域では、鉱山労働者が銅とスズの抽出に取り組み、ブロンズを製造していました。

その時までに、鉱山労働者はその過程でとげを見つけました。非常に溶けにくい鉱物がありました。ウルフラマイト（Fe、Mn、Mg）WO ₄からなる鉱物。スズを狼のように保持または「食い尽くす」。

したがって、この要素の語源、スペイン語のオオカミの「オオカミ」、スズを食べたオオカミ。泡やクリームの「ラム」。その結晶は長い黒い毛皮に似ていました。したがって、「ウルフラム」または「ウルフラム」という名前は、これらの最初の観察に敬意を表して生まれました。

1758年、スイス側では、類似の鉱物、灰重石、CaWO ₄が「硬質石」を意味する「タングステン」と名付けられました。

ヴォルフラムとタングステンの両方の名前は、文化に依存するだけで、広く互換的に使用されます。たとえば、スペインや西ヨーロッパでは、この金属はタングステンとして最もよく知られています。一方、アメリカ大陸ではタングステンの名前が優勢です。

認識と発見

17世紀から18世紀の間に、ウルフラマイトと灰重石という2つの鉱物があることが知られていました。しかし、他の人とは異なる金属が彼らの中にあるのを見たのは誰ですか？それらは鉱物としてのみ特徴付けることができ、アイルランドの化学者であるピーターウルフがタングステンを注意深く分析し、タングステンの存在を推定したのは1779年のことでした。

スイス側でも、1781年にカールウィルヘルムシェールはタングステンをWO ₃として分離することができました。そしてさらに、彼はタングステン酸（またはタングステン酸）、H ₂ WO ₄および他の化合物を得ました。

しかし、この酸を減らす必要があったため、純粋な金属に到達するにはこれでは不十分でした。つまり、酸素から分離し、金属として結晶化するようなプロセスにかけます。カールウィルヘルムシェールには、この化学還元反応に適した炉や方法論がありませんでした。

ベルガラの街で、エルフヤル、ファウスト、フアンホセというスペインの兄弟が行動し、両方の鉱物（ウルフラマイトと灰重石）を石炭で還元しました。それらの2つは、金属タングステン（W）の発見者であるというメリットと名誉を授与されます。

鋼と球根

タングステンフィラメントの電球。出典：Pxhere。

他の金属と同様に、その用途はその歴史を定義します。19世紀の終わりに最も著名なものの中に、鋼とタングステンの合金、そして電球内部の炭素のフィラメントを置き換えるタングステンのフィラメントがありました。最初の電球は、私たちが知っているように、1903-1904年に販売されたと言えます。

プロパティ

外見

光沢のあるシルバーグレーのメタルです。壊れやすいが非常に難しい（タフネスと混同しないでください）。ピースが高純度の場合、それはいくつかの鋼と同じくらいまたはより多くの順応性があり、硬くなります。

原子番号

74。

モル質量

183.85 g / mol。

融点

3422°C

沸点

5930°C

密度

19.3 g / mL。

融合熱

52.31 kJ / mol。

気化熱

774 kJ / mol。

モル熱容量

24.27 kJ / mol。

モーの硬度

7.5。

電気陰性

ポーリングスケールで2.36。

原子ラジオ

139 pm

電気抵抗率

20°Cで52.8nΩ・m

同位体

それは主に5つの同位体として自然に発生します：¹⁸² W、¹⁸³ W、¹⁸⁴ W、¹⁸⁶ Wおよび^180W。これらの同位体（およびその他の原子質量）を平均する30の放射性同位元素）、各タングステンまたはタングステン原子には、約100と10の中性子があります（74 + 110 = 184）。

化学

WO _3の薄い層が酸素、酸、アルカリの攻撃から保護するため、耐腐食性の高い金属です。他の試薬で溶解して沈殿させると、その塩が得られます。これはタングステン酸塩またはウルフラム酸塩と呼ばれます。それらの中で、タングステンは通常+6の酸化状態を持っています（W ⁶⁺カチオンがあると仮定します）。

酸クラスタリング

タングステン酸ポリオキソメタレートの一例であるデカタンステート。出典：Scifanz

化学的にタングステンは、そのイオンがクラスター化してヘテロポリ酸またはポリオキソメタレートを形成する傾向があるため、非常に特殊です。彼らは何ですか？それらは一緒になって3次元の物体を定義する原子のグループまたはクラスターです。主に、球状のケージのような構造をしたもので、別の原子を「囲んで」います。

これは、すべてWOタングステン酸塩アニオンから開始し、₄ ^2-急速に酸性媒体（HWOにプロトン化、₄ ^- ）を形成する隣接するアニオンとの結合及び^2- ; そして、これは別の^2-と結合して^{4-を生成し}ます。ソリューションにいくつかのpolitungstatsがあるまで続きます。

パラタングステートAおよびB、^6-およびH ₂ W ₁₂ O ₄₂ ^10-は、これらのポリアニオンの中で最も顕著なものの1つです。

ルイスのスケッチと構造を思いつくのは難しいかもしれません。しかし、原則として、それらをWO ₆八面体のセットとして視覚化することで十分です（上の画像）。

これらの灰色がかった八面体が、最終的にはdecatungstate、politungstatを定義することに注意してください。ヘテロ原子（リンなど）が含まれている場合は、ポリオキソメタレートになります。

構造と電子構成

結晶相

タングステン原子は、体心立方（bcc）構造を持つ結晶を定義します。この結晶形はα相として知られています。一方、β相も立方体ですが、少し密度が高くなっています。αとβの両方の相または結晶形は、通常の条件下では平衡状態で共存できます。

α相の結晶粒は等尺性ですが、β相の結晶粒は柱に似ています。結晶に関係なく、W原子をしっかりと保持している金属結合によって支配されていると、Wの高い融点と沸点、またはタングステンの高い硬度と密度を説明できませんでした。

メタリックボンド

タングステン原子はどういうわけかしっかりと束縛されなければなりません。推測を行うには、この金属の電子配置を最初に観察する必要があります。

4f ¹⁴ 5d ⁴ 6s ²

5d軌道は非常に大きくファジーです。これは、近くの2つのW原子間に有効な軌道のオーバーラップがあることを意味します。また、6s軌道は結果のバンドに寄与しますが、程度は低くなります。4f軌道は「バックグラウンドで深い」ため、金属結合への寄与は少なくなります。

これ、原子のサイズ、および結晶粒は、タングステンの硬度とその密度を決定する変数です。

酸化状態

金属タングステンやウルフラムでは、W原子の酸化状態はゼロ（W ⁰）です。電子構成に戻ると、5dおよび6s軌道は、Wが酸素やフッ素などの電気陰性度の高い原子と共存しているかどうかに応じて、電子を「空にする」ことができます。

2つの6s電子が失われると、タングステンは+2の酸化状態（W ²⁺）になり、その原子が収縮します。

5d軌道のすべての電子も失うと、その酸化状態は+6（W ⁶⁺）になります。4f軌道は内部にあるため、電子を除去するために大きなエネルギーが必要になるため、ここからは（理論的には）より正になることはできません。言い換えると、最も正の酸化状態は+6で、タングステンはさらに小さくなります。

このタングステン（VI）は、酸性条件または多くの酸素化またはハロゲン化化合物で非常に安定しています。その他の可能な正の酸化状態は、+ 1、+ 2、+ 3、+ 4、+ 5および+6です。

タングステンは、それ自体よりも電気陰性度の低い原子と結合すると、電子を獲得することもできます。この場合、その原子は大きくなります。最大4つの電子を獲得できます。つまり、酸化状態が-4（W ^4-）になります。

入手

タングステンは鉱物のウルフラマイトと灰重石に含まれていると以前に述べました。プロセスに応じて、酸化タングステン、WO ₃、またはパラタングステン酸アンモニウム（NH ₄）₁₀（H ₂ W ₁₂ O ₄₂）・4H ₂ O（またはATP）の2つの化合物が得られます。それらのいずれも、1050°Cを超える炭素を含む金属Wに還元できます。

タングステンインゴットを溶かすには大量の熱（とお金）を必要とするため、タングステンインゴットを生産することは経済的に利益がありません。それが合金を得るために他の金属で一度にそれを処理するためにそれを粉末形態で製造することが好ましい理由である。

中国が世界最大のタングステン生産国であることに言及する価値があります。そしてアメリカ大陸では、カナダ、ボリビア、ブラジルもこの金属の最大の生産者のリストを占めています。

用途

炭化タングステンで作られたリング-この金属の硬度を使用して材料を不死化および硬化させる方法の例。ソース：SolitaryAngel（SolitaryAngel）

この金属の既知の用途のいくつかを以下に示します。

-その塩は古い劇場の服装の綿を着色するために使用されました。

-スチールと組み合わせることで、さらに硬化し、高速での機械的切断にも耐えることができます。

-焼結タングステンフィラメントは電球やハロゲンランプに100年以上使用されてきました。また、融点が高いため、ブラウン管やロケットエンジンのノズルの材料としても使われています。

-発射体および放射性シールドの製造における鉛の代替。

-タングステンナノワイヤは、pHおよびガスに敏感なナノデバイスで使用できます。

-タングステン触媒は、石油産業での硫黄生産に対処するために使用されました。

-炭化タングステンは、そのすべての化合物の中で最も広く使用されています。切削工具や穴あけ工具の強化、軍用武器の製造から、木材、プラスチック、セラミックの機械加工まで。

リスクと予防策

生物学的

地球の地殻では比較的希少な金属であるため、その悪影響はほとんどありません。酸性土壌では、多タングステン酸塩はモリブデン酸アニオンを使用する酵素に影響を与えない可能性があります。しかし、基本的な土壌では、WO ₄ ^2-は、MoO ₄ ^2-と銅の代謝プロセスに（積極的または否定的に）介入します。

たとえば、植物は可溶性のタングステン化合物を吸収することができ、動物がそれらを食べて肉を食べた後、W原子が私たちの体に入ります。ほとんどは尿と糞中に排出され、残りの部分がどうなるかはほとんどわかっていません。

動物実験では、高濃度の粉末タングステンを吸入すると、肺癌と同様の症状が現れることが示されています。

摂取すると、成人の人間は、酵素であるコリンエステラーゼとホスファターゼのかなりの阻害を示すために、タングステン塩が豊富な数千ガロンの水を飲む必要があります。

物理的

一般的に、タングステンは低毒性の元素であるため、健康被害の環境リスクはほとんどありません。

金属タングステンに関しては、その粉塵を吸い込まないようにしてください。また、サンプルが固い場合は、サンプルが非常に密度が高く、落下したり他の表面にぶつけたりすると、物理的な損傷を引き起こす可能性があることに注意してください。

参考文献

1. ベルテレンス。（sf）。タングステン（Wolfram）：特性、製造、用途、合金。バランス。回収元​​：thebalance.com
2. ウィキペディア。（2019）。タングステン。から回復：en.wikipedia.org
3. Lenntech BV（2019）。タングステン。から回復：lenntech.com
4. ジェフデジャルダン。（2017年5月1日）。タングステン、地球上で最も強い天然金属の歴史。回収元​​：visualcapitalist.com
5. ダグ・スチュワート。（2019）。タングステン元素の事実。回収元​​：chemicool.com
6. アートフィッシャーとパムパウエル。（sf）。タングステン。ネバダ大学。回収元​​：unce.unr.edu
7. ヘルメンスティン、アンマリー、Ph.D。 （2019年3月2日）。タングステンまたはウルフラムの事実。から回復：thoughtco.com