TUNGSTÈNE: HISTOIRE, PROPRIÉTÉS, STRUCTURE, UTILISATIONS - CHIMIE - 2024

Le métal lourd tungstène, tungstène ou tungstène est une transition dont le symbole chimique est W. Situé dans la période 6 groupe 6 du tableau périodique, et numéro atomique 74. Son nom a deux significations étymologiques: pierre dure et mousse de loup; La seconde est que ce métal est également connu sous le nom de tungstène.

C'est un métal gris argenté et, bien qu'il soit cassant, il présente une dureté, une densité et des points de fusion et d'ébullition élevés. Par conséquent, il a été utilisé dans toutes les applications qui impliquent des températures, des pressions ou des forces mécaniques élevées, telles que des forets, des projectiles ou des filaments émettant des radiations.

Barre de tungstène avec sa surface partiellement oxydée. Source: Images haute résolution d'éléments chimiques

L'utilisation la plus connue de ce métal, au niveau culturel et populaire, est dans les filaments d'ampoules électriques. Quiconque les a manipulés réalisera à quel point ils sont fragiles; cependant, ils ne sont pas faits de tungstène pur, qui est malléable et ductile. De plus, dans les matrices métalliques telles que les alliages, il offre une excellente résistance et dureté.

Il se caractérise et se distingue par le fait qu'il est le métal ayant le point de fusion le plus élevé et qu'il est également plus dense que le plomb lui-même, surpassé uniquement par d'autres métaux tels que l'osmium et l'iridium. De même, c'est le métal le plus lourd connu pour remplir un rôle biologique dans le corps.

L'anion tungstate, WO ₄ ^2-, participe à la plupart de ses composés ioniques, qui peuvent polymériser pour former des amas en milieu acide. D'autre part, le tungstène peut former des composés intermétalliques, ou être fritté avec des métaux ou des sels inorganiques de sorte que ses solides acquièrent différentes formes ou consistances.

Il n'est pas très abondant dans la croûte terrestre, avec seulement 1,5 gramme de ce métal par tonne. De plus, comme il s'agit d'un élément lourd, son origine est intergalactique; spécifiquement des explosions de supernova, qui ont dû projeter des «jets» d'atomes de tungstène vers notre planète lors de sa formation.

L'histoire

Étymologie

L'histoire du tungstène ou du wolfram a deux visages tout comme leurs noms: l'un suisse et l'autre allemand. Dans les années 1600, dans les régions actuellement occupées par l'Allemagne et l'Autriche, les mineurs travaillaient à l'extraction du cuivre et de l'étain pour produire des bronzes.

À ce moment-là, les mineurs se sont retrouvés avec une épine dans le processus: il y avait un minéral extrêmement difficile à fondre; minéral constitué de wolframite, (Fe, Mn, Mg) WO ₄, qui retenait ou «dévorait» l'étain comme s'il s'agissait d'un loup.

D'où l'étymologie de cet élément, «loup» pour loup en espagnol, un loup qui a mangé de l'étain; et «bélier» de mousse ou de crème, dont les cristaux ressemblaient à une longue fourrure noire. C'est ainsi que le nom de «wolfram» ou «wolfram» est né en l'honneur de ces premières observations.

En 1758, côté suisse, un minéral similaire, la scheelite, CaWO ₄, a été nommé «tung sten», ce qui signifie «pierre dure».

Les deux noms, wolfram et tungstène, sont largement utilisés de manière interchangeable, en fonction uniquement de la culture. En Espagne, par exemple, et en Europe occidentale, ce métal est surtout connu sous le nom de tungstène; tandis que sur le continent américain, le nom de tungstène prédomine.

Reconnaissance et découverte

On savait alors qu'entre les XVIIe et XVIIIe siècles, il y avait deux minéraux: la wolframite et la scheelite. Mais, qui a vu qu'il y avait un métal en eux différent des autres? Ils ne pouvaient être caractérisés que comme des minéraux, et c'est en 1779 que le chimiste irlandais Peter Woulfe analysa soigneusement le tungstène et en déduisit l'existence.

Du côté suisse, encore une fois, Carl Wilhelm Scheele en 1781 a pu isoler le tungstène sous le nom de WO ₃; et plus encore, il a obtenu l'acide tungstique (ou tungstique), H ₂ WO ₄ et d'autres composés.

Cependant, cela ne suffisait pas pour atteindre le métal pur, car il fallait réduire cet acide; c'est-à-dire en le soumettant à un processus tel qu'il se détache de l'oxygène et cristallise sous forme de métal. Carl Wilhelm Scheele ne disposait pas des fours ou de la méthodologie appropriés pour cette réaction de réduction chimique.

C'est ici qu'entrèrent en action les frères espagnols d'Elhuyar, Fausto et Juan José, qui réduisirent les deux minéraux (wolframite et scheelite) avec du charbon, dans la ville de Bergara. Ils ont tous deux le mérite et l'honneur d'être les découvreurs du tungstène métallique (W).

Aciers et ampoules

Toute ampoule avec un filament de tungstène. Source: Pxhere.

Comme d'autres métaux, ses utilisations définissent son histoire. Les alliages acier-tungstène et les filaments de tungstène pour remplacer ceux en carbone à l'intérieur des ampoules électriques étaient parmi les plus importants à la fin du XIXe siècle. On peut dire que les premières ampoules, telles que nous les connaissons, ont été commercialisées en 1903-1904.

Propriétés

Apparence physique

C'est un métal gris argenté brillant. Fragile mais très dur (à ne pas confondre avec la dureté). Si la pièce est d'une grande pureté, elle devient malléable et dure, autant ou plus que plusieurs aciers.

Numéro atomique

74.

Masse molaire

183,85 g / mol.

Point de fusion

3422 ° C

Point d'ébullition

5930 ° C

Densité

19,3 g / mL.

Température de fusion

52,31 kJ / mol.

Chaleur de vaporisation

774 kJ / mol.

Capacité thermique molaire

24,27 kJ / mol.

La dureté de Moh

7.5.

Electronégativité

2,36 sur l'échelle de Pauling.

Radio atomique

139 heures

Résistivité électrique

52,8 nΩ · m à 20 ° C

Les isotopes

Il se produit principalement dans la nature sous forme de cinq isotopes: ¹⁸² W, ¹⁸³ W, ¹⁸⁴ W, ¹⁸⁶ W et ¹⁸⁰ W.Selon la masse molaire de 183 g / mol, qui fait la moyenne des masses atomiques de ces isotopes (et les autres trente radio-isotopes), chaque atome de tungstène ou de tungstène contient environ cent dix neutrons (74 + 110 = 184).

Chimie

C'est un métal très résistant à la corrosion, car sa fine couche de WO _{3 le} protège contre l'attaque de l'oxygène, de l'acide et des alcalis. Une fois dissous et précipités avec d'autres réactifs, on obtient ses sels, appelés tungstates ou wolframates; en eux, le tungstène a généralement un état d'oxydation de +6 (en supposant qu'il y ait des cations W ⁶⁺).

Regroupement acide

Decatungstate, un exemple de polyoxométalates de tungstène. Source: Scifanz

Chimiquement, le tungstène est tout à fait unique parce que ses ions ont tendance à se regrouper pour former des hétéropolyacides ou des polyoxométalates. Qui sont? Ce sont des groupes ou des amas d'atomes qui se réunissent pour définir un corps tridimensionnel; Principalement, un avec une structure en forme de cage sphérique, dans laquelle ils «enferment» un autre atome.

Tout part de l'anion tungstate, WO ₄ ^2-, qui en milieu acide protonate rapidement (HWO ₄ ^-) et se lie à un anion voisin pour former ^2-; et ceci à son tour se joint à un autre ^2- pour créer le ^4-. Ainsi de suite jusqu'à ce qu'il y ait plusieurs politungstats en solution.

Les paratungstates A et B, ^6- et H ₂ W ₁₂ O ₄₂ ^10-, respectivement, sont l'un des plus importants de ces polyanions.

Il peut être difficile de créer votre croquis et vos structures Lewis; mais en principe, il suffit de les visualiser comme des ensembles d'octaèdres WO ₆ (image du haut).

Notez que ces octaèdres grisâtres finissent par définir le decatungstate, un politungstat; Si un hétéroatome (par exemple, du phosphore) contenait en son sein, ce serait alors un polyoxométalate.

Structure et configuration électronique

Phases cristallines

Les atomes de tungstène définissent un cristal avec une structure cubique centrée sur le corps (Bcc). Cette forme cristalline est connue sous le nom de phase α; tandis que la phase β est également cubique, mais un peu plus dense. Les deux phases ou formes cristallines, α et β, peuvent coexister à l'équilibre dans des conditions normales.

Les grains cristallins de la phase α sont isométriques, tandis que ceux de la phase β ressemblent à des colonnes. Quel que soit le cristal, il est régi par les liaisons métalliques qui maintiennent étroitement les atomes W. Sinon, les points de fusion et d'ébullition élevés, ou la dureté et la densité élevées du tungstène, ne pourraient pas être expliqués.

Lien métallique

Les atomes de tungstène doivent être étroitement liés d'une manière ou d'une autre. Pour faire une conjecture, la configuration électronique de ce métal doit d'abord être observée:

4f ¹⁴ 5d ⁴ 6s ²

Les orbitales 5d sont très grandes et floues, ce qui impliquerait qu'entre deux atomes W proches il y a des chevauchements orbitaux effectifs. De plus, les orbitales 6s contribuent aux bandes résultantes, mais dans une moindre mesure. Alors que les orbitales 4f sont "profondément en arrière-plan" et donc leur contribution à la liaison métallique est moindre.

Ceci, la taille des atomes et les grains cristallins, sont les variables qui déterminent la dureté du tungstène et sa densité.

États d'oxydation

Dans le tungstène métallique ou le wolfram, les atomes W ont un état d'oxydation nul (W ⁰). En revenant à la configuration électronique, les orbitales 5d et 6s peuvent être "vidées" d'électrons selon que W est en compagnie d'atomes hautement électronégatifs, tels que l'oxygène ou le fluor.

Lorsque les deux électrons 6s sont perdus, le tungstène a un état d'oxydation +2 (W ²⁺), ce qui provoque la contraction de son atome.

S'il perd également tous les électrons dans ses orbitales 5d, son état d'oxydation deviendra +6 (W ⁶⁺); De là, il ne peut pas devenir plus positif (en théorie), car les orbitales 4f, étant internes, exigeraient de grandes énergies pour éliminer leurs électrons. En d'autres termes, l'état d'oxydation le plus positif est +6, où le tungstène est encore plus petit.

Ce tungstène (VI) est très stable en conditions acides ou dans de nombreux composés oxygénés ou halogénés. Les autres états d'oxydation possibles et positifs sont: +1, +2, +3, +4, +5 et +6.

Le tungstène peut également gagner des électrons s'il se combine avec des atomes moins électronégatifs que lui-même. Dans ce cas, ses atomes deviennent plus gros. Il peut gagner un maximum de quatre électrons; c'est-à-dire avoir un état d'oxydation de -4 (W ^4-).

Obtention

Il a été mentionné précédemment que le tungstène se trouve dans les minéraux wolframite et scheelite. Selon le procédé, deux composés en sont obtenus: l'oxyde de tungstène, WO ₃, ou le paratungstate d'ammonium, (NH ₄) ₁₀ (H ₂ W ₁₂ O ₄₂) 4H ₂ O (ou ATP). L'un ou l'autre peut être réduit en W métallique avec du carbone supérieur à 1050 ° C.

Il n'est pas économiquement rentable de produire des lingots de tungstène, car ils auraient besoin de beaucoup de chaleur (et d'argent) pour les faire fondre. C'est pourquoi on préfère le produire sous forme de poudre pour le traiter à la fois avec d'autres métaux pour obtenir des alliages.

Il est à noter que la Chine est le pays avec la plus grande production de tungstène au monde. Et sur le continent américain, le Canada, la Bolivie et le Brésil occupent également la liste des plus grands producteurs de ce métal.

Applications

Un anneau en carbure de tungstène - un exemple de la façon dont la dureté de ce métal peut être utilisée pour immortaliser et durcir des matériaux. Source: SolitaryAngel (SolitaryAngel)

Voici quelques-unes des utilisations connues de ce métal:

-Ses sels ont été utilisés pour colorer les cotons de la tenue des vieux théâtres.

-Combiné avec de l'acier, il le durcit encore plus, pouvant même résister aux coupures mécaniques à haute vitesse.

-Les filaments de tungstène fritté sont utilisés depuis plus de cent ans dans les ampoules électriques et les lampes halogènes. De plus, en raison de son point de fusion élevé, il a servi de matériau pour les tubes à rayons cathodiques et pour les buses des moteurs-fusées.

-Remplace le plomb dans la fabrication de projectiles et de boucliers radioactifs.

-Les nanofils de tungstène peuvent être utilisés dans les nanodispositifs sensibles au pH et aux gaz.

-Des catalyseurs au tungstène ont été utilisés pour traiter la production de soufre dans l'industrie pétrolière.

-Le carbure de tungstène est le plus largement utilisé de tous ses composés. Du renforcement des outils de coupe et de forage, ou de la fabrication de pièces d'armement militaire, à l'usinage du bois, des plastiques et de la céramique.

Risques et précautions

Biologique

Étant un métal relativement rare dans la croûte terrestre, ses effets négatifs sont rares. Dans les sols acides, les polyungstates peuvent ne pas affecter les enzymes qui utilisent des anions molybdate; mais dans les sols basiques, le WO ₄ ^2- intervient (positivement ou négativement) dans les processus métaboliques du MoO ₄ ^2- et du cuivre.

Les plantes, par exemple, peuvent absorber des composés de tungstène solubles, et lorsqu'un animal les mange, puis après avoir consommé sa viande, les atomes W pénètrent dans notre corps. La plupart sont expulsés dans l'urine et les excréments, et on sait peu de choses sur ce qui arrive aux autres.

Des études animales ont montré que lorsqu'ils inhalent de fortes concentrations de tungstène en poudre, ils développent des symptômes similaires à ceux du cancer du poumon.

Par ingestion, un humain adulte aurait besoin de boire des milliers de gallons d'eau enrichie en sels de tungstène pour montrer une inhibition appréciable des enzymes cholinestérase et phosphatase.

Physique

En termes généraux, le tungstène est un élément faiblement toxique et il existe donc peu de risques environnementaux de dommages pour la santé.

Concernant le tungstène métallique, évitez de respirer sa poussière; et si l'échantillon est solide, il faut garder à l'esprit qu'il est très dense et qu'il peut causer des dommages physiques s'il tombe ou heurte d'autres surfaces.

Références

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