Wolfram (W) – właściwości, działanie i występowanie wolframu

Wolfram (W) przeciętnemu człowiekowi kojarzy się przede wszystkim z żarówką. Faktycznie, jest to jedno z najpopularniejszych zastosowań wyjątkowego metalu, ale zdecydowanie nie jedyne. Co ciekawe, sama nazwa pierwiastka jest kontrowersyjna i wywołuje międzynarodowe dysputy – obecnie w większości krajów zachodnich stosuje się już alternatywną nazwę „tungsten”, którą paradoksalnie używano w Polsce dawniej dla określenia wolframu.

1. Historia wolframu
2. Właściwości wolframu – jakie związki tworzy?
3. Występowanie i wydobycie wolframu
4. Zastosowania wolframu
5. Wpływ wolframu na zdrowie
6. Wolfram a ekologia

Językoznawcy zauważą na pewno podobieństwo słowa „wolfram” do niemieckiego określenia wilka („wolf”). Zbieżność ta nie jest bynajmniej przypadkowa – dawni europejscy górnicy zauważyli bowiem, że obecność pewnego minerału w złożach cyny, znacznie redukuje uzysk z wytapiania rudy. Nazwali go więc „pianą wilka”, czyli wolframitem, odnosząc się do faktu, że pożera on cynę jak wilk owieczki. Nie wiedzieli jednak wcale dlaczego tak się dzieje, ani z czego składa się pazerny minerał…

Historia wolframu

Historycy uważają, że ludzie stosowali wolfram, zanim go jeszcze poznali i identyfikowali. Już ponad trzy wieki temu Chińczycy wykorzystywali bowiem pozyskany ze skał różowawy proszek jako pigment do barwienia porcelany. Dopiero jednak w 1779 r. irlandzki chemik Peter Woulfe analizując minerały przywiezione ze Szwecji wysunął sugestię, że skała zwana wolframitem może zawierać nowy typ metalu. Dwa lata później Carl Wilhelm Scheele podążył tym samym tropem i ogrzewając wolframian wapnia otrzymał jako pierwszy tlenek wolframu – niestety, nie umiał on pierwiastka wyizolować i stąd nie doczekał się zaszczytnego miana odkrywcy. Na jego cześć nazwano jednak wspomniany wyżej minerał, szelit, będący w istocie solą kwasu wolframowego.

Dopiero w 1783 r. dwaj hiszpańscy bracia, Juan José oraz Fausto Elhuyar, zdołali pozyskany z wolframitu tlenek zredukować, ogrzewając go w obecności węgla, i tym samym otrzymali czysty wolfram. Z upływem czasu w krajach anglojęzycznych i francuskojęzycznych popularność zaczęła jednak zdobywać nazwa „tungsten”, będąca dawnym określenie szelitu, i oznaczająca po szwedzku dosłownie „ciężki kamień”. Obecnie obie nazwy stosowane są zamiennie, chociaż w 2005 r. Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej w ramach unifikacji układu pierwiastków oficjalnie zrezygnowała z użycia słowa „wolfram”.

Na początku XX w. wolfram nabrał tymczasem strategicznego znaczenia, w miarę jak ewidentny stał się jego potencjał w kontekście przemysłu zbrojeniowego. W efekcie, Portugalia, posiadająca bogate złoża „wilczego” metalu, stała się podczas II Wojny Światowej obiektem nacisku zarówno ze strony Aliantów, jak i sojuszników Hitlera.

Właściwości wolframu – jakie związki tworzy?

Wolfram jest ogniotrwałym metalem sklasyfikowanym w układzie okresowym pierwiastków na pozycji 74, w grupie VIb. Odznacza się niklowym kolorem o ciemnoszarym połysku. Mało kto przy tym wie, że jest jednym z najtwardszych i najwytrzymalszych materiałów na naszej planecie. Ma najwyższą temperaturę topnienia (3422 stopni C) i największą wytrzymałość na rozciąganie ze wszystkich znanych pierwiastków, a przy tym jest wyjątkowo odporny na korozję oraz działanie zasad, wody królewskiej i kwasów (za wyjątkiem skondensowanej mieszanki kwasu azotowego oraz fluorowodorowego).

W wysokich temperaturach wolfram utlenia się w powietrzu tworząc trójtlenki, zaś w pokojowych warunkach łatwo reaguje z węglem, dając węglik wolframu będący najszerzej wykorzystywanym związkiem wolframu, oraz z fluorem, tworząc heksafluorki.  Ponadto w wysokich temperaturach wolfram tworzy związki przy bezpośrednim kontakcie z borem, azotem i krzemem, dając substancje o niezwykle wysokiej wytrzymałości oraz ognioodporności.

Paradoksalnie, w niespotykanym w przyrodzie, idealnym stanie czystości daje się dość łatwo piłować, wyciągać i kuć – to jego związki z innymi atomami wykazują ową legendarną trwałość i kruchość. W naturalnej postaci wolfram jest mieszanką pięciu stabilnych izotopów, przede wszystkim W-184, W-186 i W-182. Ponadto opisano już ponad 30 sztucznych, radioaktywnych izotopów wolframu, spośród których najbardziej stabilny, W-181, charakteryzuje się czasem połowicznego rozpadu na poziomie 121.2 dni. Po rozpadzie zmieniają się one w izotopy hafnu (Hf).

Występowanie i wydobycie wolframu

W skorupie ziemskiej wolfram obecny jest w stężeniu 1.5 ppm, co oznacza, że na 1 tonę skały przypada 1.5 g wolframu. Jest to proporcja porównywalna z występowaniem molibdenu lub cyny – uranu jest już z kolei dwa razy więcej. Wolfram nigdy nie występuje jednak jako metal w czystej postaci, ale tworzy minerały. Najlepszymi jego źródłami są złoża szelitu (CaWO4), stolzytu (PbWO4) i wolframitu (FeWO4 lub MnWO4). Po wydobyciu ruda jest kondensowana metodą mechaniczną i magnetyczną, a następnie poddawana działaniu zasad. Otrzymany surowiec jest ługowany w wodzie, dając roztwór sodowo-wolframowy, z którego z kolei izoluje się trójtlenek wolframu, suszony, a dalej redukowany wodorem do postaci czystego metalu.

Największym producentem są Chiny - nie tylko rocznie wydobywają nawet 80% globalnej produkcji tungstenu, ale szacuje się, że na ich terytorium znajduje się aż 2/3 światowych zasobów. Inne kraje zajmujące się wydobyciem wolframu to Wietnam, Rosja, Kanada i Boliwia.

Zastosowania wolframu

Jak wspomniano we wstępie, klasycznym wykorzystaniem czystego wolframu jest produkcja żarników, czyli cienkich drucików umieszczanych w bańce żarówki. Gdy przepuści się przez nie energię elektryczną, żarniki rozgrzewają się i emitują światło. Ze względów ekonomicznych i ekologicznych żarówki wolframowe zastępowane są jednak coraz powszechniej przez technologię LED. Cienkie druciki wolframowe nadal znajdują jednak zastosowanie w elektronice, gdzie dodatkowo wykorzystuje się zwykle domieszkę toru (Th) lub cyrkonu (Zr) dla zwiększenia poziomu emisji elektronów. Ze srebrem lub miedzią tungsten tworzy także bardzo efektywne wsparcie dla półprzewodników i używany jest do wyrobu gniazdek elektrycznych.

Ponadto wolfram jest dość szeroko wykorzystywany w metalurgii. Dodaje się go do stali, aby zwiększyć jest twardość i odporność. Ze wspomnianego wyżej węglika wolframu (9.5 w dziesięciostopniowej skali twardości minerałów Mohsa) produkuje się wyjątkowo trwałe narzędzia (m.in. piły i wiertła) i mierniki. Ciekawym zastosowaniem jest także wyrób gardzieli wylotowych w silnikach rakietowych oraz powierzchni statków kosmicznych najbardziej narażonych podczas ponownego wejścia w atmosferę. W przemyśle zbrojeniowym wolfram jest cennym elementem pocisków przeciwpancernych i innego typu amunicji.

Wreszcie, brązy wolframowe są dobrym substytutem dla prawdziwego brązu i stosuje się przy wyrobie dekoracyjnych farb, podobnie zresztą jak wolframian sodu, dający wysokiej jakości, światłoodporny pigment. Natomiast związki wolframu z wapniem i magnezem znajdują zastosowanie w fluorescencyjnych światłach.

Wpływ wolframu na zdrowie

Statystyczny człowiek ma małe szanse zetknąć się w trakcie swego życia z czystym wolframem – jego ilości w wodzie, glebie i pożywieni są faktycznie minimalne. Przez długi czas uważano więc, że nie stwarza on poważnego zagrożenia dla zdrowia ludzi i zwierząt. Niestety, od początku XXI intensyfikują się doniesienia, sugerujące, że wszechobecność wolframu w stopach z innymi metalami może mieć negatywne skutki dla organizmu. Odłamki amunicji pozostające w tkankach przez dłuższy czas mogą wręcz działać rakotwórczo, zaś pracownicy przemysłu metalurgicznego narażeni na regularny kontakt z większymi ilościami wolframu podlegają zwiększonemu ryzyku rozwoju choroby płuc (zwłóknienia), kontaktowych zapaleń skóry oraz zaburzeń neurologicznych. Bardzo rzadko obserwuje się natomiast nagłe zatrucie wolframem – pojedyncze przypadki zanotowano u żołnierzy francuskich praktykujących niemądrą tradycję picia trunków, którymi przepłukuje się lufę świeżo po wystrzale. Konsekwencje mogą pojawić się już po 15 minutach i obejmują mdłości, drgawki, śpiączkę, a później również niewydolność nerek.

Wolfram a ekologia

Wpływ rosnącego wykorzystania wolframu na środowisko naturalne nie jest jeszcze w pełni poznany. Wiemy, że niektóre bakterie wykorzystują go jako katalizator w reakcjach enzymatycznych. Z drugiej strony jednak, zwiększony poziom wolframu w glebie upośledza zdolności dżdżownic do rozmnażania. Przenikanie jonów wolframu z przemysłu do przyrody jest więc potencjalnym ryzykiem, ale na dzień dzisiejszy nie da się go w pełni skwantyfikować. Metaanaliza przeprowadzona w 2018 r. przez zespół włoskich naukowców sugeruje, że potencjalne negatywne skutki zwiększonej obecności tungstenu w zindustrializowanym świecie wymagają na pewno bliższego monitoringu i międzynarodowej uwagi.

Bibliografia