Wolfram là gì? 

Vonfram (còn gọi là Wolfram hay Tungsten) là một nguyên tố hóa học; ký hiệu W (từ tiếng Đức: Wolfram). Số nguyên tử của nó là 74. Nó là một kim loại được tìm thấy tự nhiên trên Trái Đất hầu như chỉ ở dạng hợp chất với các nguyên tố khác. Nó được xác định là một nguyên tố riêng biệt vào năm 1781 và lần đầu tiên được phân lập dưới dạng kim loại vào năm 1783. Các quặng quan trọng của nó bao gồm scheelite và wolframit, chính wolframit đã mang lại cho nguyên tố này tên gọi khác.

Vonfram xuất hiện trong nhiều hợp kim, có nhiều ứng dụng, bao gồm dây tóc bóng đèn sợi đốt, ống tia X, điện cực trong hàn hồ quang khí vonfram, siêu hợp kim và che chắn bức xạ.

Độ cứng và mật độ cao của vonfram khiến nó phù hợp cho các ứng dụng quân sự trong việc chế tạo đạn xuyên giáp. Các hợp chất vonfram thường được sử dụng làm chất xúc tác công nghiệp.

Ứng dụng lớn nhất của nó là trong cacbua vonfram, một vật liệu chống mài mòn được sử dụng trong gia công kim loại, khai thác mỏ và xây dựng. Khoảng 50% vonfram được sử dụng trong cacbua vonfram, phần lớn còn lại được sử dụng trong hợp kim và thép: dưới 10% được sử dụng trong các hợp chất khác.

Bảng thông tin nguyên tố Wolfram (W)

Tính chất chung 

Wolfram trong bảng tuần hoàn

Tính chất vật lý

Áp suất hơi

Tính chất nguyên tử

Thông tin khác

Lịch sử

Đồng vị của Wolfram

Đặc điểm

Tính chất vật lý

Ở dạng thô, vonfram là kim loại có màu xám thép, rất cứng và thường giòn nên khó gia công. Khi được tinh chế thành dạng đơn tinh thể, vonfram vẫn giữ độ cứng cao (vượt qua nhiều loại thép), nhưng trở nên dẻo hơn và có thể dễ dàng gia công. Vonfram có thể được rèn, kéo hoặc đùn, nhưng thường được tạo hình bằng phương pháp thiêu kết. Thiêu kết được sử dụng phổ biến do nhiệt độ nóng chảy cực kỳ cao của vonfram.

Trong số các kim loại tinh khiết, vonfram có nhiệt độ nóng chảy cao nhất (3.422 °C, 6.192 °F), áp suất hơi thấp nhất (trên 1.650 °C, 3.000 °F), và độ bền kéo cao nhất.

Đồng vị

Vonfram trong tự nhiên gồm bốn đồng vị bền (182W, 183W, 184W và 186W) và một đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã rất dài, 180W.
Về lý thuyết, cả năm đồng vị này đều có thể phân rã α thành các đồng vị của nguyên tố 72 (hafni), nhưng chỉ có 180W được quan sát thấy phân rã, với chu kỳ bán rã (1,8±0,2)×10^18 năm; trung bình khoảng hai phân rã alpha của 180W trên mỗi gam vonfram tự nhiên mỗi năm.
Tốc độ này tương đương với hoạt độ phóng xạ khoảng 63 micro-becquerel trên mỗi kg.

Tính chất hóa học

Vonfram là nguyên tố hầu như không phản ứng: không phản ứng với nước, không bị tấn công bởi hầu hết axit và bazơ, và không phản ứng với oxy hay không khí ở nhiệt độ phòng.
Ở nhiệt độ cao (khi đỏ nóng), vonfram phản ứng với oxy tạo thành trioxide vonfram(VI), WO₃.

Vonfram sẽ phản ứng trực tiếp với fluor (F₂) ở nhiệt độ phòng tạo ra vonfram(VI) fluoride (WF₆), một khí không màu. Ở khoảng 250 °C, vonfram phản ứng với clo hoặc brom, và trong điều kiện nóng nhất định cũng phản ứng với iod. Vonfram dạng bột mịn có tính tự bốc cháy.

Phân bố trong tự nhiên

Vonfram chưa từng được tìm thấy trong tự nhiên ở dạng nguyên tố tự do. Thay vào đó, nó chủ yếu tồn tại trong khoáng vật wolframit và scheelit.

• Wolframit là wolframat sắt–mangan (Fe,Mn)WO₄, dung dịch rắn giữa ferberit (FeWO₄) và hübnerit (MnWO₄).
• Scheelit là canxi wolframat (CaWO₄).
  

Các khoáng vật chứa vonfram khác có mức độ phong phú thấp và hầu như không có giá trị kinh tế.

Hợp chất hóa học

Vonfram tạo hợp chất ở nhiều trạng thái oxy hóa, từ −2 đến +6.

• Các trạng thái oxy hóa cao (thường dạng oxit) liên quan đến sự phân bố của nó trong tự nhiên và vai trò sinh học.
• Trạng thái oxy hóa trung bình thường gặp trong các cụm kim loại.
• Trạng thái rất thấp liên quan đến các phức CO.
  

Hóa học của vonfram và molypden tương đồng mạnh, nhưng cũng có những điểm khác biệt với nguyên tố cùng nhóm nhẹ hơn.

Ví dụ, vonfram(III) khá hiếm so với sự phổ biến của crom(III). Trạng thái oxy hóa cao nhất là ở oxide vonfram(VI) (WO₃); chất này tan trong dung dịch kiềm tạo tungstate (WO₄²⁻), và sẽ ngưng tụ ở pH thấp tạo polyoxotungstate.

Một số chloride của vonfram:

• Vonfram(II) chloride: W₆Cl₁₂ (dạng hexamer)
• Vonfram(III) chloride: W₆Cl₁₈ (dạng hexamer)
• Vonfram(IV) chloride: WCl₄ (chất rắn màu đen, cấu trúc polyme)
• Vonfram(V) chloride: WCl₅ (chất rắn màu đen, dạng dimer)
• Vonfram(VI) chloride: WCl₆ (ổn định hơn MoCl₆)
  

Nhiều hợp chất hữu cơ–vonfram tồn tại, đáng chú ý như W(CH₃)₆ (lăng trụ tam giác) và W(CO)₆ (bát diện).

Sản xuất

Trữ lượng

Trữ lượng vonfram toàn cầu khoảng 3.200.000 tấn; tập trung chủ yếu ở:

• Trung Quốc: 1.800.000 t
• Canada: 290.000 t
• Nga: 160.000 t
• Việt Nam: 95.000 t
• Bolivia: (không nêu rõ)
  

Đến năm 2017, ba nước sản xuất hàng đầu là Trung Quốc (79.000 t), Việt Nam (7.200 t) và Nga (3.100 t).
Canada dừng sản xuất từ năm 2015 do mỏ vonfram duy nhất đóng cửa. Việt Nam tăng mạnh sản lượng trong thập niên 2010 nhờ tối ưu hóa công nghệ tinh luyện, vượt cả Nga và Bolivia.

Khai thác

Vonfram được tách từ quặng qua nhiều giai đoạn. Cuối cùng, quặng được chuyển thành oxit vonfram(VI) (WO₃), rồi được nung với hydro hoặc carbon tạo thành vonfram dạng bột.
Do nhiệt độ nóng chảy cực cao, không thể đúc thỏi vonfram thương mại. Thay vào đó, bột vonfram được trộn với bột niken hoặc kim loại khác rồi thiêu kết, trong đó niken khuếch tán vào vonfram tạo hợp kim.

Ứng dụng của Wolfram (Tungsten)

Công nghiệp

Vonfram chủ yếu được dùng sản xuất vật liệu cứng dựa trên tungsten carbide (WC), một trong những carbide cứng nhất. WC dẫn điện tốt; W₂C dẫn điện kém hơn.
WC được dùng làm mài mòn chống mòn và làm công cụ cắt như dao, mũi khoan, lưỡi cưa, khuôn… trong ngành cơ khí, gỗ, khai khoáng, dầu khí và xây dựng.

Hợp kim

Độ cứng và khả năng chịu nhiệt của vonfram làm nó trở thành thành phần hữu ích trong hợp kim, ví dụ thép gió chứa tới 18% W.
Nhiệt độ nóng chảy cao khiến vonfram thích hợp cho các ứng dụng như vòi phun tên lửa — ví dụ trong tên lửa UGM-27 Polaris.

Nam châm vĩnh cửu

Thép vonfram tôi (martensitic) với 5,5–7,0% W và 0,5–0,7% C từng được dùng để làm nam châm vĩnh cửu nhờ độ từ dư và lực kháng từ cao (Hopkinson, 1886). Tính từ của kim loại/hợp kim rất nhạy với vi cấu trúc.

Quân sự

Vonfram thường được hợp kim với niken, sắt hoặc cobalt để làm đạn xuyên giáp thay thế uranium nghèo; cũng được dùng trong đạn cỡ nhỏ, pháo, lựu đạn, tên lửa để tạo mảnh siêu thanh.

Ứng dụng hóa học

Tungsten(IV) sulfide là chất bôi trơn chịu nhiệt cao và thành phần trong xúc tác giải lưu huỳnh hóa. Tuy nhiên MoS₂ phổ biến hơn.

Ứng dụng đặc thù

Nhờ mật độ rất cao, vonfram được dùng làm:

• Đối trọng, quả nặng
• Sống chìm tàu buồm
  
• Đối trọng đuôi máy bay thương mại
• Đối trọng rotor trực thăng
• Ballast cho xe đua NASCAR
  

Thay thế vàng

Do mật độ gần giống vàng, vonfram được dùng trong trang sức thay thế vàng/platin.
Kim loại vonfram không gây dị ứng và cứng hơn hợp kim vàng (dù kém carbide vonfram), phù hợp làm nhẫn chống trầy, nhất là bề mặt mờ.

Điện tử

Nhờ giữ được độ bền ở nhiệt độ cao và có nhiệt độ nóng chảy lớn, vonfram được dùng trong:

• Dây tóc bóng đèn sợi đốt
• Ống tia âm cực (CRT)
• Ống chân không
• Điện trở đốt nóng
• Vòi phun động cơ tên lửa
• Hàn TIG
  

Dây nano 

Thông qua các quy trình vi chế tạo từ trên xuống, dây nano vonfram đã được tạo ra và nghiên cứu từ năm 2002.

Do tỉ lệ diện tích bề mặt/thể tích rất lớn, lớp oxide bề mặt và tính đơn tinh thể, tính chất cơ học của chúng khác biệt đáng kể so với vonfram khối.

Dây nano vonfram có ứng dụng tiềm năng trong nanoelectronics, đặc biệt làm cảm biến pH và cảm biến khí.