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鎢（元素周期表中第二長周期元素）

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鎢

元素周期表中第二長周期元素

鎢（Tungsten），一種化學元素，其化學符號為W，原子序數(shù)為74，屬于金屬元素，是鋼灰色至白色金屬，體心立方結(jié)構(gòu)，單質(zhì)鎢性質(zhì)穩(wěn)定，自然界中鎢主要以+6價出現(xiàn)，是一種高密度、高熔點、高硬度的金屬材料，具有耐腐蝕、強射線吸收能力、強度高等優(yōu)點，可以與鹵素、非金屬元素（C、N、O等）、酸（王水）反應，在醫(yī)療、軍工、電力電子領(lǐng)域具有廣泛的應用。

基本信息

中文名

鎢

英文名

Tungsten

拼音

wū

元素符號

原子序數(shù)

原子質(zhì)量

183.84

元素類別

金屬元素

族

ⅥB

周期

六

區(qū)

電子排布

[Xe]4f1?5d?6s2

CAS編號

7440-33-7

物理性質(zhì)

物態(tài)

鋼灰色至白色金屬

密度

19.3g/cm3

熔點

3410°C

沸點

5900°C（101.325kPa）

熔化熱

35.3kJ/mol

汽化熱

806.7kJ/mol

比熱容

24.27J/mol·K

原子性質(zhì)

氧化態(tài)

電負性

2.36（鮑林標度）

原子半徑

141pm

發(fā)現(xiàn)歷史

鎢于17世紀首次出現(xiàn)在大眾的視野當中，并因其在錫石的還原過程中起到干擾因素而得到“wolfrahm”的綽號。

1758年，瑞典礦物學家、化學家克朗斯泰特發(fā)現(xiàn)一種新礦物，認為其中一定包含了一種未知元素待發(fā)現(xiàn)，并以“tungsten”為該礦物命名，中文可譯為重石。

1781年，瑞典化學家卡爾·威廉·舍勒（Carl Wilhelm Scheele）發(fā)現(xiàn)白鎢礦。他從白鎢礦中提取出鎢酸，并認為可將鎢酸進行還原從而得到一種新的金屬。

1783年，在卡爾·威廉·舍勒的帶領(lǐng)下，來自西班牙的化學家浮士圖·德盧亞爾（Fausto de Elhuyar）與胡塞·德盧亞爾（Juan José Elhuyar）從黑鎢礦中也提取出鎢酸，并以碳作為還原劑將三氧化鎢還原，第一次得到鎢粉，并以“Tungsten”為其命名。

分布情況

鎢，主要存在于黑鎢礦、鎢錳鐵礦、白鎢礦、鎢錳礦和鎢鐵礦五類礦石中。

鎢礦資源在全球的分布不均勻，集中分布在奧地利、葡萄牙、中國、加拿大、美國、俄羅斯、玻利維亞等。截止2011年年底，全球已探明鎢資源儲量總計約310萬噸，其中中國作為鎢資源儲量最豐富的國家，鎢儲量為190萬噸，約占世界鎢資源儲量的61.29%；俄羅斯作為鎢資源儲量世界排名第二的國家，鎢儲量為25萬噸，約占世界鎢資源儲量的8.07%；美國的鎢資源儲量為14萬噸，約占世界鎢資源儲量的4.52%；加拿大的鎢資源儲量為12萬噸，約占世界鎢資源儲量的3.34%。

中國作為鎢資源儲量、產(chǎn)量、消費量和出口量均世界第一的國家，鎢礦資源主要分布在云南、湖南、河南、新疆、江西、浙江、廣西等23個省（區(qū)），其中，河南、江西和湖南擁有最為豐富的鎢資源，隨著近些年對鎢礦的過度開發(fā)，中國的鎢資源出現(xiàn)資源保障度不足的情況，需依賴進口。但隨著探測技術(shù)的不斷精進與企業(yè)資金的不斷投入，探明的鎢礦資源量有了快速增長。

物質(zhì)結(jié)構(gòu)

鎢屬于體心立方點陣，點陣常數(shù)0.31652nm，原子半徑0.13706nm，具有α型和β型兩種變型。在常壓和標準溫度下是α型，為體心立方結(jié)構(gòu)；僅有630℃以下的有氧環(huán)境下是β型，β型鎢中的鎢原子屬于兩套等效點系，每個晶胞含有兩個W?和六個W?，晶體結(jié)構(gòu)空間群為Pm3n。

理化性質(zhì)

物理性質(zhì)

鎢，體心立方結(jié)構(gòu)，鋼灰色至白色金屬，是難熔金屬中的典型，具有高熔點、高密度、高彈性模量、高強度、高硬度、高抗高溫蠕變性能、低蒸氣壓、低膨脹系數(shù)、耐腐蝕、導熱與導電性能好和電子發(fā)射能力強等特點。

化學性質(zhì)

化學性質(zhì)概述

單質(zhì)鎢性質(zhì)穩(wěn)定，電子排布為4f1?5d?6s2，所有5d和6s電子均可參與鍵合，存在-2、-1、0、+2、+3、+4、+5、+6多種價態(tài)，但在自然界中鎢主要以+6價出現(xiàn)在化合物中。地殼中的鎢以+6 和+4兩種價態(tài)存在，大多以[WO?2]?形式存在，基性巖漿中的鎢以+4價存在。

W??具有極化能力強、離子半徑小等特點，易形成絡陰離子[WO?2]?，[WO?]2?與Fe2?、Ca2?和Mn2?等離子結(jié)合形成沉淀。自然界中鎢主要以獨立礦物（黑鎢礦、白鎢礦、鎢華類礦物等）、類質(zhì)同象進入副礦物與造巖礦物（鎢濃度低的情況下）、鎢酸或其他絡合物狀態(tài)（水、巖漿、粒間流體）、離子吸附狀態(tài)（表生的細屑、膠體）存在。

與非金屬元素反應

鎢可與鹵素、N?、O?、C等非金屬元素發(fā)生反應。在室溫條件下，鎢可與F?發(fā)生反應；在250℃的條件下，鎢可與Cl?發(fā)生反應；在紅熱情況下，鎢與Br?和I?發(fā)生反應；在高溫條件下，鎢與C反應，生成WC與W?C；在1200~1500℃之間，鎢與N?發(fā)生反應，生成WN?；在400℃時，鎢與O?發(fā)生反應，生成WO?；鎢與S不發(fā)生反應。

與水反應

鎢在700℃的條件下還能與水發(fā)生反應。

與酸反應

鎢不與稀、濃、冷、熱的鹽酸、硫酸和硝酸發(fā)生反應，只能與“王水”或HF、HNO?的混合溶液發(fā)生反應。

與有機物反應

鎢在高溫條件下可與甲烷、乙炔、碘甲烷等有機物發(fā)生反應。

與鹽反應

鎢在不同條件下可與碳酸鈉、氯化鐵等鹽發(fā)生反應。

制備方法

鎢精礦分解

鎢可通過從鎢精礦（白鎢精礦和黑鎢精礦）中分解獲得。

用鹽酸浸泡白鎢精礦使其分解，過濾，保留沉淀，沉淀為粗鎢酸。濾液用碳酸鈉進行壓煮，得到鎢酸鈉溶液，再加入氯化鈣，產(chǎn)生沉淀，沉淀為人造白鎢。對人造白鎢再次使用鹽酸進行分解，沉淀與第一步所得沉淀合并，用氨水溶解，再蒸發(fā)結(jié)晶，得到仲鎢酸銨。對仲鎢酸銨進行干燥與煅燒，得到化學純?nèi)趸u，再用氫還原，得到鎢粉。以鎢粉為原料，通過成型、燒結(jié)和熔煉可得到鎢條與鎢錠。

從黑鎢精礦獲得鎢錠與鎢條，首先用氫氧化鈉溶液浸泡黑鎢精礦，并用碳酸鈉燒結(jié)、浸出，得到鎢酸鈉溶液，再加入氯化鈣，產(chǎn)生沉淀，沉淀為人造白鎢。后續(xù)步驟與白鎢精礦分解得到鎢步驟一致，最終也得到鎢條與鎢錠。

純化方法

鎢還可通過還原法、電解法、萃取法等方式獲得。還原法是使用氫氣還原氧化鎢、氯化鎢，最終獲得超細鎢粉的反應，常在工業(yè)中使用。電解法是通過電解冶金法進行提純，可除去鐵、鉬等電活性低于鎢的雜質(zhì)，還可通過將電活性高于鎢的雜質(zhì)留在熔體內(nèi)除去，具有較高的選擇性。萃取法是使用中和法從（NH?）?WO?中得到仲鎢酸銨的過程中產(chǎn)生的含較多鎢的母液，對母液進行萃取可回收鎢。通過向母液中加入燒堿進行轉(zhuǎn)化和濃縮，得到鎢酸鈉溶液，再制得WO?。

應用領(lǐng)域

鎢合金

鎢可與其他金屬按一定比例混合制成合金，所制成的合金具有更低的膨脹系數(shù)、合適的強度、延展性與良好的機械加工性。如鎢-鉑合金具有良好的機械性能，鎢-鋅合金具有優(yōu)良的低溫延展性和高溫強度，被廣泛應用于核反應堆的管道系統(tǒng)、宇宙飛船的建造、真空爐、氫氣爐等。

醫(yī)學領(lǐng)域

鎢可用于CT（Computed tomography），即 X 射線計算機斷層成像儀器的制造。由于鎢具有良好的抗射線穿透能力，且可以保證較薄的尺寸，故被用于制作CT機的探測器和準直器。其中探測器可分為固定探測器和氣體探測器兩種，主要作用均為將通過人體組織后的X射線信號轉(zhuǎn)化為電信號。其中，氣體探測器利用氙氣電離的原理，當X射線進入高壓氙氣腔后，氙氣發(fā)生電離，正離子移向負極，而負離子被鎢器件吸收，產(chǎn)生信號電流，電流的大小與入射的X射線強度成正比，可直接反映檢測器對X射線的吸收量。

半導體領(lǐng)域

傳統(tǒng)的ULSI（超大規(guī)模集成電路）由Al、Cu、Ag等金屬制成，但由于Al、Cu、Ag等金屬會通過擴散作用與介質(zhì)層中的Si或SiO?形成金屬硅化物，阻礙電子的通過，使得半導體內(nèi)連線中的電流密度大幅下降。通過添加鎢制成合金的阻擋層，可有效地阻擋Al、Cu、Ag等金屬原子的擴散，從而改善半導體電流密度降低的問題。同時，鎢還可用于半導體內(nèi)金屬層間通孔和垂直接觸的接觸孔的填充物。

軍事領(lǐng)域

鎢由于具有密度大、塑性好、在形成射流過程中不易氣化等特點可用于制造藥型罩，以此來提供強大的破甲能力。可通過化學氣相沉積法和粉末燒結(jié)鍛造車削加工工藝來制造純鎢藥型罩。

此外鎢還可用于制造復合藥型罩。鎢與銅的復合材料具有高強度、高硬度、高耐電弧侵蝕性等優(yōu)勢，以此復合材料制成的復合藥型罩具有較高的密度與機械強度，破甲能力也遠高于單一材料制成的藥型罩。

微電子領(lǐng)域

鎢由于自身獨特的納米結(jié)構(gòu)，可制成鎢納米線，用于提高微電子和顯微技術(shù)。如，直徑在亞微米級的鎢尖可用于制作成顯微鏡探針；直徑在幾個到幾十個微米間的鎢尖可用于制作成在大規(guī)模集成電路板上打孔的微鉆；直徑在100nm左右的鎢尖可用于冷場發(fā)射器。

安全事宜

環(huán)境安全

毒性特征

對動物的毒性特征

鎢可通過直接攝入等多種途徑由自然界向動物體內(nèi)進行轉(zhuǎn)移并不斷累積，最終影響動物體的生長和發(fā)育過程。科學家以蝸牛、蚯蚓為實驗體，探究了鎢在生物體內(nèi)的遷移路徑、累積特點和對生物體的影響，得出食物是生物體富集鎢的重要渠道，且與重金屬的鉛相比，鎢對生物的影響小于鉛，但在生物體的繁殖過程中仍有較強的毒性，在濃度達到859mg·kg?1時會直接毒害生物體個體。此外，氧化鎢、鎢合金和鎢酸鹽對動物的毒性也具有較大差異。鎢酸鹽對動物的毒性體現(xiàn)在氧化應激等方面。科學家以小白鼠為實驗體，探究鎢酸鹽對動物的毒性，得到小鼠口服鎢酸鈉后B淋巴細胞發(fā)育受到干擾，進而造成骨骼內(nèi)DNA損傷，同時鎢主要富集在骨骼和脾臟之中。科學家以孔雀魚為實驗體，發(fā)現(xiàn)多聚鎢酸鹽的毒性強于鎢酸鹽。鎢合金對動物的毒性則體現(xiàn)在遺傳毒性、生理代謝和肺部炎癥等方面。

對植物的毒性特征

鎢對植物的毒性特征主要體現(xiàn)在抑制生長代謝、阻礙幼苗生長、導致植物體細胞程序性死亡、導致植物體各部位生物量減少等方面。科學家們研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的鎢（1~10mg/Kg）可一定程度的加速植物（西蘭花、小麥、牧草等）生長，但高濃度的鎢（100mg/Kg）會使植物體內(nèi)的酶活性增強，誘導產(chǎn)生木質(zhì)素，進而降低幼苗的生長，同時還會阻礙植物體的碳代謝途徑，影響植物體芽和根的生長。超高濃度的鎢因抑制氮素的同化作用，甚至會直接引起植物體的死亡。

對微生物的毒性特征

鎢可替換固氮類微生物體內(nèi)固氮酶中的鋁，從而干擾固氮類微生物的生長與發(fā)育。經(jīng)研究，科學家們認為鎢對微生物的影響可能是通過調(diào)控某些應激基因的表達而實現(xiàn)，而不同微生物種類、土壤性質(zhì)以及鎢形態(tài)均可能使鎢的毒性產(chǎn)生較大差異。

污染防治

土壤修復

土壤修復主要采取電動修復法、生物修復法和化學鈍化法三種。

電動修復法是通過電極直接將直流電通入被污染的土壤當中，再將污染物遷移至電極最終被去除。但由于被污染的土壤中常在含有鎢的情況下有其他的陰、陽離子污染物，在將污染物遷移至電極后較難進行下一步分離有價金屬的過程。

生物修復法是利用植物體對鎢的富集作用，將鎢高效的富集在植物體內(nèi)，從而降低土壤中的污染物濃度。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，中性土壤中的鎢較酸性土壤中的鎢更易被快速去除。同時，還可用微生物，如抗鎢細菌等，促進植物體將土壤中的鎢吸收，并從根系轉(zhuǎn)移到莖與葉中。在未來，植物+微生物有望成為最高效的土壤修復手段。

化學鈍化法是向土壤中加入鈍化劑以降低土壤中的鎢含量。