Tungstênio: história, propriedades, estrutura, usos - Ciência - 2023

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o tungstênioTungstênio ou tungstênio é um metal de transição pesado cujo símbolo químico é W. Ele está localizado no período 6 com o grupo 6 da tabela periódica e seu número atômico é 74. Seu nome tem dois significados etimológicos: pedra dura e espuma Lobo; A segunda é porque esse metal também é conhecido como tungstênio.

É um metal cinza prateado e, embora seja quebradiço, possui grande dureza, densidade e altos pontos de fusão e ebulição. Portanto, tem sido usado em todas as aplicações que envolvem altas temperaturas, pressões ou forças mecânicas, como brocas, projéteis ou filamentos emissores de radiação.

O uso mais conhecido desse metal, a nível cultural e popular, está nos filamentos de lâmpadas elétricas. Quem os manipulou perceberá como são frágeis; entretanto, eles não são feitos de puro tungstênio, que é maleável e dúctil. Além disso, em matrizes metálicas, como ligas, oferece excelente resistência e dureza.

Caracteriza-se e se distingue por ser o metal com maior ponto de fusão, além de ser mais denso que o próprio chumbo, superado apenas por outros metais como o ósmio e o irídio. Da mesma forma, é o metal mais pesado conhecido por desempenhar um papel biológico no corpo.

Na maioria de seus compostos iônicos, o ânion tungstato, WO₄^2-, que pode polimerizar para formar aglomerados em um meio ácido. Por outro lado, o tungstênio pode formar compostos intermetálicos, ou ser sinterizado com metais ou sais inorgânicos, de forma que seus sólidos adquiram diferentes formas ou consistências.

Não é muito abundante na crosta terrestre, com apenas 1,5 grama desse metal por tonelada. Além disso, por ser um elemento pesado, sua origem é intergalática; especificamente de explosões de supernovas, que devem ter lançado "jatos" de átomos de tungstênio em direção ao nosso planeta durante sua formação.

História

Etimologia

A história do tungstênio ou volfrâmio tem duas faces como seus nomes: uma suíça e outra alemã. Nos anos 1600, em regiões atualmente ocupadas pela Alemanha e Áustria, os mineiros trabalhavam na extração de cobre e estanho para a produção de bronzes.

A essa altura, os mineiros se viram com um espinho no processo: havia um mineral extremamente difícil de derreter; mineral consistindo em volframita, (Fe, Mn, Mg) WO₄, que retinha ou "devorava" a lata como se fosse um lobo.

Daí a etimologia para este elemento, "lobo" para lobo em espanhol, um lobo que comia estanho; e 'carneiro' de espuma ou creme, cujos cristais se assemelhavam a uma longa pelagem negra. Assim, o nome 'volfrâmio' ou 'volfrâmio' surgiu em homenagem a essas primeiras observações.

Em 1758, do lado suíço, um mineral semelhante, scheelita, CaWO₄, foi chamado de 'tung sten', que significa 'pedra dura'.

Ambos os nomes, volfrâmio e tungstênio, são amplamente usados como sinônimos, dependendo apenas da cultura. Na Espanha, por exemplo, e na Europa Ocidental, esse metal é mais conhecido como tungstênio; enquanto no continente americano o nome tungstênio predomina.

Reconhecimento e descoberta

Sabia-se então que entre os séculos XVII e XVIII existiam dois minerais: a volframita e a scheelita. Mas, quem viu que havia um metal diferente dos outros neles? Eles só podiam ser caracterizados como minerais, e foi em 1779 que o químico irlandês Peter Woulfe analisou cuidadosamente o tungstênio e deduziu sua existência.

Do lado suíço, novamente, Carl Wilhelm Scheele em 1781 foi capaz de isolar o tungstênio como WO₃; e ainda mais, ele obteve ácido tungstic (ou tungstic), H₂OS₄e outros compostos.

Porém, isso não foi suficiente para atingir o metal puro, pois era necessário reduzir este ácido; isto é, sujeitando-o a um processo tal que se desprenda do oxigênio e cristalize como metal. Carl Wilhelm Scheele não tinha os fornos ou metodologia apropriados para esta reação de redução química.

É aqui que entraram em ação os irmãos espanhóis d'Elhuyar, Fausto e Juan José, reduzindo os dois minerais (volframita e scheelita) com carvão, na cidade de Bergara. Ambos recebem o mérito e a honra de serem os descobridores do tungstênio metálico (W).

Aços e lâmpadas

Como outros metais, seus usos definem sua história. Entre as mais proeminentes no final do século 19, estavam as ligas de aço-tungstênio e os filamentos de tungstênio para substituir os de carbono dentro das lâmpadas elétricas. Pode-se dizer que as primeiras lâmpadas, como as conhecemos, foram comercializadas em 1903-1904.

Propriedades

Aparência física

É um metal cinza-prata brilhante. Frágil, mas muito difícil (não deve ser confundido com resistência). Se a peça for de alta pureza torna-se maleável e dura, tanto ou mais quanto vários aços.

Número atômico

74.

Massa molar

183,85 g / mol.

Ponto de fusão

3422 ° C

Ponto de ebulição

5930 ° C

Densidade

19,3 g / mL.

Calor de fusão

52,31 kJ / mol.

Calor da vaporização

774 kJ / mol.

Capacidade de calor molar

24,27 kJ / mol.

Dureza de Moh

7,5.

Eletro-negatividade

2,36 na escala de Pauling.

Rádio atômico

139 pm

Resistividade elétrica

52,8 nΩ · m a 20 ° C

Isótopos

Ocorre predominantemente na natureza como cinco isótopos: ¹⁸²W, ¹⁸³W, ¹⁸⁴W, ¹⁸⁶Varinha ¹⁸⁰W. De acordo com a massa molar de 183 g / mol, que calcula a média das massas atômicas desses isótopos (e os outros trinta radioisótopos), cada átomo de tungstênio ou tungstênio tem cerca de cento e dez nêutrons (74 + 110 = 184) .

Química

É um metal altamente resistente à corrosão, visto que sua fina camada de WO₃ protege contra o ataque de oxigênio, ácido e álcalis. Uma vez dissolvidos e precipitados com outros reagentes, obtêm-se seus sais, denominados tungstatos ou wolframatos; neles, o tungstênio geralmente tem um estado de oxidação de +6 (assumindo que há cátions W⁶⁺).

Agrupamento de ácido

Quimicamente, o tungstênio é único porque seus íons tendem a se agrupar para formar heteropoliácidos ou polioxometalatos. Que são? Eles são grupos ou aglomerados de átomos que se unem para definir um corpo tridimensional; Principalmente, um com uma estrutura semelhante a uma gaiola esférica, na qual eles “encerram” outro átomo.

Tudo começa a partir do ânion tungstato, WO₄^2-, que em um meio ácido protonata rapidamente (HWO₄^–) e se liga a um ânion vizinho para formar [W₂OU₇(OH)₂]^2-; e este por sua vez se junta a outro [W₂OU₇(OH)₂]^2-para originar o [W₄OU₁₂(OH)₄]^4-. E assim por diante até que haja vários politungstats em solução.

Paratungstates A e B, [W₇OU₂₄]^6-e H₂W₁₂OU₄₂^10-, respectivamente, são um dos mais proeminentes desses polianions.

Pode ser desafiador criar seu esboço e estruturas de Lewis; mas é suficiente, em princípio, visualizá-los como conjuntos de octaedros WO₆ (imagem superior).

Observe que esses octaedros acinzentados acabam definindo o decatungstate, um politungstat; Se contivesse um heteroátomo (por exemplo, fósforo) dentro, seria um polioxometalato.

Estrutura e configuração eletrônica

Fases cristalinas

Os átomos de tungstênio definem um cristal com uma estrutura cúbica centrada no corpo (bcc, para cúbico centrado no corpo) Esta forma cristalina é conhecida como fase α; enquanto a fase β também é cúbica, mas um pouco mais densa. Ambas as fases ou formas cristalinas, α e β, podem coexistir em equilíbrio em condições normais.

Os grãos cristalinos da fase α são isométricos, enquanto os da fase β se assemelham a colunas. Independentemente de como o cristal é, ele é governado pelas ligações metálicas que mantêm os átomos de W. Caso contrário, os altos pontos de fusão e ebulição, ou a alta dureza e densidade do tungstênio, não poderiam ser explicados.

Ligação metálica

Os átomos de tungstênio precisam ser fortemente ligados de alguma forma. Para fazer uma conjectura, a configuração eletrônica deste metal deve primeiro ser observada:

[Xe] 4f¹⁴5 d⁴6s²

Os orbitais 5d são muito grandes e difusos, o que implicaria que entre dois átomos W próximos há sobreposições orbitais efetivas. Da mesma forma, os orbitais 6s contribuem para as bandas resultantes, mas em menor grau. Enquanto os orbitais 4f estão "bem no fundo" e, portanto, sua contribuição para a ligação metálica é menor.

Este, o tamanho dos átomos e os grãos cristalinos, são as variáveis que determinam a dureza do tungstênio e sua densidade.

Estados de oxidação

No tungstênio ou volfrâmio metálico, os átomos de W têm estado de oxidação zero (W⁰) Voltando à configuração eletrônica, os orbitais 5d e 6s podem ser "esvaziados" de elétrons, dependendo se W estiver na companhia de átomos altamente eletronegativos, como oxigênio ou flúor.

Quando os dois elétrons 6s são perdidos, o tungstênio tem estado de oxidação +2 (W²⁺), que faz com que seu átomo se contraia.

Se ele também perder todos os elétrons em seus orbitais 5d, seu estado de oxidação se tornará +6 (W⁶⁺); A partir daqui não pode se tornar mais positivo (em teoria), já que os orbitais 4f, sendo internos, exigiriam grandes energias para remover seus elétrons. Em outras palavras, o estado de oxidação mais positivo é +6, onde o tungstênio é ainda menor.

Este tungstênio (VI) é muito estável em condições ácidas ou em muitos compostos oxigenados ou halogenados. Outros estados de oxidação possíveis e positivos são: +1, +2, +3, +4, +5 e +6.

O tungstênio também pode ganhar elétrons se combinar com átomos menos eletronegativos do que ele mesmo. Nesse caso, seus átomos ficam maiores. Ele pode ganhar no máximo quatro elétrons; ou seja, tem um estado de oxidação de -4 (W^4-).

Obtendo

Anteriormente, foi mencionado que o tungstênio é encontrado nos minerais volframita e scheelita. Dependendo do processo, dois compostos são obtidos a partir deles: óxido de tungstênio, WO₃, ou paratungstato de amônio, (NH₄)₁₀(H₂W₁₂OU₄₂) · 4H₂O (ou ATP). Qualquer um deles pode ser reduzido a W metálico com carbono acima de 1050 ° C.

Não é economicamente lucrativo produzir lingotes de tungstênio, pois eles exigiriam muito calor (e dinheiro) para derretê-los. Por isso é preferível produzi-lo em pó para tratá-lo imediatamente com outros metais para obter ligas.

Vale ressaltar que a China é o país com maior produção de tungstênio no mundo. E no continente americano, Canadá, Bolívia e Brasil, também ocupam a lista dos maiores produtores desse metal.

Formulários

Aqui estão alguns dos usos conhecidos para este metal:

-Seus sais eram usados para colorir algodões de trajes de teatros antigos.

-Combinado ao aço endurece ainda mais, podendo inclusive resistir a cortes mecânicos em altas velocidades.

-Filamentos de tungstênio sinterizados têm sido usados por mais de cem anos em lâmpadas elétricas e lâmpadas halógenas. Além disso, devido ao seu alto ponto de fusão, tem servido como material para tubos de raios catódicos e para os bicos de motores de foguetes.

-Substitui o chumbo na fabricação de projéteis e escudos radioativos.

-Os nanofios de tungstênio podem ser usados em nanodispositivos sensíveis a pH e gases.

-Catalisadores de tungstênio foram usados para lidar com a produção de enxofre na indústria de petróleo.

-O carboneto de tungstênio é o mais amplamente utilizado de todos os seus compostos. Desde o fortalecimento de ferramentas de corte e perfuração, ou fabricação de peças de armamento militar, até a usinagem de madeira, plástico e cerâmica.

Riscos e precauções

Biológico

Por ser um metal relativamente raro na crosta terrestre, seus efeitos negativos são escassos. Em solos ácidos, os poliungstatos podem não afetar as enzimas que usam os ânions molibdato; mas em solos básicos, o WO₄^2- intervém (positiva ou negativamente) nos processos metabólicos de MoO₄^2- e cobre.

As plantas, por exemplo, podem absorver compostos solúveis de tungstênio, e quando um animal os come e depois de consumir sua carne, os átomos de W entram em nosso corpo. A maioria é expelida na urina e nas fezes e pouco se sabe o que acontece com o restante deles.

Estudos em animais mostraram que, quando inalam altas concentrações de tungstênio em pó, desenvolvem sintomas semelhantes aos do câncer de pulmão.

Por ingestão, um humano adulto precisaria beber milhares de litros de água enriquecida com sais de tungstênio para mostrar inibição apreciável das enzimas colinesterase e fosfatase.

Fisica

Em termos gerais, o tungstênio é um elemento pouco tóxico e, portanto, há poucos riscos ambientais de danos à saúde.

Com relação ao tungstênio metálico, evite respirar sua poeira; e se a amostra for sólida, deve-se ter em mente que ela é muito densa e que pode causar danos físicos se cair ou atingir outras superfícies.

Referências

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