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鎢

原子序數為74的化學元素

鎢（英語：Tungsten[4]）， 是一種化學元素，其化學符號為W（源自德語：Wolfram [5][6]），原子序數為74，原子量為183.84 u。鎢非常硬，是鋼灰色至白色的過渡金屬。鎢是卑金屬，在自然界大多與其他元素以化合物的形態存在，而不是單獨存在。鎢在西元1781年被發現且命名，在1783年第一次成功分離出鎢。黑鎢礦以及白鎢礦是鎢的重要礦石。

鎢 74W
氫（非金屬） 氦（貴氣體）
鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（貴氣體）
鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（貴氣體）
鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（貴氣體）
銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鍀（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（貴氣體）
銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鑥（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砹（類金屬） 氡（貴氣體）
鈁（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 鎿（錒系元素） 鈈（錒系元素） 鎇（錒系元素） 鋦（錒系元素） 錇（錒系元素） 鐦（錒系元素） 鎄（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為貴氣體）
鉬
↑
鎢
↓
𨭎
鉭 ← 鎢 → 錸
外觀
灰白色，有光澤
概況
名稱·符號·序數鎢（Tungsten）·W·74
元素類別過渡金屬
族·週期·區6·6·d
標準原子質量183.84(1)[1]
電子排布[Xe] 4f14 5d4 6s2[2]
2, 8, 18, 32, 12, 2
鎢的電子層（2, 8, 18, 32, 12, 2）
鎢的電子層（2, 8, 18, 32, 12, 2）
歷史
發現托爾貝恩·伯格曼（1781年）
分離Juan José Elhuyar和Fausto Elhuyar（1783年）
物理性質
物態固體
密度（接近室溫）
19.25 g·cm−3
熔點時液體密度17.6 g·cm−3
熔點3695 K，3422 °C，6192 °F
沸點5933 K，5660 °C，10220 °F
熔化熱35.3 kJ·mol−1
汽化熱806.7 kJ·mol−1
比熱容24.27 J·mol−1·K−1
蒸氣壓
壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 3477 3773 4137 4579 5127 5823
原子性質
氧化態6, 5, 4, 3, 2, 1, 0, −1, −2
（微酸性氧化物）
電負性2.36（鮑林標度）
電離能第一：770 kJ·mol−1
第二：1700 kJ·mol−1
原子半徑139 pm
共價半徑162±7 pm
鎢的原子譜線
雜項
晶體結構體心立方
磁序順磁性[3]
電阻率（20 °C）52.8 n Ω·m
熱導率173 W·m−1·K−1
膨脹系數（25 °C）4.5 µm·m−1·K−1
楊氏模量411 GPa
剪切模量161 GPa
體積模量310 GPa
泊松比0.28
莫氏硬度7.5
維氏硬度3430 MPa
布氏硬度2570 MPa
CAS編號7440-33-7
同位素
主條目：鎢的同位素
同位素 豐度 半衰期​（t1/2） 衰變
方式 能量​（MeV） 產物
180W 0.12% 1.59×1018 年 α 2.515 176Hf
181W 人造 120.956 天 ε 0.205 181Ta
182W 26.50% 穩定，帶108粒中子
183W 14.31% 穩定，帶109粒中子
184W 30.64% 穩定，帶110粒中子
185W 人造 75.1 天 β− 0.431 185Re
186W 28.43% 穩定，帶112粒中子

鎢元素具有極高穩定性，在所有元素中熔點最高（3422 °C，6192 °F，3695 K）、沸點最高（5930 °C，10706 °F，6203 K）[7]。密度為19.25 g·cm−3，與鈾與金的密度相當，比鉛的密度還高1.7倍[8]。多晶鎢本身堅硬易脆[9][10]（在標準條件下，未與其他物質結合時），難以進行加工使用。然而，若是純單晶鎢，則具有延展性，可使用鋼鋸切割[11]。

鎢合金有許多的應用，包含燈泡燈絲、X射線管、鎢極氣體保護電弧焊、超合金和輻射防護遮蔽。鎢的高硬度和高密度的特性，可用於軍事用途上，如穿甲彈。鎢化合物也經常在工業上作為催化劑使用。 鎢是第三過渡族中唯一一個其存在於一些少數細菌與古細菌中的金屬。是任何生物體內不可或缺元素中最重的一個元素[12]。然而，鎢會干擾鉬和銅的代謝[13][14]，對於一般常看到的生物體是具有一些毒性的。

字源

瑞典化學家最早由白鎢礦中分離出鎢酸，因此根據白鎢礦這種礦石的瑞典古名，將這種元素以瑞典語：tungsten（這個字可被分解為tung sten，字面意義為重石）命名。在英文、法文等語言中，都使用這個名稱(除了北歐五國)。但因為tungsten在瑞典文中也是白鎢礦的名稱，為了避免混淆，瑞典採用volfram作為元素的名稱。

在歐洲其他國家，主要以德文及各斯拉夫語為代表，則使用德語：wolfram或volfram，在北歐五國也使用這個名稱。這個名稱來自黑鎢礦（Wolframite）這個礦石的名字[15]。符號「W」及中文「鎢」的來源都來自德文Wolfram。

黑鎢礦（Wolframite）的名字來自德文 "wolf rahm" ("wolf soot"狼煤煙 或 "wolf cream"狼奶油)，於1747年由約翰‧嘎爾修特‧瓦萊裏烏斯（英語：Johan Gottschalk Wallerius）給定。這來自於拉丁文 "lupi spuma"，為格奧爾格·阿格里科拉在1546年對這個元素的稱呼，英文翻譯為「狼的白沫」，指的是這個礦物在萃取的過程消耗大量的錫。

主要特徵

物理性質

純鎢是鋼灰色至錫白色的堅硬金屬，通常很脆而不易金屬加工，非常純的鎢可以維持它的硬度（高於許多其他金屬），且具有延展性，易於加工。鎢的加工方法有鍛造、拉伸和衝擊。鎢常常以燒結的方法製成。

在所有純金屬中，鎢的熔點最高（3415℃，6192 °F）蒸汽壓最低，（溫度1650℃，3000 °F以上），強度最高[16]。雖然碳相較於鎢能在較高的溫度下維持固態，但是碳在氣壓下容易昇華而非熔化，因此，它不具有熔點。鎢擁有最低的熱膨脹系數。它的低熱膨脹系數、高熔點，以及高抗張強度，都源自於鎢原子間的強金屬鍵。少量的鎢與鋼合金，能夠大大提升它的硬度。

鎢以兩種晶體慣態結構存在：α和β。前者以立方體心堆積，是較穩定的組成。後者則是亞穩定的A15 立方體堆積，但因為非平衡合成或雜質造成的穩定性，可以與周圍條件下的α相共存。相較於α相擁有等長的晶粒，β相展現圓柱狀的晶性。α相的電阻率只有β相的三分之一，且具有遠低於β相的超導轉移溫度（臨界點TC）：ca. 0.015 K vs. 1–4 K；混合兩者可以得到中間值得臨界溫度TC。以其他金屬與鎢合金也可以提高它的臨界溫度TC，此類鎢合金可以用於低溫超導電路。

同位素

主條目：鎢的同位素

天然鎢由四種穩定同位素（182W、183W、184W 以及 186W）以及一種長壽命的放射性同位素（180W）組成。理論上，這五種同位素都能夠藉由α衰變成72號元素鉿，但只有在180W中觀測到衰變，半衰期為 (1.8±0.2)×1018年。[17][18]平均來說，一克的180W在一年裏會有兩次α衰變[19]。其它同位素尚未被觀察到天然衰變，因此它們的半衰期至少為4 × 1021年。

此外，還有另外30種鎢的人造放射性同位素已被確認，其中最穩定的有半衰期121.2天的181W、半衰期75.1天的185W、半衰期69.4天的188W、半衰期21.6天的178W以及半衰期23.72小時的187W[19]。剩下的放射性同位素半衰期都不超過三小時，其中大部份更少於八分鐘[19]。鎢也有11種同核異構體，其中最穩定的是半衰期6.4分鐘的179mW。

化學性質

鎢元素可以阻隔酸和鹼金屬的腐蝕。但在空氣中加熱時表面易形成厚度不均的彩色氧化層

鎢最常見的氧化態是+6價，但它也有-2至+6之間的其他氧化態。最常見的氧化物是黃色的三氧化鎢（WO3），它可以在鹼性的水中溶化形成WO2−
4 碳與粉狀鎢加熱可以製成鎢的碳化物（W2C和WC），W
2C通常不易發生化學反應，但容易和氯產生六氯化鎢（WCl6）。

在中性或酸性水溶液中，鎢可以形成異性聚合酸以及多原子離子酸，隨着鎢酸鹽與酸作用，先形成可溶的亞穩定」仲鎢酸A」陰離子W
7O6–
24，接着轉變成溶解度較低的」仲鎢酸B「陰離子 H
2W
12O10–
42[20]，最後穩定態達成，更酸化成易溶的偏鎢酸根陰離子H
2W
12O6–
40。偏鎢酸根離子以對稱的十二鎢酸八面體存在（Keggin structure（英語：Keggin structure））。許多其他的多原子離子酸以亞穩定種類存在，包括以磷取代偏鎢酸根中心的兩個氫原子，製成多變的異性聚合酸，例如磷鎢酸。

三氧化鎢可以與鹼金屬形成嵌入化合物，被稱作青銅，例如鈉鎢青銅（英語：Sodium tungsten bronze） 。

應用

鎢的應用非常廣泛，最常見的是碳化鎢（WC）。這種硬質材料用在金屬加工、採礦、採油和建築工業中作為耐用材料。此外在電燈泡和真空管中鎢絲的應用也很廣。鎢還常用作電極。鎢可以拉成很細的絲，而且熔點非常高。它的其它應用包括：

  • 由於鎢的熔點非常高，所以常用於航空和高溫環境，例如電子、加熱和焊接(E.G. 鎢極氣體保護電弧焊)。
  • 鎢非常堅硬，非常緊密，因此製作重金屬合金非常理想，這樣的合金用在裝甲車輛、散熱片和高密度的應用上例如壓重物、平衡重物、船和飛機的壓重物等。
  • 由於鎢非常緊密，飛鏢往往含70%至97%的鎢，使其比同重量的銅製飛鏢更細，從而增加將全部飛鏢投進同一目標的機會。
  • 高速鋼含鎢，有時含18%的鎢。
  • 製造渦輪機片、耐用部分和保護層的高溫合金含鎢（哈氏合金、鎢鉻鈷合金等）。
  • 在子彈中使用鎢來取代鉛。
  • 鎢的化合物被用作催化劑、無機顏色。二硫化鎢是高溫潤滑劑，它在500 °C依然穩定。
  • 由於鎢的漲性和矽酸硼玻璃類似，所以人們用它進行玻璃/金屬密封
  • 鎢與鎳、鐵和鈷的合金被用來製作重合金，這樣的重合金用在動能彈中取代貧鈾。
  • 在集成電路中鎢是前路之間的連接物。在二氧化矽絕緣體中侵蝕接觸孔，注入鎢，磨平來連接三極管。典型的接觸孔可以小到65納米。
  • 碳化鎢是最硬的物質之一，被用在機器工具和磨料中。碳化鎢是磨具和轉具中最常見的材料，往往也是最好的材料。
  • 在放射醫學中鎢是遮蔽物質。運輸氟去氧葡萄糖一般用鎢容器，因為氟去氧葡萄糖中的高能量氟-18令鉛容器無法使用。

其它：氧化鎢被用在陶瓷釉中，鈣或鎂鎢常用在熒光粉中。在核物理和核醫學中鎢晶體被用作閃爍探測器。鎢被用作X射線目標和在電子爐中作為加熱器。含鎢的鹽被用在化學和皮革工業中。青銅色的氧化鎢被用在繪畫中。由於它的低敏感性碳化鎢被用作首飾，此外由於它非常硬它不會像其它擦光的金屬被劃痕。有些樂器的鉉使用鎢絲。

歷史

1781年，瑞典化學家卡爾·威廉·舍勒發現，使用白鎢礦，可以製作出一種新的酸，即鎢酸。當時卡爾·威廉·舍勒與其友人托爾貝恩·貝里曼皆相信在鎢酸中一定可以進一步分解出一種新的化學元素。1783年胡塞·德盧亞爾（英語：Juan José Elhuyar）和浮士圖·德盧亞爾（英語：Fausto de Elhuyar）兄弟發現從黑鎢礦可以獲得同樣的酸。同年他們使用木炭還原鎢酸獲得了鎢，因此他們被公認為鎢的發現者[他們稱之為"wolfram" 或 "volfram"][21][22]。

鎢的戰略價值在二十世紀早期受到注意。英國當局在1912年把卡羅克礦坑（英語：Carrock mine）(Carrock mine)從德國擁有的坎布里亞礦業公司解放出來，還有在一次世界大戰期間限制德國其他的取得來源。在二次世界大戰，鎢在政治交涉上扮演更加重要的角色。鎢在歐洲的主要來源是葡萄牙，當時受到雙方的壓強（英語：Portugal during World War II），因為在帕納什凱拉（英語：Panasqueira）沉積的鎢礦。鎢抗高溫的特性，其硬度和密度，以及強化合金的功效讓它成為軍工業的重要材料，用作武器和設備的成分與製作過程(例如碳化鎢切割工具用於機械加工鋼鐵)。

生理作用

還原酶使用鎢蝶呤。

雖然有人懷疑鎢會導致白血病，但是至今為止缺乏有說服力的證明。

來源

黑鎢礦、白鎢礦、鎢鐵礦等礦物含鎢。重要的鎢礦位於玻利維亞、美國加利福尼亞州和科羅拉多州、加拿大、中國、越南、葡萄牙、俄羅斯以及韓國。中國出產全世界鎢的75%。通過使用碳還原鎢的氧化物獲得純的金屬。

全世界鎢的貯藏總量估計為700萬噸，其中約30%是黑鎢礦，70%是白鎢礦。但是目前大多數這些礦藏無法經濟性地開採。按照目前的消耗量這些礦藏只夠使用約140年。另一個獲得鎢的方法是回收。回收的鎢比鎢礦含量高，事實上利潤很高。

2017年中國、越南與俄羅斯分別供應了79,000、7,200、3,100噸。加拿大在2015年底停止生產因為其唯一的鎢礦礦坑關閉。越南在2010年左右因為其精煉工程的重大優化，大幅增加其產出，產量超過俄羅斯和玻利維亞。

中國仍然不只是全世界鎢製品最大的製造者，也是最大的出口和消費者。鎢的製造在中國外因需求上升而逐漸增加。同時中國的供給受到中國政府的嚴格管制，來對抗非法採礦和過多來自採礦與精煉過程的污染。

因為在剛果共和國的不道德採礦行為，該國生產的鎢礦被認為是衝突礦石。

在英國達特穆爾的邊緣有大量的鎢礦沉積，在一次和二次世界大戰期間有利用。隨着鎢的價格上升，這個礦坑在2014年重新開張，但在2018年關閉。

化合物

鎢最常見的氧化態是+6價，但它也有-1至+6之間的氧化狀態[23]。最常見的氧化物是黃色的三氧化鎢，WO3，它可以在鹼性的水中溶化形成WO42−。

參考文獻

  1. ^ Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip J. H.; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro A. J. Standard atomic weights of the elements 2021 (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 2022-05-04. ISSN 1365-3075. doi:10.1515/pac-2019-0603 （英語）. 
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  22. ^ 存档副本 (PDF). [2008-01-27]. （原始內容 (PDF)存檔於2008-03-07）. 
  23. ^ Emsley, John. The Elements 3rd edition. 2000. 

外部連結

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