Wolfram

1781 hatte der schwedische Chemiker Carl Wilhelm Scheele Wolframsäure in einem Mineral entdeckt, das heute als Scheelit bekannt ist. Sein Landsmann Torbern Bergman folgerte, dass aus der Säure ein neues Metall hergestellt werden könne.
Dies gelang den Brüdern und Chemikern Juan José und Fausto Elhuyar 1783 durch Holzkohlereduktion von Wolframit aus dem sächsischen Erzgebirge.

Der Name Wolfram geht auf den Freiberger Mineralogen Georgius Agricola zurück, der wahrscheinlich schon im 16. Jahrhundert ein wolframhaltiges Mineral beschrieb und den lateinischen Namen„lupi spuma“ gab, was Wolfsschaum bedeutet. Die in anderen Sprachen gebräuchliche Bezeichnung „tungsten“ kommt aus dem Schwedischen und bedeutet „schwerer Stein“.

Wegen seiner extrem hohen Schmelztemperatur war Wolfram zunächst schwer zu verarbeiten.

Ab Mitte des 19. Jahrhundert wurde Wolfram in Stahllegierungen verwendet, um härtere Werkzeuge herzustellen.

Ende des 19. Jahrhunderts mit dem Aufkommen von elektrischem Licht ersetzte Wolframdraht, der es nicht so schnell schmolz, die Kohlefäden in Glühbirnen.

Im 20. Jahrhundert wurde Wolframcarbid (WC) wird für panzerbrechende Munition und extrem harte Schneidwerkzeuge entwickelt.

Aufgrund seiner außergewöhnlichen physikalischen Eigenschaften wird Wolfram für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Wolframcarbid wird für die Herstellung von Hartmetallen für Schneid-, Bergbau und Drahtziehwerkzeugen, verwendet sowie auch in der Rüstungsindustrie für panzerbrechende Munition, in Granaten und für Panzerungen.

In Legierungen sorgt Wolfram für Hitzebeständigkeit in Ventilen, Turbinenrädern von Flugzeugtriebwerken und Raketendüsen und schützt gleichzeitig vor Verschleiß.

Wolfram wird auch in der Elektronik in Elektroden, der Halbleiterindustrie für Mikrochips und in Röntgenröhren verwendet.

Wegen seiner Dichte wird Wolfram auch für Strahlenabschirmung genutzt.

Zu den wichtigen Erzen zählen Wolframit und Scheelit.

Über 80 Prozent des Wolframs werden in China gefördert, das auch über einige der größten Wolfram-Vorkommen verfügt. Die Xihuashan-Mine in der Provinz Jiangxi, ist die größte aktive Wolframmine der Welt. Sie wird betrieben von Tungsten High-Tech, ein Tochterunternehmen der staatlichen China Minmetals Corporation.

Nach China ist Vietnam das zweitgrößte Abbauland für Wolfram. Die Nui Phao Mine in Vietnam ist die größte Wolframmine außerhalb Chinas. Der Betreiber ist Masan Resources. Russland steht an dritter Stelle, Zahlen zu Fördermengen sind jedoch rar.

In der EU gibt es auch einige Wolframproduzente. In Österreich betreibt die Wolfram Bergbau und Hütten AG einen kleinen Untertagebau in den Alpen. Den Großteil des Rohstoffs gewinnt das Unternehmen, das zur schwedischen Sandvik-Gruppe gehört, aus Recycling. Daneben sind Portugal und Spanien kleinere Wolframminen in Betrieb.

Die globale Jahresproduktion beläuft sich auf etwa 80.000 Tonnen.

Die Wiederverwertung von Schrotten ist, eine wichtige Quelle für die Wolframindustrie.

Mögliche Ersatzstoffe für Wolframkarbide sind Hartmetalle auf Basis von Molybdänkarbid, Niobkarbid oder Titankarbid, Keramik, keramisch-metallische Verbundwerkstoffe und Werkzeugstähle. Die meisten dieser Optionen reduzieren den Wolframverbrauch, anstatt ihn zu ersetzen.
Mögliche Ersatzstoffe für andere Anwendungen sind: Molybdän für bestimmte Wolframwalzprodukte; Molybdänstähle für Wolframstähle, obwohl die meisten Molybdänstähle weiterhin Wolfram enthalten.
Abgereichertes Uran oder Blei ersetzen Wolfram oder Wolframlegierungen in Anwendungen, die eine hohe Dichte oder die Fähigkeit zur Strahlungsabschirmung erfordern.
Abgereicherte Uranlegierungen oder gehärteter Stahl kann Wolframkarbide oder Wolframlegierungen in panzerbrechenden Geschossen substituieren.
In manchen Anwendungen würde ein Ersatz zu höheren Kosten oder einer Beeinträchtigung der Leistung führen.

Physikalische Eigenschaften

Wolfram ist ein weißglänzendes, in reinem Zustand dehnbares Metall hoher Härte, Dichte und Festigkeit. Die Dichte ist fast gleich hoch wie die von Gold, die Brinellhärte beträgt 250 HB, die Zugfestigkeit 550-620 N/mm² (weich) bis 1920 N/mm² (hart). Das Metall existiert in einer stabilen kubisch-raumzentrierten α-Modifikation mit einem Netzebenenabstand (=Gitterkonstante) von 316 pm bei Raumtemperatur. Dieser Kristallstrukturtyp wird häufig Wolfram-Typ genannt. Bei einer als metastabile β-Modifikation des Wolframs (verzerrt kubisch-raumzentriert) bezeichneten Substanz handelt es sich hingegen um das wolframreiche Oxid W₃O.

Wolfram besitzt nach dem Element Kohlenstoff mit 3422 °C den zweithöchsten Schmelzpunkt aller chemischen Elemente. Der Siedepunkt von 5555 °C wird nur noch von dem seltenen Metall Rhenium mit 5596 °C um 41 K übertroffen.

Das Metall ist ein Supraleiter mit einer Sprungtemperatur von 15 mK.

Chemische Eigenschaften

Wolfram ist ein chemisch sehr widerstandsfähiges Metall, das selbst von Fluorwasserstoffsäure und Königswasser (zumindest bei Zimmertemperatur) kaum angegriffen wird. Es löst sich aber in Gemischen aus Fluss- und Salpetersäure und geschmolzenen Gemischen aus Alkalinitraten und -karbonaten auf.

Von Wolfram sind 33 Isotope und 5 Kernisomere bekannt. In der Natur kommen davon 5 Isotope vor ¹⁸⁰W, ¹⁸²W, ¹⁸³W, ¹⁸⁴W und ¹⁸⁶W. Das Wolframisotop ¹⁸⁴W weist dabei die größte Häufigkeit auf. Alle 5 natürlichen Isotope wurden lange Zeit für stabil gehalten. Erst 2004 gelang dem CRESST Experiment am Laboratori nazionali del Gran Sasso als Nebenergebnis der Suche nach Dunkler Materie der Nachweis, dass das Isotop ¹⁸⁰W dem Alphazerfallunterliegt. Die Halbwertszeit beträgt extrem lange 1,8 Trillionen Jahre, daher ist dieser Zerfall in normaler Laborumgebung nicht nachweisbar. Die Radioaktivität dieses natürlichen Isotops ist so gering, dass sie für alle praktischen Zwecke ignoriert werden kann. Die künstlichen radioaktiven Isotope von Wolfram haben dagegen kurze Halbwertszeiten zwischen 0,9 ms bei ¹⁸⁵W und 121,2 Tagen bei ¹⁸¹W.

Als Pulver oder Staub ist es leicht entzündlich, in kompakter Form nicht brennbar.

Oxide 

Wolfram bildet mehrere Oxide. Zwischen dem Anfangsglied:

• Wolfram(VI)-oxid WO₃ – zitronengelb

und dem Endglied:

• Wolfram(IV)-oxid WO₂ – braun

gibt es noch folgende intermediäre Oxide:

• W₁₀O₂₉ blauviolett, Homogenitätsbereich WO_2,92-WO_2,88
• W₄O₁₁ rotviolett, Homogenitätsbereich WO_2,76-WO_2,73
• W₁₈O₄₉, WO_2,72
• W₂₀O₅₀, WO_2,50

Sonstige Verbindungen

• Natriumwolframat Na₂WO₄
• Zirkoniumwolframat ZrW₂O₈ zeigt beim Erwärmen eine Anomalie.
• Wolframbronzen M_xWO₃; M=Alkali-,Erdalkalimetall,Lanthanoid, ca. 0.3 < x < 0.9 besitzen elektrische Leitfähigkeit und sind intensiv und je nach Metallgehalt unterschiedlich gefärbt.
• Calciumwolframat CaWO₄ ist als Mineral unter dem Namen Scheelit bekannt.
• Wolframcarbid WC ist eine extrem harte metallähnliche Verbindung. Daneben gibt es noch Diwolframcarbid W₂C.
• Wolframhexafluorid WF₆
• Bleiwolframat PbWO₄
• Wolframdisulfid WS₂ Einsatz als trockenschmiermittel (Ähnlich MoS₂)

Verwendung der Verbindungen

Wolframcarbid wird als Neutronenreflektor bei Kernwaffen eingesetzt, um die kritische Masse herabzusetzen. Wolframcarbide (Hartmetall) werden aufgrund ihrer hohen Härte in der Materialbearbeitung verwendet.

Wolframate werden zur Imprägnierung von Stoffen verwendet, um diese schwer entflammbar zu machen.

Wolframhaltige Farben werden in der Malerei sowie in der Keramik- und Porzellanindustrie verwendet.

Bleiwolframat wird als moderner Szintillator in der Teilchenphysik verwendet.

Allgemein
Name, Symbol,Ordnungszahl	Wolfram, W, 74
Serie	Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block	6, 6, d
Aussehen	gräulich weiß, glänzend
CAS-Nummer	7440-33-7
Massenanteil an derErdhülle	64 ppm
Atomar
Atommasse	183,84 u
Atomradius (berechnet)	135 (193) pm
Kovalenter Radius	162 pm
Elektronenkonfiguration	[Xe] 4f145d46s2
1. Ionisierungsenergie	770 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	1700 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	kubisch raumzentriert
Dichte	19,3 g/cm3 (20 °C)
Mohshärte	7,5
Magnetismus	paramagnetisch ( = 7,8 · 10−5)
Schmelzpunkt	3695 K (3422 °C)
Siedepunkt	5828 K (5555 °C)
Molares Volumen	9,47 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme	824 kJ/mol
Schmelzwärme	35,4 kJ/mol
Schallgeschwindigkeit	5174 m/s
Spezifische Wärmekapazität	138 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit	18,52 · 106 A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit	170 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände	6, 5, 4, 3, 2
Normalpotential	−0,119 V (WO2 + 4H+ + 4e− → W + 2H2O)
Elektronegativität	2,36 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP 178W {syn.} 21,6 d ε 0,091 178Ta 179W {syn.} 37,05 min ε 1,060 179Ta 180W 0,13 % 1,8 · 1018 a α 2,516 176Hf 181W {syn.} 121,2 d ε 0,188 181Ta 182W 26,3 % Stabil 183W 14,3 % Stabil 184W 30,67 % Stabil 185W {syn.} 75,1 d β− 0,433 185Re 186W 28,6 % Stabil 187W {syn.} 23,72 h β− 1,311 187Re 188W {syn.} 69,4 d β− 0,349 188Re
NMR-Eigenschaften
Spin γ in rad·T−1·s−1 Er(1H) fL bei B = 4,7 T in MHz 183W 1/2 1,128 · 107 1,07 · 10−5 4,166
Sicherheitshinweise
GHS-GefahrstoffkennzeichnungPulver

GefahrH- und P-SätzeH: 228EUH: keine EUH-SätzeP: 210-​240-​241-​280-​370+378 Gefahrstoffkennzeichnung

Leicht- entzündlich

(F)

PulverR- und S-SätzeR: 11S: 43