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Tungsteno

El tungsteno (también llamado wolframio ) [12] [13] es un elemento químico ; tiene símbolo W y número atómico 74. Es un metal raro que se encuentra de forma natural en la Tierra casi exclusivamente en compuestos con otros elementos. Fue identificado como un elemento distinto en 1781 y aislado por primera vez como metal en 1783. Sus menas importantes incluyen scheelita y wolframita , esta última le da al elemento su nombre alternativo.

El elemento libre es notable por su robustez, especialmente por el hecho de que tiene el punto de fusión más alto de todos los elementos conocidos, a 3422 °C (6192 °F; 3695 K). También tiene el punto de ebullición más alto , a 5930 °C (10 706 °F; 6203 K). [14] Su densidad es de 19,254 g/cm 3 , [4] comparable con la del uranio y el oro , y mucho más alta (alrededor de 1,7 veces) que la del plomo . [15] El tungsteno policristalino es un material intrínsecamente frágil [16] [17] [18] y duro (en condiciones estándar, cuando no está combinado), lo que dificulta su trabajo en metal . Sin embargo, el tungsteno monocristalino puro es más dúctil y se puede cortar con una sierra para metales de acero duro . [19]

El tungsteno se encuentra en muchas aleaciones, que tienen numerosas aplicaciones, incluyendo filamentos de bombillas incandescentes , tubos de rayos X , electrodos en soldadura por arco de tungsteno con gas , superaleaciones y blindaje contra la radiación . La dureza y alta densidad del tungsteno lo hacen adecuado para aplicaciones militares en proyectiles penetrantes . Los compuestos de tungsteno se utilizan a menudo como catalizadores industriales . Su mayor uso es en carburo de tungsteno , un metal resistente al desgaste utilizado en metalurgia , minería y construcción . [20] Alrededor del 50% del tungsteno se utiliza en carburo de tungsteno, y el principal uso restante son aleaciones y aceros: menos del 10% se utiliza en otros compuestos. [21]

El tungsteno es el único metal de la tercera serie de transición que se sabe que está presente en biomoléculas , y se encuentra en unas pocas especies de bacterias y arqueas . Sin embargo, el tungsteno interfiere con el metabolismo del molibdeno y el cobre y es algo tóxico para la mayoría de las formas de vida animal. [22] [23]

Características

Propiedades físicas

En su forma cruda, el tungsteno es un metal duro de color gris acerado que suele ser frágil y difícil de trabajar . El tungsteno purificado y monocristalino conserva su dureza (que supera la de muchos aceros) y se vuelve lo suficientemente maleable como para que se pueda trabajar fácilmente. [19] Se trabaja mediante forjado , trefilado o extrusión , pero se forma más comúnmente mediante sinterización .

De todos los metales en forma pura, el tungsteno tiene el punto de fusión más alto (3422 °C, 6192 °F), la presión de vapor más baja (a temperaturas superiores a 1650 °C, 3000 °F) y la mayor resistencia a la tracción . [24] Aunque el carbono permanece sólido a temperaturas más altas que el tungsteno, el carbono sublima a presión atmosférica en lugar de fundirse, por lo que no tiene punto de fusión. Además, la fase cristalina más estable del tungsteno no exhibe ninguna transformación estructural inducida por alta presión para presiones de hasta al menos 364 gigapascales. [25] El tungsteno tiene el coeficiente de expansión térmica más bajo de cualquier metal puro. La baja expansión térmica y el alto punto de fusión y resistencia a la tracción del tungsteno se originan a partir de fuertes enlaces covalentes formados entre átomos de tungsteno por los electrones 5d. [26] La aleación de pequeñas cantidades de tungsteno con acero aumenta en gran medida su tenacidad . [15]

El tungsteno existe en dos formas cristalinas principales : α y β. La primera tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo y es la forma más estable. La estructura de la fase β se llama A15 cúbica ; es metaestable , pero puede coexistir con la fase α en condiciones ambientales debido a la síntesis de no equilibrio o la estabilización por impurezas. Al contrario de la fase α que cristaliza en granos isométricos, la forma β exhibe un hábito columnar . La fase α tiene un tercio de la resistividad eléctrica [27] y una temperatura de transición superconductora T C mucho más baja en relación con la fase β: ca. 0,015 K frente a 1–4 K; mezclar las dos fases permite obtener valores intermedios de T C. [28] [29] El valor de T C también se puede aumentar alear tungsteno con otro metal (por ejemplo, 7,9 K para W- Tc ). [30] Estas aleaciones de tungsteno se utilizan a veces en circuitos superconductores de baja temperatura. [31] [32] [33]

Isótopos

El tungsteno natural consta de cuatro isótopos estables ( 182 W, 183 W, 184 W y 186 W) y un radioisótopo de vida muy larga, 180 W. Teóricamente, los cinco pueden desintegrarse en isótopos del elemento 72 ( hafnio ) por emisión alfa , pero solo se ha observado que lo haga el 180 W, con una vida media de(1,8 ± 0,2) × 10 18 años; [34] [35] en promedio, esto produce alrededor de dos desintegraciones alfa de 180 W por gramo de tungsteno natural por año. [36] Esta tasa es equivalente a una actividad específica de aproximadamente 63 microbecquerel por kilogramo. Esta tasa de desintegración es órdenes de magnitud menor que la observada en el carbono o el potasio tal como se encuentran en la Tierra, que también contienen pequeñas cantidades de isótopos radiactivos de larga duración. Durante mucho tiempo se pensó que el bismuto no era radiactivo, pero209
El Bi (su isótopo de vida más larga) en realidad se desintegra con una vida media de2,01 × 10 19 años o aproximadamente un factor 10 más lento que180
W. Sin embargo, debido a que el bismuto natural es 100%209
Bi , su actividad específica es en realidad mayor que la del tungsteno natural, 3 milibecquerelios por kilogramo. No se ha observado que los demás isótopos naturales del tungsteno se desintegren, lo que limita sus vidas medias a al menos4 × 10 21  años .

Se han caracterizado otros 34 radioisótopos artificiales de tungsteno, de los cuales los más estables son 181 W con una vida media de 121,2 días, 185 W con una vida media de 75,1 días, 188 W con una vida media de 69,4 días, 178 W con una vida media de 21,6 días y 187 W con una vida media de 23,72 h. [36] Todos los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias de menos de 3 horas, y la mayoría de estos tienen vidas medias inferiores a 8 minutos. [36] El tungsteno también tiene 11  estados meta , siendo el más estable 179m W ( t 1/2  6,4 minutos).

Propiedades químicas

El tungsteno es un elemento en su mayor parte no reactivo: no reacciona con el agua, es inmune al ataque de la mayoría de los ácidos y bases y no reacciona con el oxígeno o el aire a temperatura ambiente. A temperaturas elevadas (es decir, cuando está al rojo vivo) reacciona con el oxígeno para formar el compuesto trióxido tungsteno(VI), WO3 . Sin embargo, reaccionará directamente con el flúor (F2 ) a temperatura ambiente para formar fluoruro de tungsteno(VI) (WF6 ) , un gas incoloro. A alrededor de 250 °C reaccionará con cloro o bromo, y en ciertas condiciones de calor reaccionará con yodo. El tungsteno finamente dividido es pirofórico . [37] [38]

El estado de oxidación formal más común del tungsteno es +6, pero exhibe todos los estados de oxidación desde −2 hasta +6. [38] [39] El tungsteno generalmente se combina con oxígeno para formar el óxido túngstico amarillo , WO 3 , que se disuelve en soluciones alcalinas acuosas para formar iones de tungstato, WO2−
4.

Los carburos de tungsteno (W 2 C y WC) se producen calentando tungsteno en polvo con carbono. El W 2 C es resistente al ataque químico, aunque reacciona fuertemente con el cloro para formar hexacloruro de tungsteno (WCl 6 ). [15]

En solución acuosa, el tungstato produce heteropoliácidos y aniones polioxometalato en condiciones neutras y ácidas. A medida que el tungstato se trata progresivamente con ácido, primero produce el anión soluble y metaestable "paratungstato A" , W
7Oh6−
24, que con el tiempo se convierte en el anión "paratungstato B", menos soluble, H
2Yo
12Oh10−
42. [40] Una acidificación adicional produce el anión metatungstato muy soluble, H
2Yo
12Oh6−
40, después de lo cual se alcanza el equilibrio. El ion metatungstato existe como un grupo simétrico de doce octaedros de tungsteno y oxígeno conocido como anión Keggin . Muchos otros aniones polioxometalato existen como especies metaestables. La inclusión de un átomo diferente, como el fósforo, en lugar de los dos hidrógenos centrales en el metatungstato produce una amplia variedad de heteropoliácidos, como el ácido fosfotúngstico H 3 PW 12 O 40 .

El trióxido de tungsteno puede formar compuestos de intercalación con metales alcalinos, conocidos como bronces ; un ejemplo es el bronce de tungsteno y sodio .

En forma gaseosa, el tungsteno forma la especie diatómica W 2 . Estas moléculas presentan un enlace séxtuple entre átomos de tungsteno, el orden de enlace más alto conocido entre átomos estables . [41] [42]

Historia

En 1781, Carl Wilhelm Scheele descubrió que un nuevo ácido , el ácido túngstico , podía fabricarse a partir de scheelita (en aquel momento llamada tungsteno). [43] [44] Scheele y Torbern Bergman sugirieron que podría ser posible obtener un nuevo metal reduciendo este ácido. [45] En 1783, José y Fausto Elhuyar encontraron un ácido hecho a partir de wolframita que era idéntico al ácido túngstico. Más tarde ese año, en la Real Sociedad Vasca en la ciudad de Bergara , España, los hermanos lograron aislar el tungsteno mediante la reducción de este ácido con carbón , y se les atribuye el descubrimiento del elemento (lo llamaron "wolframio" o "volfram"). [46] [47] [48] [49] [50]

El valor estratégico del tungsteno se hizo evidente a principios del siglo XX. Las autoridades británicas actuaron en 1912 para liberar la mina Carrock de la Cumbrian Mining Company, de propiedad alemana, y, durante la Primera Guerra Mundial , restringieron el acceso alemán a otros lugares. [51] En la Segunda Guerra Mundial , el tungsteno jugó un papel más importante en los tratos políticos de fondo. Portugal, como principal fuente europea del elemento, se vio sometido a presiones de ambos lados , debido a sus depósitos de mineral de wolframita en Panasqueira . Las propiedades deseables del tungsteno, como la resistencia a altas temperaturas, su dureza y densidad, y su fortalecimiento de las aleaciones, lo convirtieron en una materia prima importante para la industria armamentística, [52] [53] tanto como componente de armas y equipos como empleado en la propia producción, por ejemplo, en herramientas de corte de carburo de tungsteno para mecanizar acero. Ahora el tungsteno se utiliza en muchas más aplicaciones, como pesos de lastre para aviones y deportes de motor, dardos, herramientas antivibración y equipos deportivos.

El tungsteno es único entre los elementos en el sentido de que ha sido objeto de procedimientos de patente. En 1928, un tribunal estadounidense rechazó el intento de General Electric de patentarlo, anulando la patente estadounidense 1.082.933 concedida en 1913 a William D. Coolidge . [54] [55] [56]

Se sugiere que se han encontrado restos de wolframio en lo que pudo haber sido el jardín del astrónomo/alquimista Tycho Brahe [57].

Etimología

El nombre tungsteno (que significa ' piedra pesada ' en sueco y era el antiguo nombre sueco para el mineral scheelita y otros minerales de densidad similar) se utiliza en inglés, francés y muchos otros idiomas como el nombre del elemento, pero wolframio (o volfram ) se utiliza en la mayoría de los idiomas europeos (especialmente germánicos y eslavos) y se deriva del mineral wolframita , que es el origen del símbolo químico W. [ 19] El nombre wolframita se deriva del alemán wolf rahm ( ' hollín de lobo, crema de lobo ' ), el nombre dado al tungsteno por Johan Gottschalk Wallerius en 1747. Este, a su vez, deriva del latín lupi spuma , el nombre que Georg Agricola utilizó para el mineral en 1546, que se traduce al inglés como ' espuma de lobo ' y es una referencia a las grandes cantidades de estaño consumidas por el mineral durante su extracción, como si el mineral lo devorara como un lobo. [11] Esta denominación sigue una tradición de nombres coloridos que los mineros de los Montes Metálicos daban a varios minerales, debido a una superstición de que algunos de ellos parecían contener metales valiosos conocidos en ese momento pero que, al ser extraídos, estaban de alguna manera "embrujados". El cobalto (cf. Kobold ), la pechblenda (cf. el alemán blenden, que significa " cegar, engañar " ) y el níquel (cf. "Old Nick") derivan sus nombres del mismo idioma minero.

Aparición

Mineral de wolframita, con escala en cm.

Hasta ahora, el tungsteno no se ha encontrado en la naturaleza en su forma pura. [58] En cambio, el tungsteno se encuentra principalmente en los minerales wolframita y scheelita . [58] La wolframita es tungstato de hierro y manganeso (Fe,Mn)WO 4 , una solución sólida de los dos minerales ferberita (FeWO 4 ) y hübnerita (MnWO 4 ), mientras que la scheelita es tungstato de calcio (CaWO 4 ). Otros minerales de tungsteno varían en su nivel de abundancia de moderado a muy raro, y casi no tienen valor económico.

Compuestos químicos

Estructura del W 6 Cl 18 ("tricloruro de tungsteno")

El tungsteno forma compuestos químicos en estados de oxidación de -II a VI. Los estados de oxidación más altos, siempre como óxidos, son relevantes para su ocurrencia terrestre y sus roles biológicos, los estados de oxidación de nivel medio a menudo se asocian con cúmulos metálicos , y los estados de oxidación muy bajos se asocian típicamente con complejos de CO . Las químicas del tungsteno y el molibdeno muestran fuertes similitudes entre sí, así como contrastes con su congénere más ligero, el cromo . La relativa rareza del tungsteno (III), por ejemplo, contrasta con la omnipresencia de los compuestos de cromo (III). El estado de oxidación más alto se observa en el óxido de tungsteno (VI) (WO 3 ). [59] El óxido de tungsteno (VI) es soluble en base acuosa , formando tungstato (WO 4 2− ). Este oxianión se condensa a valores de pH más bajos , formando polioxotungstatos . [60]

La amplia gama de estados de oxidación del tungsteno se refleja en sus diversos cloruros: [59]

Los compuestos organotungstenos son numerosos y también abarcan una variedad de estados de oxidación. Ejemplos notables incluyen el prismático trigonal W(CH 3 ) 6 y el octaédrico W(CO) 6 .

Producción

La minería de tungsteno en Ruanda constituye una parte importante de la economía del país. [ cita requerida ]
Producción de concentrado de tungsteno, 1946

Reservas

Las reservas mundiales de tungsteno son de 3.200.000 toneladas; la mayoría se encuentran en China (1.800.000 t), Canadá (290.000 t), [61] Rusia (160.000 t), Vietnam (95.000 t) y Bolivia . En 2017, China, Vietnam y Rusia son los principales proveedores con 79.000, 7.200 y 3.100 toneladas, respectivamente. Canadá había cesado la producción a finales de 2015 debido al cierre de su única mina de tungsteno. Mientras tanto, Vietnam había aumentado significativamente su producción en la década de 2010, debido a la importante optimización de sus operaciones de refinación interna, y superó a Rusia y Bolivia. [62]

China sigue siendo líder mundial no sólo en producción, sino también en exportación y consumo de productos de tungsteno. La producción de tungsteno está aumentando gradualmente fuera de China debido a la creciente demanda. Mientras tanto, su suministro por parte de China está estrictamente regulado por el Gobierno chino, que lucha contra la minería ilegal y la contaminación excesiva originada por los procesos de extracción y refinación. [63]

En el borde de Dartmoor , en el Reino Unido , hay un gran yacimiento de mineral de tungsteno que se explotó durante la Primera y la Segunda Guerra Mundial como la mina Hemerdon . Tras el aumento de los precios del tungsteno, esta mina se reactivó en 2014, [64] pero cesó sus actividades en 2018. [65]

Dentro de la UE , el depósito austriaco de scheelita Felbertal es una de las pocas minas de tungsteno en producción. [66] Portugal es uno de los principales productores de tungsteno de Europa, con 121 kt de tungsteno contenido en concentrados minerales desde 1910 hasta 2020, lo que representa aproximadamente el 3,3% de la producción mundial. [67]

El tungsteno se considera un mineral de conflicto debido a las prácticas mineras poco éticas que se observan en la República Democrática del Congo . [68] [69]

La mina Sangdong de Corea del Sur , una de las minas de tungsteno más grandes del mundo con 7.890.000 toneladas de tungsteno de alto grado supuestamente enterradas, se cerró en 1994 debido a su baja rentabilidad, pero desde entonces ha vuelto a registrar los derechos de explotación y está previsto que reanude sus actividades en 2024. [70] [71]

Extracción

El tungsteno se extrae de sus minerales en varias etapas. El mineral finalmente se convierte en óxido de tungsteno (VI) (WO 3 ), que se calienta con hidrógeno o carbono para producir tungsteno en polvo. [45] Debido al alto punto de fusión del tungsteno, no es comercialmente factible fundir lingotes de tungsteno . En cambio, el tungsteno en polvo se mezcla con pequeñas cantidades de níquel en polvo u otros metales y se sinteriza . Durante el proceso de sinterización, el níquel se difunde en el tungsteno, produciendo una aleación.

El tungsteno también se puede extraer mediante reducción de hidrógeno de WF 6 :

WF6 + 3H2 → W + 6HF

o descomposición pirolítica : [72]

WF6 → W +3F2 ( ΔHr = + )

El tungsteno no se comercializa como contrato de futuros y no se puede rastrear en bolsas como la Bolsa de Metales de Londres . La industria del tungsteno a menudo utiliza referencias de precios independientes como Argus Media o Metal Bulletin como base para los contratos. [ 73] Los precios se suelen cotizar para concentrado de tungsteno o WO 3. [62]

Aplicaciones

Primer plano de un filamento de tungsteno dentro de una lámpara halógena
Joyas de carburo de tungsteno

Aproximadamente la mitad del tungsteno se consume para la producción de materiales duros, concretamente carburo de tungsteno , y el resto se utiliza principalmente en aleaciones y aceros. Menos del 10% se utiliza en otros compuestos químicos . [21] Debido a la alta temperatura de transición dúctil-frágil del tungsteno, sus productos se fabrican convencionalmente mediante metalurgia de polvos , sinterización por plasma de chispa , deposición química de vapor , prensado isostático en caliente y rutas termoplásticas . Una alternativa de fabricación más flexible es la fusión selectiva por láser , que es una forma de impresión 3D y permite crear formas tridimensionales complejas. [74]

Industrial

El tungsteno se utiliza principalmente en la producción de materiales duros basados ​​en carburo de tungsteno (WC), uno de los carburos más duros . El WC es un conductor eléctrico eficiente , pero el W2C lo es menos. El WC se utiliza para fabricar abrasivos resistentes al desgaste y herramientas de corte de "carburo" como cuchillos, taladros, sierras circulares , matrices , herramientas de fresado y torneado utilizadas por las industrias metalúrgica, de carpintería, minera , petrolera y de la construcción. [15] Las herramientas de carburo son en realidad un compuesto cerámico/metálico, donde el cobalto metálico actúa como un material aglutinante (matriz) para mantener las partículas de WC en su lugar. Este tipo de uso industrial representa aproximadamente el 60% del consumo actual de tungsteno. [75]

La industria de la joyería fabrica anillos de carburo de tungsteno sinterizado , compuestos de carburo de tungsteno/metal y también tungsteno metálico. [76] Los anillos de compuestos de carburo de tungsteno/metal utilizan níquel como matriz metálica en lugar de cobalto porque adquiere un mayor brillo cuando se pule. A veces, los fabricantes o minoristas se refieren al carburo de tungsteno como un metal, pero es una cerámica . [77] Debido a la dureza del carburo de tungsteno, los anillos hechos de este material son extremadamente resistentes a la abrasión y mantendrán un acabado bruñido durante más tiempo que los anillos hechos de tungsteno metálico. Sin embargo, los anillos de carburo de tungsteno son frágiles y pueden agrietarse con un golpe fuerte. [78]

Aleaciones

La dureza y la resistencia al calor del tungsteno pueden contribuir a aleaciones útiles . Un buen ejemplo es el acero de alta velocidad , que puede contener hasta un 18% de tungsteno. [79] El alto punto de fusión del tungsteno hace que el tungsteno sea un buen material para aplicaciones como toberas de cohetes , por ejemplo en el misil balístico lanzado desde submarinos UGM-27 Polaris . [80] Las aleaciones de tungsteno se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, incluidas las industrias aeroespacial y automotriz y el blindaje contra la radiación. [81] Las superaleaciones que contienen tungsteno, como Hastelloy y Stellite , se utilizan en álabes de turbinas y piezas y revestimientos resistentes al desgaste.

La resistencia térmica del tungsteno lo hace útil en aplicaciones de soldadura por arco cuando se combina con otro metal altamente conductor como la plata o el cobre. La plata o el cobre proporcionan la conductividad necesaria y el tungsteno permite que la varilla de soldadura resista las altas temperaturas del entorno de soldadura por arco. [82]

Imanes permanentes

El acero de tungsteno templado (martensítico) (aprox. 5,5% a 7,0% W con 0,5% a 0,7% C) se utilizó para fabricar imanes permanentes duros, debido a su alta remanencia y coercitividad , como lo señaló John Hopkinson (1849-1898) ya en 1886. Las propiedades magnéticas de un metal o una aleación son muy sensibles a la microestructura. Por ejemplo, si bien el elemento tungsteno no es ferromagnético (pero el hierro sí lo es), cuando está presente en el acero en estas proporciones, estabiliza la fase martensita , que tiene mayor ferromagnetismo que la fase ferrita (hierro) debido a su mayor resistencia al movimiento de la pared del dominio magnético .

Militar

El tungsteno, generalmente aleado con níquel , hierro o cobalto para formar aleaciones pesadas, se utiliza en penetradores de energía cinética como una alternativa al uranio empobrecido , en aplicaciones donde la radiactividad del uranio es problemática incluso en forma empobrecida, o donde las propiedades pirofóricas adicionales del uranio no son deseadas (por ejemplo, en balas de armas pequeñas comunes diseñadas para penetrar armaduras corporales). De manera similar, las aleaciones de tungsteno también se han utilizado en proyectiles , granadas y misiles , para crear metralla supersónica. Alemania utilizó tungsteno durante la Segunda Guerra Mundial para producir proyectiles para diseños de cañones antitanque utilizando el principio de ánima comprimida de Gerlich para lograr una velocidad inicial muy alta y una penetración de blindaje mejorada con artillería de campaña de calibre comparativamente pequeño y peso ligero. Las armas eran muy efectivas, pero la escasez de tungsteno utilizado en el núcleo del proyectil, causada en parte por la Crisis de Wolfram , limitó su uso. [ cita requerida ]

El tungsteno también se ha utilizado en explosivos de metales inertes densos , que lo utilizan como polvo denso para reducir los daños colaterales al tiempo que aumentan la letalidad de los explosivos dentro de un radio pequeño. [83]

Aplicaciones químicas

El sulfuro de tungsteno (IV) es un lubricante de alta temperatura y es un componente de los catalizadores para la hidrodesulfuración . [84] El MoS 2 se utiliza más comúnmente para tales aplicaciones. [85]

Los óxidos de tungsteno se utilizan en esmaltes cerámicos y los tungstatos de calcio / magnesio se utilizan ampliamente en iluminación fluorescente . Los tungstatos de cristal se utilizan como detectores de centelleo en física nuclear y medicina nuclear . Otras sales que contienen tungsteno se utilizan en las industrias química y del curtido . [24] El óxido de tungsteno (WO3 ) se incorpora a los catalizadores de reducción catalítica selectiva (SCR) que se encuentran en las centrales eléctricas de carbón. Estos catalizadores convierten los óxidos de nitrógeno ( NOx ) en nitrógeno (N2 ) y agua (H2O ) utilizando amoníaco (NH3 ) . El óxido de tungsteno ayuda a la resistencia física del catalizador y extiende la vida del catalizador. [86] Los catalizadores que contienen tungsteno son prometedores para las reacciones de epoxidación, [87] oxidación, [88] e hidrogenólisis. [89] Los heteropoliácidos de tungsteno son componentes clave de los catalizadores multifuncionales. [90] Los tungstatos se pueden utilizar como fotocatalizador, [91] mientras que el sulfuro de tungsteno como electrocatalizador. [92]

Usos de nicho

Las aplicaciones que requieren su alta densidad incluyen pesos, contrapesos , quillas de lastre para yates, lastre de cola para aviones comerciales, pesos de rotor para helicópteros civiles y militares, y como lastre en autos de carrera para NASCAR y Fórmula Uno . [93] Al ser ligeramente menos del doble de la densidad, el tungsteno se considera una alternativa (aunque más cara) a los plomos de pesca . El uranio empobrecido también se utiliza para estos fines, debido a su densidad igualmente alta. Se utilizaron bloques de setenta y cinco kg de tungsteno como "dispositivos de masa de equilibrio de crucero" en la parte del vehículo de entrada de la nave espacial Mars Science Laboratory de 2012. Es un material ideal para usar como plataforma para remachar , donde la masa necesaria para obtener buenos resultados se puede lograr en una barra compacta. Las aleaciones de alta densidad de tungsteno con níquel, cobre o hierro se utilizan en dardos de alta calidad [94] (para permitir un diámetro más pequeño y, por lo tanto, agrupaciones más ajustadas) o para moscas artificiales (las perlas de tungsteno permiten que la mosca se hunda rápidamente). El tungsteno también se utiliza como perno pesado para reducir la velocidad de disparo de la ametralladora SWD M11/9 de 1300 RPM a 700 RPM. El tungsteno se ha utilizado recientemente en boquillas para impresión 3D ; la alta resistencia al desgaste y la conductividad térmica del carburo de tungsteno mejoran la impresión de filamentos abrasivos. [95] Algunas cuerdas de instrumentos de cuerda incorporan tungsteno. [96] [97] El tungsteno se utiliza como absorbente en el telescopio electrónico del Sistema de Rayos Cósmicos de las dos naves espaciales Voyager . [98]

Sustitución del oro

Su densidad, similar a la del oro, permite que el tungsteno se utilice en joyería como alternativa al oro o al platino . [19] [99] El tungsteno metálico es hipoalergénico y es más duro que las aleaciones de oro (aunque no tan duro como el carburo de tungsteno), lo que lo hace útil para anillos que resistirán los rayones, especialmente en diseños con acabado cepillado .

Debido a que la densidad es tan similar a la del oro (el tungsteno es solo un 0,36% menos denso) y su precio es del orden de una milésima, el tungsteno también se puede utilizar para falsificar lingotes de oro , como por ejemplo recubriendo una barra de tungsteno con oro, [100] [101] [102] lo que se ha observado desde la década de 1980, [103] o tomando una barra de oro existente, perforando agujeros y reemplazando el oro eliminado con varillas de tungsteno. [104] Las densidades no son exactamente las mismas, y otras propiedades del oro y el tungsteno difieren, pero el tungsteno recubierto de oro pasará pruebas superficiales. [100]

El tungsteno bañado en oro está disponible comercialmente en China (la principal fuente de tungsteno), tanto en joyería como en barras. [105]

Electrónica

Debido a que conserva su resistencia a altas temperaturas y tiene un alto punto de fusión , el tungsteno elemental se utiliza en muchas aplicaciones de alta temperatura, [106] como bombillas incandescentes , tubos de rayos catódicos y filamentos de tubos de vacío , elementos de calentamiento y boquillas de motores de cohetes . [19] Su alto punto de fusión también hace que el tungsteno sea adecuado para usos aeroespaciales y de alta temperatura, como aplicaciones eléctricas, de calefacción y soldadura, en particular en el proceso de soldadura por arco de tungsteno con gas (también llamado soldadura con gas inerte de tungsteno (TIG)). [107]

Electrodo de tungsteno utilizado en un soplete de soldadura por arco de tungsteno a gas
El filamento de tungsteno se utiliza en bombillas incandescentes, donde se calienta hasta que brilla.

Debido a sus propiedades conductoras y su relativa inercia química, el tungsteno también se utiliza en electrodos y en las puntas de los emisores de instrumentos de haz de electrones que utilizan cañones de emisión de campo , como los microscopios electrónicos . En electrónica, el tungsteno se utiliza como material de interconexión en circuitos integrados , entre el material dieléctrico de dióxido de silicio y los transistores. Se utiliza en películas metálicas, que sustituyen al cableado utilizado en la electrónica convencional por una capa de tungsteno (o molibdeno ) sobre silicio . [72]

La estructura electrónica del tungsteno lo convierte en una de las principales fuentes de objetivos de rayos X , [108] [109] y también para el blindaje de radiaciones de alta energía (como en la industria radiofarmacéutica para blindar muestras radiactivas de FDG ). También se utiliza en imágenes gamma como material a partir del cual se fabrican aperturas codificadas, debido a sus excelentes propiedades de blindaje. El polvo de tungsteno se utiliza como material de relleno en compuestos plásticos , que se utilizan como sustituto no tóxico del plomo en balas , perdigones y escudos de radiación. Dado que la expansión térmica de este elemento es similar a la del vidrio de borosilicato , se utiliza para fabricar sellos de vidrio a metal. [24] Además de su alto punto de fusión, cuando el tungsteno se dopa con potasio, conduce a una mayor estabilidad de la forma (en comparación con el tungsteno no dopado). Esto garantiza que el filamento no se combe y no se produzcan cambios no deseados. [110]

El tungsteno se utiliza para producir motores de vibración, también conocidos como vibradores móviles. [111] Estos motores son componentes integrales que proporcionan retroalimentación táctil a los usuarios, alertándolos sobre llamadas entrantes, mensajes y notificaciones. [112] La alta densidad, dureza y resistencia al desgaste del tungsteno ayudan a soportar las vibraciones rotacionales de alta velocidad que generan estos motores. [113] [114]

Nanocables

Mediante procesos de nanofabricación de arriba hacia abajo, se han fabricado y estudiado nanocables de tungsteno desde 2002. [115] Debido a una relación superficie-volumen particularmente alta, la formación de una capa de óxido superficial y la naturaleza monocristalina de dicho material, las propiedades mecánicas difieren fundamentalmente de las del tungsteno a granel. [116] Dichos nanocables de tungsteno tienen aplicaciones potenciales en nanoelectrónica y, lo que es más importante, como sondas de pH y sensores de gas. [117] De manera similar a los nanocables de silicio , los nanocables de tungsteno se producen con frecuencia a partir de un precursor de tungsteno a granel seguido de un paso de oxidación térmica para controlar la morfología en términos de longitud y relación de aspecto. [118] Utilizando el modelo Deal-Grove es posible predecir la cinética de oxidación de los nanocables fabricados a través de dicho procesamiento de oxidación térmica. [119]

Energía de fusión

Debido a su alto punto de fusión y buena resistencia a la erosión, el tungsteno es un candidato principal para las secciones más expuestas de la pared interna orientada al plasma de los reactores de fusión nuclear . El tungsteno, como material de componente orientado al plasma, presenta una retención de tritio excepcionalmente baja a través de la codeposición e implantación, lo que mejora la seguridad al minimizar el inventario radiactivo, mejora la eficiencia del combustible al hacer que haya más combustible disponible para las reacciones de fusión y respalda la continuidad operativa al reducir la necesidad de retirar combustible con frecuencia de las superficies. [120] Se utilizará como material orientado al plasma del divertor en el reactor ITER , [121] y actualmente se utiliza en el reactor de prueba JET .

Papel biológico

El tungsteno, con número atómico Z = 74, es el elemento más pesado conocido que es biológicamente funcional. Es utilizado por algunas bacterias y arqueas , [122] pero no en eucariotas . Por ejemplo, las enzimas llamadas oxidorreductasas utilizan el tungsteno de forma similar al molibdeno al usarlo en un complejo tungsteno- pterina con molibdopterina (la molibdopterina, a pesar de su nombre, no contiene molibdeno, pero puede formar complejos con molibdeno o tungsteno en uso por organismos vivos). Las enzimas que utilizan tungsteno normalmente reducen los ácidos carboxílicos a aldehídos. [123] Las oxidorreductasas de tungsteno también pueden catalizar oxidaciones. La primera enzima que requiere tungsteno que se descubrió también requiere selenio, y en este caso el par tungsteno-selenio puede funcionar de forma análoga al emparejamiento molibdeno-azufre de algunas enzimas que requieren molibdopterina. [124] Se sabe que una de las enzimas de la familia de las oxidorreductasas que a veces emplean tungsteno ( la formiato deshidrogenasa H bacteriana) utiliza una versión de molibdopterina con selenio-molibdeno. [125] La acetileno hidratasa es una metaloenzima inusual , ya que cataliza una reacción de hidratación. Se han propuesto dos mecanismos de reacción, en uno de los cuales hay una interacción directa entre el átomo de tungsteno y el triple enlace C≡C. [126] Aunque se ha descubierto que una xantina deshidrogenasa bacteriana que contiene tungsteno contiene tungsteno-molidopterina y también selenio no unido a proteínas, no se ha descrito definitivamente un complejo tungsteno-selenio-molibdopterina. [127]

En el suelo, el metal tungsteno se oxida al anión tungstato . Puede ser importado selectivamente o no selectivamente por algunos organismos procariotas y puede sustituir al molibdato en ciertas enzimas . Su efecto sobre la acción de estas enzimas es en algunos casos inhibidor y en otros positivo. [128] La química del suelo determina cómo se polimeriza el tungsteno; los suelos alcalinos causan tungstatos monoméricos; los suelos ácidos causan tungstatos poliméricos. [129]

Se han estudiado los efectos del tungstato de sodio y el plomo sobre las lombrices de tierra . Se ha descubierto que el plomo es letal en niveles bajos y el tungstato de sodio es mucho menos tóxico, pero el tungstato inhibe por completo su capacidad reproductiva . [130]

El tungsteno se ha estudiado como antagonista metabólico biológico del cobre , con un papel similar al del molibdeno. Se ha descubierto que las sales de tetratiotungstato  [zh] pueden utilizarse como sustancias químicas quelantes biológicas del cobre , de forma similar a los tetratiomolibdatos . [131]

En las arqueas

El tungsteno es esencial para algunas arqueas. Se conocen las siguientes enzimas que utilizan tungsteno:

Se sabe que un sistema wtp transporta tungsteno de forma selectiva en arqueas:

Factores de salud

Debido a que el tungsteno es un metal raro [133] y sus compuestos son generalmente inertes, los efectos del tungsteno sobre el medio ambiente son limitados. [134] Se cree que la abundancia de tungsteno en la corteza terrestre es de aproximadamente 1,5 partes por millón. Es el 58.º elemento más abundante que se encuentra en la Tierra. [135]

Al principio se creía que era un metal relativamente inerte y ligeramente tóxico, pero a partir del año 2000, el riesgo que presentan las aleaciones de tungsteno, sus polvos y partículas de inducir cáncer y varios otros efectos adversos en animales y seres humanos se ha puesto de relieve a partir de experimentos in vitro e in vivo. [136] [137] La ​​dosis letal media DL50 depende en gran medida del animal y del método de administración y varía entre 59 mg/kg (intravenosa, conejos) [ 138] [139] y 5000 mg/kg (polvo de metal de tungsteno, intraperitoneal , ratas). [140] [141]

Las personas pueden estar expuestas al tungsteno en el lugar de trabajo al inhalarlo, tragarlo, por contacto con la piel y con los ojos. El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) ha establecido un límite de exposición recomendado (REL) de 5 mg/m 3 durante una jornada laboral de 8 horas y un límite a corto plazo de 10 mg/m 3 . [142]

En la cultura popular

El tungsteno y las aleaciones de tungsteno ganaron popularidad a través de los cubos y esferas de tungsteno. Esta popularidad comenzó en octubre de 2021 y volvió a aumentar en enero de 2023, a través de las redes sociales. [143]

La principal razón por la que los cubos, esferas y otras formas de tungsteno se hicieron populares es por su novedad como artículo, debido a su densidad. Ningún otro elemento se acerca a la misma densidad en cuanto a costo y disponibilidad, y algunos también son radiactivos.

Véase también

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