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Tungsteno

El tungsteno (también llamado wolframio ) [10] [11] es un elemento químico ; tiene símbolo W y número atómico 74. El tungsteno es un metal raro que se encuentra naturalmente en la Tierra casi exclusivamente como compuestos con otros elementos. Fue identificado como un elemento nuevo en 1781 y aislado por primera vez como metal en 1783. Sus minerales importantes incluyen scheelita y wolframita , este último le da al elemento su nombre alternativo.

El elemento libre destaca por su robustez, especialmente por el hecho de que tiene el punto de fusión más alto de todos los elementos conocidos, fundiéndose a 3.422 °C (6.192 °F; 3.695 K). También tiene el punto de ebullición más alto , a 5.930 °C (10.706 °F; 6.203 K). [12] Su densidad es de 19,30 gramos por centímetro cúbico (0,697 lb/cu in), [13] comparable con la del uranio y el oro , y mucho mayor (unas 1,7 veces) que la del plomo . [14] El tungsteno policristalino es un material intrínsecamente frágil [15] [16] [17] y duro (en condiciones estándar, cuando no está combinado), lo que dificulta su transformación en metal . Sin embargo, el tungsteno monocristalino puro es más dúctil y se puede cortar con una sierra para metales de acero duro . [18]

El tungsteno se encuentra en muchas aleaciones, que tienen numerosas aplicaciones, incluidos filamentos de bombillas incandescentes, tubos de rayos X , electrodos en soldadura por arco de tungsteno con gas , superaleaciones y protección 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 .

El tungsteno es el único metal de la tercera serie de transición que se sabe que se encuentra 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. [19] [20]

Características

Propiedades físicas

En su forma bruta, el tungsteno es un metal duro de color gris acero que a menudo es quebradizo y difícil de trabajar . El tungsteno monocristalino purificado conserva su dureza (que supera la de muchos aceros) y se vuelve lo suficientemente maleable como para poder trabajarlo fácilmente. [18] Se trabaja mediante forja , embutición o extrusión , pero más comúnmente se forma 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 . [21] Aunque el carbono permanece sólido a temperaturas más altas que el tungsteno, el carbono se sublima a la presión atmosférica en lugar de fundirse, por lo que no tiene punto de fusión. Además, la fase cristalina más estable del tungsteno no muestra ninguna transformación estructural inducida por alta presión para presiones de hasta al menos 364 gigapascales. [22] 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. [23] La aleación de pequeñas cantidades de tungsteno con acero aumenta considerablemente su tenacidad . [14]

El tungsteno existe en dos formas cristalinas principales : α y β. El primero tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo y es la forma más estable. La estructura de la fase β se denomina A15 cúbica ; Es metaestable , pero puede coexistir con la fase α en condiciones ambientales debido a una síntesis de desequilibrio o estabilización por impurezas. A diferencia de la fase α que cristaliza en granos isométricos, la forma β presenta un hábito columnar . La fase α tiene un tercio de la resistividad eléctrica [24] 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. [25] [26] El valor T C también se puede aumentar aleando tungsteno con otro metal (por ejemplo, 7,9 K para W- Tc ). [27] Estas aleaciones de tungsteno se utilizan a veces en circuitos superconductores de baja temperatura. [28] [29] [30]

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. En teoría, los cinco pueden descomponerse en isótopos del elemento 72 ( hafnio ) mediante emisión alfa. , pero se ha observado que sólo 180 W lo hacen, con una vida media de(1,8 ± 0,2) × 10 18 años; [31] [32] en promedio, esto produce alrededor de dos desintegraciones alfa de 180 W por gramo de tungsteno natural por año. [33] Esta tasa equivale a una actividad específica de aproximadamente 63 microbecquerel por kilogramo. Esta tasa de desintegración es mucho menor que la observada en el carbono o el potasio que se encuentran en la Tierra, que también contienen pequeñas cantidades de isótopos radiactivos de larga vida. Durante mucho tiempo se pensó que el bismuto no era radiactivo, pero209
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 superior a la del tungsteno natural, con 3 milibecquerelios por kilogramo. No se ha observado que los otros isótopos naturales del tungsteno se desintegren, lo que obliga a que sus vidas medias sean al menos4 × 10 21  años .

Se han caracterizado otros 34 radioisótopos artificiales de tungsteno, 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. [33] Todos los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias de menos de 3 horas, y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a 8 minutos. [33] El tungsteno también tiene 11  metaestados , siendo el más estable 179 m W ( t 1/2  6,4 minutos).

Propiedades químicas

El tungsteno es un elemento mayoritariamente 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 ni el aire a temperatura ambiente. A temperaturas elevadas (es decir, cuando está al rojo vivo) reacciona con el oxígeno para formar el compuesto trióxido de tungsteno (VI), WO 3 . Sin embargo, reaccionará directamente con el flúor (F 2 ) a temperatura ambiente para formar fluoruro de tungsteno (VI) (WF 6 ), un gas incoloro. Alrededor de 250 °C reaccionará con cloro o bromo y, en determinadas condiciones de calor, reaccionará con yodo. El tungsteno finamente dividido es pirofórico . [34] [35]

El estado de oxidación formal más común del tungsteno es +6, pero presenta todos los estados de oxidación desde −2 hasta +6. [35] [36] El tungsteno normalmente se combina con oxígeno para formar el óxido tungstico amarillo , WO 3 , que se disuelve en soluciones alcalinas acuosas para formar iones de tungstato, WO.2-4
_.

Los carburos de tungsteno (W 2 C y WC) se producen calentando tungsteno en polvo con carbono. W 2 C es resistente al ataque químico, aunque reacciona fuertemente con el cloro para formar hexacloruro de tungsteno (WCl 6 ). [14]

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
2W.
12oh10-42
_. [37] Una mayor acidificación produce el anión metatungstato muy soluble, H
2W.
12oh6-40
_, después del cual se alcanza el equilibrio. El ion metatungstato existe como un grupo simétrico de doce octaedros de tungsteno -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. Éstos se conocen 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 los átomos estables . [38] [39]

Historia

En 1781, Carl Wilhelm Scheele descubrió que se podía producir un nuevo ácido , el ácido tungstico , a partir de scheelita (en aquella época llamada tungsteno). [40] [41] Scheele y Torbern Bergman sugirieron que podría ser posible obtener un nuevo metal reduciendo este ácido. [42] En 1783, José y Fausto Elhuyar encontraron un ácido elaborado a partir de wolframita que era idéntico al ácido tungstico. Más tarde ese mismo año, en la Real Sociedad Vasca de la localidad de Bergara , España, los hermanos lograron aislar el tungsteno mediante la reducción de este ácido con carbón vegetal , y se les atribuye el descubrimiento del elemento (lo llamaron "volframio" o "volframio". volfram"). [43] [44] [45] [46] [47]

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 , restringir el acceso alemán a otros lugares. [48] ​​En la Segunda Guerra Mundial , el tungsteno jugó un papel más importante en los acuerdos políticos de fondo. Portugal, como principal fuente europea del elemento, se vio presionado por 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 aleaciones, lo convirtieron en una materia prima importante para la industria armamentística, [49] [50] tanto como componente de armas y equipos como empleado en la producción misma. , por ejemplo, en herramientas de corte de carburo de tungsteno para mecanizar acero. Ahora el tungsteno se utiliza en muchas más aplicaciones, como pesas de lastre para aviones y deportes de motor, dardos, herramientas antivibración y equipos deportivos.

El tungsteno es único entre los elementos porque 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 . [51] [52] [53]

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 usa en inglés, francés y muchos otros idiomas como nombre del elemento, pero wolframio ( o volfram ) se utiliza en la mayoría de las lenguas europeas (especialmente germánica, española y eslava) y se deriva del mineral wolframita , que es el origen del símbolo químico W. [18] El nombre wolframita se deriva del alemán wolf rahm ( ' hollín de lobo, crema de lobo ' ), nombre dado al tungsteno por Johan Gottschalk Wallerius en 1747. Este, a su vez, deriva del latín lupi spuma , nombre que utilizó Georg Agricola. 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. [9] Esta denominación sigue una tradición de nombres coloridos que los mineros de las Montañas Metálicas daban a varios minerales, debido a la superstición de que algunos que parecían contener metales valiosos entonces conocidos, pero que cuando se extraían estaban de alguna manera "hechizados". El cobalto (cf. Kobold ), la pechblenda (cf. alemán blenden , " cegar, engañar " ) y el níquel (cf. "Old Nick") derivan sus nombres del mismo idioma minero.

Ocurrencia

Mineral de Wolframita, con escala en cm.

Hasta ahora el tungsteno no se ha encontrado en la naturaleza en su forma pura. [54] En cambio, el tungsteno se encuentra principalmente en los minerales wolframita y scheelita . [54] La wolframita es tungstato de hierro - 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 de W 6 Cl 18 ("tricloruro de tungsteno")

El tungsteno forma compuestos químicos en estados de oxidación del -II al VI. Los estados de oxidación más altos, siempre como óxidos, son relevantes para su aparición terrestre y sus funciones biológicas, los estados de oxidación de nivel medio a menudo se asocian con grupos de metales y los estados de oxidación muy bajos se asocian típicamente con complejos de CO . Las químicas del tungsteno y el molibdeno muestran grandes 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 ). [55] El óxido de tungsteno (VI) es soluble en una base acuosa y forma tungstato (WO 4 2− ). Este oxianión se condensa a valores de pH más bajos , formando polioxotungstatos . [56]

La amplia gama de estados de oxidación del tungsteno se refleja en sus diversos cloruros: [55]

Los compuestos de organotungsteno 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 forma una parte importante de la economía del país. [ cita necesaria ]

Reservas

Las reservas mundiales de tungsteno son de 3.200.000 toneladas; se encuentran principalmente en China (1.800.000 t), Canadá (290.000 t), [57] 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 dejó de producir 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 internas, y superó a Rusia y Bolivia. [58]

China sigue siendo el 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 procedente de los procesos de minería y refinación. [59]

Hay un gran depósito de mineral de tungsteno en las afueras de Dartmoor en el Reino Unido , que fue explotado durante la Primera Guerra Mundial y la Segunda Guerra Mundial como la mina Hemerdon . Tras los aumentos en los precios del tungsteno, esta mina se reactivó en 2014, [60] pero cesó sus actividades en 2018. [61]

Dentro de la UE , el depósito austriaco de scheelita Felbertal es una de las pocas minas que producen tungsteno. [62] Portugal es uno de los principales productores de tungsteno de Europa, con 121 kt de tungsteno contenido en concentrados minerales entre 1910 y 2020, lo que representa aproximadamente el 3,3% de la producción mundial. [63]

El tungsteno se considera un mineral conflictivo debido a las prácticas mineras poco éticas que se observan en la República Democrática del Congo . [64] [65]

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. [42] 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 con hidrógeno de WF 6 :

WF 6 + 3 H 2 → W + 6 HF

o descomposición pirolítica : [66]

WF 6 → W + 3 F 2 ( Δ H r = +)

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 suele utilizar referencias de precios independientes como Argus Media o Metal Bulletin como base para los contratos. [67] Los precios suelen indicarse para concentrado de tungsteno o WO 3 . [58]

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 . [68] Debido a la alta temperatura de transición dúctil-frágil del tungsteno, sus productos se fabrican convencionalmente mediante pulvimetalurgia , sinterización por plasma por 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. [69]

Industrial

El tungsteno se utiliza principalmente en la producción de materiales duros a base de carburo de tungsteno (WC), uno de los carburos más duros . El WC es un conductor eléctrico eficiente , pero el W 2 C lo es menos. El WC se utiliza para fabricar abrasivos resistentes al desgaste y herramientas de corte de "carburo", como cuchillos, taladros, sierras circulares , troqueles , herramientas de fresado y torneado utilizadas en las industrias metalúrgica, maderera, minera , petrolera y de la construcción. [14] Las herramientas de carburo son en realidad un compuesto cerámico/metal, 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 alrededor del 60% del consumo actual de tungsteno. [70]

La industria de la joyería fabrica anillos de carburo de tungsteno sinterizado , compuestos de carburo de tungsteno/metal y también tungsteno metálico. [71] Los anillos compuestos de WC/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 . [72] 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 por más tiempo que los anillos hechos de tungsteno metálico. Sin embargo, los anillos de carburo de tungsteno son frágiles y pueden romperse con un golpe fuerte. [73]

Aleaciones

La dureza y resistencia al calor del tungsteno pueden contribuir a la obtención de aleaciones útiles . Un buen ejemplo es el acero rápido , que puede contener hasta un 18% de tungsteno. [74] El alto punto de fusión del tungsteno lo convierte en un buen material para aplicaciones como boquillas de cohetes , por ejemplo en el misil balístico lanzado desde submarino UGM-27 Polaris . [75] Las aleaciones de tungsteno se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, incluidas las industrias aeroespacial y automotriz y de protección contra la radiación. [76] Las superaleaciones que contienen tungsteno, como Hastelloy y Stellite , se utilizan en álabes de turbinas y en piezas y revestimientos resistentes al desgaste.

La resistencia al calor 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. [77]

Magnetos permanentes

El acero de tungsteno templado (martensítico) (aproximadamente 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 señaló John Hopkinson (1849-1898) como 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 sí lo es el hierro ), 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 a la acción magnética. movimiento de la pared de dominio .

Militar

El tungsteno, normalmente aleado con níquel , hierro o cobalto para formar aleaciones pesadas, se utiliza en penetradores de energía cinética como alternativa al uranio empobrecido , en aplicaciones donde la radiactividad del uranio es problemática incluso en su forma empobrecida, o donde no se desean las propiedades pirofóricas adicionales del uranio. (por ejemplo, en las balas de armas pequeñas ordinarias diseñadas para atravesar chalecos antibalas). 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 compresión de Gerlich para lograr una velocidad de salida muy alta y una mayor penetración del blindaje a partir de 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 del Wolfram , limitó su uso. [ cita necesaria ]

El tungsteno también se ha utilizado en explosivos metálicos densos e inertes , que lo utilizan como polvo denso para reducir los daños colaterales y al mismo tiempo aumentar la letalidad de los explosivos dentro de un radio pequeño. [78]

Aplicaciones químicas

El sulfuro de tungsteno (IV) es un lubricante de alta temperatura y es un componente de catalizadores para la hidrodesulfuración . [79] MoS 2 se utiliza más comúnmente para este tipo de aplicaciones. [80]

Los óxidos de tungsteno se utilizan en esmaltes cerámicos y los tungstatos de calcio y magnesio se utilizan ampliamente en iluminación fluorescente . Los cristales de tungstato se utilizan como detectores de centelleo en física nuclear y medicina nuclear . Otras sales que contienen tungsteno se utilizan en la industria química y del curtido . [21] El óxido de tungsteno (WO 3 ) se incorpora a los catalizadores de reducción catalítica selectiva (SCR) que se encuentran en las centrales eléctricas alimentadas con 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 prolonga su vida útil. [81] Los catalizadores que contienen tungsteno son prometedores para reacciones de epoxidación, [82] oxidación, [83] e hidrogenólisis. [84] Los heteropoliácidos de tungsteno son componentes clave de los catalizadores multifuncionales. [85] Los tungstatos se pueden utilizar como fotocatalizador, [86] mientras que el sulfuro de tungsteno se utiliza como electrocatalizador. [87]

Usos especializados

Las aplicaciones que requieren su alta densidad incluyen pesas, contrapesos , quillas de lastre para yates, lastre de cola para aviones comerciales, contrapesos de rotor para helicópteros civiles y militares y como lastre en autos de carrera para NASCAR y Fórmula Uno . [88] Al tener un poco menos del doble de densidad, el tungsteno se considera una alternativa (aunque más cara) a los plomos de pesca . Para estos fines también se utiliza uranio empobrecido , debido a su igualmente alta densidad. Se utilizaron bloques de tungsteno de setenta y cinco kg como "dispositivos de equilibrio de masa en crucero" en la parte del vehículo de entrada de la nave espacial Mars Science Laboratory de 2012 . Es un material ideal para utilizar como carro para remachar , donde se puede conseguir la masa necesaria para buenos resultados en una barra compacta. Las aleaciones de alta densidad de tungsteno con níquel, cobre o hierro se utilizan en dardos de alta calidad [89] (para permitir un diámetro más pequeño y, por tanto, agrupaciones más estrechas) o para moscas artificiales (las perlas de tungsteno permiten que la mosca se hunda rápidamente). El tungsteno también se utiliza como cerrojo pesado para reducir la velocidad de disparo del subfusil 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. [90] Algunas cuerdas de instrumentos de cuerda incorporan tungsteno. [91] [92] El tungsteno se utiliza como absorbente en el telescopio electrónico del sistema de rayos cósmicos de las dos naves espaciales Voyager . [93]

Sustitución de oro

Su densidad, similar a la del oro, permite utilizar el tungsteno en joyería como alternativa al oro o al platino . [18] [94] El tungsteno metálico es hipoalergénico y más duro que las aleaciones de oro (aunque no tan duro como el carburo de tungsteno), lo que lo hace útil para anillos que resisten los rayones, especialmente en diseños con un acabado cepillado .

Debido a que la densidad es muy similar a la del oro (el tungsteno es sólo un 0,36% menos denso), y su precio del orden de una milésima, el tungsteno también se puede utilizar en la falsificación de lingotes de oro , por ejemplo, recubriendo una barra de tungsteno con oro, [95] [96] [97] que se ha observado desde la década de 1980, [98] o tomar una barra de oro existente, perforar agujeros y reemplazar el oro extraído con varillas de tungsteno. [99] Las densidades no son exactamente las mismas y otras propiedades del oro y el tungsteno difieren, pero el tungsteno chapado en oro pasará pruebas superficiales. [95]

El tungsteno chapado en oro está disponible comercialmente en China (la principal fuente de tungsteno), tanto en joyería como en barras. [100]

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, [101] como bombillas incandescentes , tubos de rayos catódicos y filamentos de tubos de vacío , elementos calefactores y cohetes. boquillas del motor . [18] 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 de soldadura, especialmente en el proceso de soldadura por arco de tungsteno con gas (también llamado soldadura con gas inerte de tungsteno (TIG)). [102]

Electrodo de tungsteno utilizado en un soplete de soldadura por arco de tungsteno con gas.

Debido a sus propiedades conductoras y su relativa inercia química, el tungsteno también se utiliza en electrodos y en las puntas emisoras de instrumentos de haz de electrones que utilizan pistolas 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 el cableado utilizado en la electrónica convencional por una capa de tungsteno (o molibdeno ) sobre silicio . [66]

La estructura electrónica del tungsteno lo convierte en una de las principales fuentes de objetivos de rayos X , [103] [104] y también para proteger contra radiaciones de alta energía (como en la industria radiofarmacéutica para proteger muestras radiactivas de FDG ). También se utiliza en imágenes gamma como material a partir del cual se fabrican aberturas codificadas, debido a sus excelentes propiedades de protección. 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 contra la 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. [21] Además de su alto punto de fusión, cuando el tungsteno está dopado con potasio, conduce a una mayor estabilidad de la forma (en comparación con el tungsteno no dopado). Esto asegura que el filamento no se combe y que no se produzcan cambios no deseados. [105]

Nanocables

A través de procesos de nanofabricación de arriba hacia abajo , se han fabricado y estudiado nanocables de tungsteno desde 2002. [106] 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 los de tungsteno a granel. [107] Estos nanocables de tungsteno tienen aplicaciones potenciales en nanoelectrónica y, lo que es más importante, como sondas de pH y sensores de gas. [108] De manera similar a los nanocables de silicio , los nanocables de tungsteno se producen frecuentemente a partir de un precursor de tungsteno en masa seguido de un paso de oxidación térmica para controlar la morfología en términos de longitud y relación de aspecto. [109] Utilizando el modelo de Deal-Grove es posible predecir la cinética de oxidación de nanocables fabricados mediante dicho procesamiento de oxidación térmica. [110]

El poder de la fusion

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 . Se utilizará como material de revestimiento de plasma del desviador del reactor ITER [111] y actualmente se utiliza en el reactor de prueba JET .

papel biológico

El tungsteno, con número atómico Z = 74, es el elemento más pesado que se sabe que es biológicamente funcional. Es utilizado por algunas bacterias y arqueas , [112] pero no en eucariotas . Por ejemplo, las enzimas llamadas oxidorreductasas usan tungsteno de manera similar al molibdeno , usándolo en un complejo de tungsteno- pterina con molibdopterina (la molibdopterina, a pesar de su nombre, no contiene molibdeno, pero puede formar complejos con molibdeno o tungsteno cuando lo utilizan organismos vivos). Las enzimas que utilizan tungsteno suelen reducir los ácidos carboxílicos a aldehídos. [113] Las oxidorreductasas de tungsteno también pueden catalizar oxidaciones. La primera enzima que requiere tungsteno descubierta también requiere selenio y, en este caso, el par tungsteno-selenio puede funcionar de manera análoga al par molibdeno-azufre de algunas enzimas que requieren molibdopterina. [114] Se sabe que una de las enzimas de la familia de las oxidorreductasas que a veces emplea tungsteno ( formiato deshidrogenasa H bacteriana) utiliza una versión de selenio-molibdeno de molibdopterina. [115] La acetileno hidratasa es una metaloenzima inusual porque cataliza una reacción de hidratación. Se han propuesto dos mecanismos de reacción, en uno de los cuales se produce una interacción directa entre el átomo de tungsteno y el triple enlace C≡C. [116] Aunque se ha descubierto que una xantina deshidrogenasa de bacterias que contiene tungsteno contiene tungsteno-molidopterina y también selenio no unido a proteínas, no se ha descrito definitivamente un complejo de tungsteno-selenio-molibdopterina. [117]

En el suelo, el tungsteno metálico se oxida al anión tungstato . Puede ser importado selectiva o no selectivamente por algunos organismos procarióticos 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. [118] La química del suelo determina cómo se polimeriza el tungsteno; los suelos alcalinos causan tungstatos monoméricos; Los suelos ácidos causan tungstatos poliméricos. [119]

Se han estudiado el efecto del tungstato de sodio y el plomo sobre las lombrices de tierra . Se descubrió que el plomo era letal en niveles bajos y el tungstato de sodio era mucho menos tóxico, pero el tungstato inhibía por completo su capacidad reproductiva . [120]

El tungsteno ha sido estudiado como antagonista metabólico biológico del cobre , en un papel similar a la acción del molibdeno. Se ha descubierto que las sales de tetratiotungstato  [zh] pueden usarse como productos químicos biológicos quelantes del cobre , similares a los tetratiomolibdatos . [121]

en arqueas

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

Se sabe que un sistema wtp transporta selectivamente tungsteno en arqueas:

Factores de salud

Debido a que el tungsteno es un metal raro [123] y sus compuestos son generalmente inertes, los efectos del tungsteno en el medio ambiente son limitados. [124] Se cree que la abundancia de tungsteno en la corteza terrestre es de aproximadamente 1,5 partes por millón. Es uno de los elementos más raros.

Al principio se creyó que era un metal relativamente inerte y sólo ligeramente tóxico, pero a partir del año 2000, se ha descubierto el riesgo que presentan las aleaciones de tungsteno, sus polvos y partículas de inducir cáncer y varios otros efectos adversos en animales y humanos. destacado de experimentos in vitro e in vivo. [125] [126] La dosis letal media LD 50 depende en gran medida del animal y del método de administración y varía entre 59 mg/kg (intravenosa, conejos) [127] [128] y 5000 mg/kg (polvo de tungsteno metálico, intraperitoneal , ratas). [129] [130]

Las personas pueden quedar expuestas al tungsteno en el lugar de trabajo al inhalarlo, tragarlo, al 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 . [131]

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. [132]

La razón principal 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.

Ver también

Referencias

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