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钨（元素周期表中第二长周期元素）

次浏览 | 更新时间：2023-05-19

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钨

元素周期表中第二长周期元素

钨（Tungsten），一种化学元素，其化学符号为W，原子序数为74，属于金属元素，是钢灰色至白色金属，体心立方结构，单质钨性质稳定，自然界中钨主要以+6价出现，是一种高密度、高熔点、高硬度的金属材料，具有耐腐蚀、强射线吸收能力、强度高等优点，可以与卤素、非金属元素（C、N、O等）、酸（王水）反应，在医疗、军工、电力电子领域具有广泛的应用。

基本信息

中文名

钨

英文名

Tungsten

拼音

wū

元素符号

原子序数

原子质量

183.84

元素类别

金属元素

族

ⅥB

周期

六

区

电子排布

[Xe]4f¹⁴5d⁴6s²

CAS编号

7440-33-7

物理性质

物态

钢灰色至白色金属

密度

19.3g/cm³

熔点

3410°C

沸点

5900°C（101.325kPa）

熔化热

35.3kJ/mol

汽化热

806.7kJ/mol

比热容

24.27J/mol·K

原子性质

氧化态

电负性

2.36（鲍林标度）

原子半径

141pm

发现历史

钨于17世纪首次出现在大众的视野当中，并因其在锡石的还原过程中起到干扰因素而得到“wolfrahm”的绰号。

1758年，瑞典矿物学家、化学家克朗斯泰特发现一种新矿物，认为其中一定包含了一种未知元素待发现，并以“tungsten”为该矿物命名，中文可译为重石。

1781年，瑞典化学家卡尔·威廉·舍勒（Carl Wilhelm Scheele）发现白钨矿。他从白钨矿中提取出钨酸，并认为可将钨酸进行还原从而得到一种新的金属。

1783年，在卡尔·威廉·舍勒的带领下，来自西班牙的化学家浮士图·德卢亚尔（Fausto de Elhuyar）与胡塞·德卢亚尔（Juan José Elhuyar）从黑钨矿中也提取出钨酸，并以碳作为还原剂将三氧化钨还原，第一次得到钨粉，并以“Tungsten”为其命名。

分布情况

钨，主要存在于黑钨矿、钨锰铁矿、白钨矿、钨锰矿和钨铁矿五类矿石中。

钨矿资源在全球的分布不均匀，集中分布在奥地利、葡萄牙、中国、加拿大、美国、俄罗斯、玻利维亚等。截止2011年年底，全球已探明钨资源储量总计约310万吨，其中中国作为钨资源储量最丰富的国家，钨储量为190万吨，约占世界钨资源储量的61.29%；俄罗斯作为钨资源储量世界排名第二的国家，钨储量为25万吨，约占世界钨资源储量的8.07%；美国的钨资源储量为14万吨，约占世界钨资源储量的4.52%；加拿大的钨资源储量为12万吨，约占世界钨资源储量的3.34%。

中国作为钨资源储量、产量、消费量和出口量均世界第一的国家，钨矿资源主要分布在云南、湖南、河南、新疆、江西、浙江、广西等23个省（区），其中，河南、江西和湖南拥有最为丰富的钨资源，随着近些年对钨矿的过度开发，中国的钨资源出现资源保障度不足的情况，需依赖进口。但随着探测技术的不断精进与企业资金的不断投入，探明的钨矿资源量有了快速增长。

物质结构

钨属于体心立方点阵，点阵常数0.31652nm，原子半径0.13706nm，具有α型和β型两种变型。在常压和标准温度下是α型，为体心立方结构；仅有630℃以下的有氧环境下是β型，β型钨中的钨原子属于两套等效点系，每个晶胞含有两个W₁和六个W₂，晶体结构空间群为Pm3n。

理化性质

物理性质

钨，体心立方结构，钢灰色至白色金属，是难熔金属中的典型，具有高熔点、高密度、高弹性模量、高强度、高硬度、高抗高温蠕变性能、低蒸气压、低膨胀系数、耐腐蚀、导热与导电性能好和电子发射能力强等特点。

化学性质

化学性质概述

单质钨性质稳定，电子排布为4f¹⁴5d⁴6s²，所有5d和6s电子均可参与键合，存在-2、-1、0、+2、+3、+4、+5、+6多种价态，但在自然界中钨主要以+6价出现在化合物中。地壳中的钨以+6 和+4两种价态存在，大多以[WO₄²]⁻形式存在，基性岩浆中的钨以+4价存在。

W⁶⁺具有极化能力强、离子半径小等特点，易形成络阴离子[WO₄²]⁻，[WO₄]²⁻与Fe²⁺、Ca²⁺和Mn²⁺等离子结合形成沉淀。自然界中钨主要以独立矿物（黑钨矿、白钨矿、钨华类矿物等）、类质同象进入副矿物与造岩矿物（钨浓度低的情况下）、钨酸或其他络合物状态（水、岩浆、粒间流体）、离子吸附状态（表生的细屑、胶体）存在。

与非金属元素反应

钨可与卤素、N₂、O₂、C等非金属元素发生反应。在室温条件下，钨可与F₂发生反应；在250℃的条件下，钨可与Cl₂发生反应；在红热情况下，钨与Br₂和I₂发生反应；在高温条件下，钨与C反应，生成WC与W₂C；在1200~1500℃之间，钨与N₂发生反应，生成WN₂；在400℃时，钨与O₂发生反应，生成WO₃；钨与S不发生反应。

与水反应

钨在700℃的条件下还能与水发生反应。

与酸反应

钨不与稀、浓、冷、热的盐酸、硫酸和硝酸发生反应，只能与“王水”或HF、HNO₃的混合溶液发生反应。

与有机物反应

钨在高温条件下可与甲烷、乙炔、碘甲烷等有机物发生反应。

与盐反应

钨在不同条件下可与碳酸钠、氯化铁等盐发生反应。

制备方法

钨精矿分解

钨可通过从钨精矿（白钨精矿和黑钨精矿）中分解获得。

用盐酸浸泡白钨精矿使其分解，过滤，保留沉淀，沉淀为粗钨酸。滤液用碳酸钠进行压煮，得到钨酸钠溶液，再加入氯化钙，产生沉淀，沉淀为人造白钨。对人造白钨再次使用盐酸进行分解，沉淀与第一步所得沉淀合并，用氨水溶解，再蒸发结晶，得到仲钨酸铵。对仲钨酸铵进行干燥与煅烧，得到化学纯三氧化钨，再用氢还原，得到钨粉。以钨粉为原料，通过成型、烧结和熔炼可得到钨条与钨锭。

从黑钨精矿获得钨锭与钨条，首先用氢氧化钠溶液浸泡黑钨精矿，并用碳酸钠烧结、浸出，得到钨酸钠溶液，再加入氯化钙，产生沉淀，沉淀为人造白钨。后续步骤与白钨精矿分解得到钨步骤一致，最终也得到钨条与钨锭。

纯化方法

钨还可通过还原法、电解法、萃取法等方式获得。还原法是使用氢气还原氧化钨、氯化钨，最终获得超细钨粉的反应，常在工业中使用。电解法是通过电解冶金法进行提纯，可除去铁、钼等电活性低于钨的杂质，还可通过将电活性高于钨的杂质留在熔体内除去，具有较高的选择性。萃取法是使用中和法从（NH₄）₂WO₄中得到仲钨酸铵的过程中产生的含较多钨的母液，对母液进行萃取可回收钨。通过向母液中加入烧碱进行转化和浓缩，得到钨酸钠溶液，再制得WO₃。

应用领域

钨合金

钨可与其他金属按一定比例混合制成合金，所制成的合金具有更低的膨胀系数、合适的强度、延展性与良好的机械加工性。如钨-铂合金具有良好的机械性能，钨-锌合金具有优良的低温延展性和高温强度，被广泛应用于核反应堆的管道系统、宇宙飞船的建造、真空炉、氢气炉等。

医学领域

钨可用于CT（Computed tomography），即 X 射线计算机断层成像仪器的制造。由于钨具有良好的抗射线穿透能力，且可以保证较薄的尺寸，故被用于制作CT机的探测器和准直器。其中探测器可分为固定探测器和气体探测器两种，主要作用均为将通过人体组织后的X射线信号转化为电信号。其中，气体探测器利用氙气电离的原理，当X射线进入高压氙气腔后，氙气发生电离，正离子移向负极，而负离子被钨器件吸收，产生信号电流，电流的大小与入射的X射线强度成正比，可直接反映检测器对X射线的吸收量。

半导体领域

传统的ULSI（超大规模集成电路）由Al、Cu、Ag等金属制成，但由于Al、Cu、Ag等金属会通过扩散作用与介质层中的Si或SiO₂形成金属硅化物，阻碍电子的通过，使得半导体内连线中的电流密度大幅下降。通过添加钨制成合金的阻挡层，可有效地阻挡Al、Cu、Ag等金属原子的扩散，从而改善半导体电流密度降低的问题。同时，钨还可用于半导体内金属层间通孔和垂直接触的接触孔的填充物。

军事领域

钨由于具有密度大、塑性好、在形成射流过程中不易气化等特点可用于制造药型罩，以此来提供强大的破甲能力。可通过化学气相沉积法和粉末烧结锻造车削加工工艺来制造纯钨药型罩。

此外钨还可用于制造复合药型罩。钨与铜的复合材料具有高强度、高硬度、高耐电弧侵蚀性等优势，以此复合材料制成的复合药型罩具有较高的密度与机械强度，破甲能力也远高于单一材料制成的药型罩。

微电子领域

钨由于自身独特的纳米结构，可制成钨纳米线，用于提高微电子和显微技术。如，直径在亚微米级的钨尖可用于制作成显微镜探针；直径在几个到几十个微米间的钨尖可用于制作成在大规模集成电路板上打孔的微钻；直径在100nm左右的钨尖可用于冷场发射器。

安全事宜

环境安全

毒性特征

对动物的毒性特征

钨可通过直接摄入等多种途径由自然界向动物体内进行转移并不断累积，最终影响动物体的生长和发育过程。科学家以蜗牛、蚯蚓为实验体，探究了钨在生物体内的迁移路径、累积特点和对生物体的影响，得出食物是生物体富集钨的重要渠道，且与重金属的铅相比，钨对生物的影响小于铅，但在生物体的繁殖过程中仍有较强的毒性，在浓度达到859mg·kg⁻¹时会直接毒害生物体个体。此外，氧化钨、钨合金和钨酸盐对动物的毒性也具有较大差异。钨酸盐对动物的毒性体现在氧化应激等方面。科学家以小白鼠为实验体，探究钨酸盐对动物的毒性，得到小鼠口服钨酸钠后B淋巴细胞发育受到干扰，进而造成骨骼内DNA损伤，同时钨主要富集在骨骼和脾脏之中。科学家以孔雀鱼为实验体，发现多聚钨酸盐的毒性强于钨酸盐。钨合金对动物的毒性则体现在遗传毒性、生理代谢和肺部炎症等方面。

对植物的毒性特征

钨对植物的毒性特征主要体现在抑制生长代谢、阻碍幼苗生长、导致植物体细胞程序性死亡、导致植物体各部位生物量减少等方面。科学家们研究发现，低浓度的钨（1~10mg/Kg）可一定程度的加速植物（西兰花、小麦、牧草等）生长，但高浓度的钨（100mg/Kg）会使植物体内的酶活性增强，诱导产生木质素，进而降低幼苗的生长，同时还会阻碍植物体的碳代谢途径，影响植物体芽和根的生长。超高浓度的钨因抑制氮素的同化作用，甚至会直接引起植物体的死亡。