鎢的特性介紹及其它的有趣事實

穿甲彈、火箭發動機噴嘴和用於穿透實心巖石的鑽頭僅僅是鎢這種宇宙中最堅硬和耐高溫元素之一生產的部分產品之一。

像大多數其他金屬元素一樣,鎢並不是以一塊閃亮的金屬存在於自然界中。它需要從其他化合物中化學分離,在本例中是天然礦物鐵鎢礦。因此,鎢在元素週期表中的符號不是T而是W,這是「鎢」的縮寫。鎢這個名字在瑞典語中的意思是「重石」,指的是這個元素驚人的密度和重量。其原子序數(原子核中的質子數量)是74,原子量(自然存在的同位素的加權平均值)是183.84。

一對西班牙化學家(兼兄弟),胡安·何塞和福斯託·埃爾赫亞,因於1783年首次從鐵鎢礦中分離出灰白色的金屬而被譽為鎢的發現者。

所有金屬中最高的熔點

鎢的一個最令人印象深刻和有用的特性是其高熔點,這是所有金屬元素中最高的。純鎢在6192華氏度(3422攝氏度)時熔化,且只有當溫度達到10030華氏度(5555攝氏度)時才會沸騰,這與太陽光球層的溫度相同。

相比之下,鐵的熔點為2800華氏度(1538攝氏度),而黃金在僅僅1947.52華氏度(1064.18攝氏度)時就會變成液態。

所有金屬都有相對較高的熔點,因為它們的原子以緊密的金屬鍵結合在一起,化學家和材料科學家約翰·紐賽姆(John Newsam)說道。金屬鍵之所以如此強大,是因為它們在整個三維原子陣列之間共享電子。紐賽姆說鎢之所以能比其他金屬持久,是因為其金屬鍵的強度和方向性異常。

「為什麼這很重要?」紐賽姆問道。「想想愛迪生在製作白熾燈燈絲時需要的材料。他需要一種既能發光又不會因高溫而熔化的材料。」

愛迪生曾嘗試了很多不同的燈絲材料,包括鉑、銥和竹子,但真正讓鎢燈絲在20世紀的燈泡中大放異彩的是另一位美國發明家,威廉·庫裡奇(William Coolidge)。

鎢的高熔點在其他情況下也有優勢,例如當它與鋼等材料混合成合金時。鎢合金被鍍在需要承受巨大熱量的火箭和導彈部分上,包括噴射出爆炸性火箭燃料的發動機噴嘴。

為什麼鎢如此沉重

不同元素的密度反映了其組成原子的大小。在元素週期表中越往下,原子越大越重。

「像鎢這樣的重元素,其原子核中有更多的質子和中子,並且在原子核周圍有更多的電子,」紐賽姆說。「這意味著當你往週期表的下方走時,一個原子的重量顯著增加。」

實際上,如果你用一隻手拿著一塊鎢,用另一隻手拿著相同體積的銀或鐵,你會覺得鎢要重得多。具體而言,鎢的密度為每立方釐米19.3克。相比之下,銀的密度大約是鎢的一半(10.5 g/cm³),而鐵的密度幾乎是它的三分之一(7.9 g/cm³)。

鎢的高密度在某些應用中是一個優勢。例如,它經常用於穿甲彈,因為其密度和硬度。軍方還使用鎢製造所謂的「動能轟擊」武器,這些武器像空中攻城槌一樣射出鎢棒,以撞破牆壁和坦克裝甲。

在冷戰期間,空軍曾據稱實驗過一個名為「索爾計劃」(Project Thor)的想法,該計劃是將一束20英尺(6米)長的鎢棒從軌道上投向敵方目標。這些所謂的「上帝之杖」將會以核武器的破壞力撞擊,但沒有核輻射汙染。事實證明,將這些沉重的鎢棒發射到太空中的成本非常高昂。

只有鑽石比鎢碳化物更硬

純鎢並不那麼硬——你可以用手鋸鋸開它——但當鎢與少量碳結合時,它就變成了鎢碳化物,地球上最硬最堅韌的物質之一。

「當你在鎢中加入少量碳或其他金屬時,它會固定結構並防止它輕易變形,」紐賽姆說。

鎢碳化物如此之硬,以至於只能用鑽石切割,即便如此,鑽石也只能在鎢碳化物未完全固化時有效。鎢碳化物的剛性是鋼的三倍,在高度磨損的條件下能比鋼更耐久長達100倍,並具有所有鍛造金屬中最大的抗壓強度,這意味著它在巨大壓力下不會凹陷或變形。

鎢碳化物最常見的用途也是地球上大多數鎢的最終去向是專業工具,尤其是鑽頭。任何用於鑽金屬或實心巖石的鑽頭都需要能經受住高強度摩擦而不鈍化或斷裂。只有鑽石鑽頭比鎢碳化物更硬,但它們也更昂貴。

鎢的其他酷用途

鎢的硬度、密度和耐高溫性使其成為許多專用應用的理想選擇:

  • 電子顯微鏡從一個由鎢製成的特殊發射尖端發射電子束。
  • 大多數金屬與玻璃之間的焊接都是用鎢製成的,因為鎢的膨脹和收縮速率與最常見的玻璃——硼矽酸鹽玻璃一致。
  • 雪地摩託履帶上的尖刺是由鎢合金製成的。
  • 專業級飛鏢是由鎢製成的(「Wolfram Infinity」包含97%的鎢)。
  • 圓珠筆中的筆珠通常由鎢碳化物製成。
  • 珠寶行業用鎢碳化物製作戒指。

特別提示

假幣製造者很早就發現鎢的密度幾乎與黃金一樣,並且有時會試圖用鎢鍍金條來冒充純金錠。

常見問題解答

鎢比鋼更強嗎?

鎢比鋼強很多。它經常用於製作切割工具,因為它非常堅硬。