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| タングステン | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 発音 | / ˈ t ʌ ŋ s t ən / ( TUNG -stən ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 別名 | ヴォルフラム、発音: / ˈ w ʊ l f r əm / ( WUUL -frəm ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 同素体 | α-タングステン（共通）、β-タングステン | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 外観 | 灰白色、光沢のある | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 標準原子量 A r °(W) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 周期表におけるタングステン | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 原子番号 ( Z ) | 74 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| グループ | グループ6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 期間 | 期間6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ブロック | dブロック | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電子配置 | [ゼ] 4f 14 5d 4 6s 2 [3] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 殻あたりの電子数 | 2、8、18、32、12、2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 物理的特性 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| STPでの フェーズ | 固体 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 融点 | 3695 K (3422 °C、6192 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 沸点 | 6203 K (5930 °C、10706 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 密度（20℃） | 19.254 g/cm3 [ 4] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 液体の場合（ mp） | 17.6グラム/ cm3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 融解熱 | 52.31 kJ/モル[5] [6] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 気化熱 | 774 kJ/モル | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| モル熱容量 | 24.27 J/(モル·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
蒸気圧
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| 原子特性 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 酸化状態 | −4、−2、−1、0、+1、+2、+3、+4、+5、+6（弱酸性の酸化物） | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電気陰性度 | ポーリングスケール: 2.36 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| イオン化エネルギー |
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| 原子半径 | 経験的: 午後139時 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 共有結合半径 | 162±7時 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| その他のプロパティ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 自然発生 | 原始的な | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 結晶構造 | 体心立方(bcc) ( cI2 ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 格子定数 |  | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱膨張 | 4.42 × 10 -6 /K (20 °C 時) [4] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱伝導率 | 173 W/(m⋅K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電気抵抗率 | 52.8 nΩ⋅m（20℃） | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 磁気秩序 | 常磁性体[7] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| モル磁化率 | +59.0 × 10 −6 cm 3 /モル（298 K）[8] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ヤング率 | 411 万気圧 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| せん断弾性係数 | 161GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 体積弾性率 | 310GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 音速の 細い棒 | 4620 m/s ( 室温で) (焼鈍処理) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ポアソン比 | 0.28 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| モース硬度 | 7.5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ビッカース硬度 | 3430～4600MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ブリネル硬度 | 2000～4000MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| CAS番号 | 7440-33-7 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 歴史 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 発見と最初の分離 | フアン・ホセ・エルフヤルとファウスト・エルフヤル[9] (1783) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 命名者 | トルベルン・ベルイマン（1781） | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| シンボル | 「W」：ウルフラムから。もともとは中高ドイツ語の ウルフラーム「狼の泡」から来ており、鉱物ウルフラマイトを表している[10] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| タングステンの同位体 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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タングステン（ウルフラムとも呼ばれる）[11] [12]は化学元素であり、記号は W、原子番号は74です。地球上では他の元素との化合物としてのみ自然に見つかる希少金属です。1781年に新元素として特定され、1783年に初めて金属として単離されました。重要な鉱石には灰重石とウルフラム重石があり、後者は別名で呼ばれています。
自由元素は、その堅牢性、特に既知の元素の中で最も高い融点（3,422 °C（6,192 °F; 3,695 K））を持つことで注目に値します。また、沸点も最も高く、5,930 °C（10,706 °F; 6,203 K）です。[13]密度は19.254 g/cm 3 [4]で、ウランや金に匹敵し、鉛よりもはるかに高く（約1.7倍）なっています。[14]多結晶タングステンは、本質的に脆く[15] [16] [17]硬い材料（結合していない標準条件下で）であるため、金属に加工するのが困難です。ただし、純粋な単結晶タングステンはより延性があり、硬鋼の弓のこで切断できます。[18]
タングステンは多くの合金に含まれており、白熱電球のフィラメント、X線管、ガスタングステンアーク溶接の電極、超合金、放射線遮蔽など、さまざまな用途に使用されています。タングステンは硬く密度が高いため、貫通弾などの軍事用途に適しています。タングステン化合物は工業用触媒としてよく使用されます。最大の用途は、金属加工、鉱業、建設に使用される耐摩耗性金属であるタングステンカーバイドです。[19]タングステンの約50％はタングステンカーバイドに使用され、残りは合金と鋼に使用され、10％未満が他の化合物に使用されています。[20]
タングステンは、第3遷移系列の金属の中で生体分子中に存在することが知られている唯一の金属であり、いくつかの種の細菌と古細菌に見つかっている。しかし、タングステンはモリブデンと銅の代謝を妨げ、ほとんどの動物に対してある程度の毒性がある。[21] [22]
特徴
物理的特性
タングステンは、原料の状態では硬い鋼鉄のような灰色の金属で、脆くて加工が難しいことが多い。精製された単結晶タングステンは硬度（多くの鋼鉄よりも高い）を保ち、容易に加工できるほど展性がある。 [18]タングステンは鍛造、引抜、押し出しによって加工されるが、焼結によって形成されるのが一般的である。
純粋な金属の中で、タングステンは最も高い融点（3,422 °C、6,192 °F）、最も低い蒸気圧（1,650 °C、3,000 °Fを超える温度）、最も高い引張強度を持っています。[23]炭素はタングステンよりも高温で固体のままですが、炭素は大気圧で溶融するのではなく昇華するため、融点はありません。さらに、タングステンの最も安定した結晶相は、少なくとも364ギガパスカルまでの圧力では高圧誘起構造変化を示しません。[24]タングステンは、純粋な金属の中で最も低い熱膨張係数を持っています。タングステンの低い熱膨張と高い融点および引張強度は、 5d電子によってタングステン原子間に形成される強力な共有結合に由来します。 [25] 少量のタングステンを鋼と合金化すると、その靭性が大幅に向上します。[14]
タングステンには、α と β という 2 つの主要な結晶形態があります。前者は体心立方構造を持ち、より安定した形態です。β相の構造はA15 立方構造と呼ばれ、準安定ですが、非平衡合成または不純物による安定化により、常温で α 相と共存できます。等軸粒に結晶化する α 相とは対照的に、β 形態は柱状の晶癖を示します。α 相の電気抵抗は3 分の 1 であり[26]、超伝導転移温度T C はβ 相の 1/3 です (約 0.015 K 対 1～4 K)。2 つの相を混合すると、中間の T C値を得ることができます[27] [28] 。T C値は、タングステンを他の金属と合金化することによっても上げることができます(例: W- Tcの場合は 7.9 K )。[29]このようなタングステン合金は低温超伝導回路に使用されることがある。[30] [31] [32]
同位体
天然のタングステンは、4つの安定同位体（182 W、183 W、184 W、186 W）と1つの非常に長寿命の放射性同位体である180 Wで構成されています。理論的には、5つすべてがアルファ放出によって元素72（ハフニウム）の同位体に崩壊する可能性がありますが、180 Wのみがそのように崩壊することが観測されており、半減期は(1.8 ± 0.2) × 10 18年; [33] [34]平均すると、天然タングステン 1 グラムあたり年間約 2 回の180 W のアルファ崩壊が発生します。 [35]この率は、約 63 マイクロベクレル /キログラムの特定の放射能に相当します。 この崩壊率は、地球上で見られる炭素やカリウムで観測されるものよりも桁違いに低く、これらにも少量の長寿命放射性同位体が含まれています。ビスマスは長い間非放射性であると考えられていましたが、209
Bi（最も寿命の長い同位体）は実際には半減期が2.01 × 10 19年、つまり約10倍遅い180
W。しかし、天然のビスマスは100％209
Bi の場合、その比放射能は天然タングステンの3ミリベクレル/kgよりも高い。タングステンのその他の天然同位体は崩壊が観察されていないため、半減期は少なくとも4 × 10 21 年。
タングステンの人工放射性同位体は他に34種あり、最も安定しているのは半減期が121.2日の181 W、半減期が75.1日の185 W、半減期が69.4日の188 W、半減期が21.6日の178 W、半減期が23.72時間の187 Wである。 [35]残りの放射性同位体はすべて半減期が3時間未満で、そのほとんどは8分未満である。[35]タングステンには11のメタ状態もあり 、最も安定しているのは179m W（t 1/2 6.4分） である。
化学的性質
タングステンは、ほとんど反応しない元素です。水と反応せず、ほとんどの酸や塩基の攻撃を受けず、室温では酸素や空気と反応しません。高温（つまり、赤熱）になると、酸素と反応して三酸化物化合物のタングステン（VI）、WO 3を形成します。しかし、室温ではフッ素（F 2）と直接反応して、無色のガスであるフッ化タングステン（VI）（WF 6）を形成します。約250 °Cでは、塩素または臭素と反応し、特定の高温条件下ではヨウ素と反応します。細かく分割されたタングステンは自然発火性です。[36] [37]
タングステンの最も一般的な形式酸化状態は+6であるが、-2から+6までのすべての酸化状態を示す。[37] [38]タングステンは典型的には酸素と結合して黄色の酸化タングステンWO 3を形成し、これがアルカリ水溶液に溶解してタングステン酸イオンWOを形成する。2−4
...。
炭化タングステン（W 2 CおよびWC）は、粉末状のタングステンを炭素とともに加熱することによって生成される。W 2 Cは化学的攻撃に対して耐性があるが、塩素と強く反応して六塩化タングステン（WCl 6 ）を形成する。[14]
水溶液中では、タングステン酸塩は中性および酸性条件下でヘテロポリ酸およびポリオキソメタレート アニオンを生成する。タングステン酸塩を酸で処理していくと、まず可溶性で準安定な「パラタングステン酸A」アニオンWが生成される。
7お6−24
歳時間が経つと、溶解度の低い「パラタングステン酸B」陰イオンHに変換されます。
2わ
12お10−42
歳[39]さらに酸性化すると、非常に溶解性の高いメタタングステン酸アニオンH
2わ
12お6−40
歳、その後平衡に達する。メタタングステン酸イオンは、ケギン陰イオンとして知られる12個のタングステン-酸素八面体の対称クラスターとして存在する。他の多くのポリオキソメタレート 陰イオンは準安定種として存在する。メタタングステン酸の中心の2つの水素の代わりにリンなどの異なる原子を含めると、リンタングステン酸H 3 PW 12 O 40などのさまざまなヘテロポリ酸が生成されます。
三酸化タングステンはアルカリ金属と層間化合物を形成できます。これらはブロンズとして知られており、一例としてナトリウムタングステンブロンズがあります。
気体状態では、タングステンは二原子種W 2を形成します。これらの分子はタングステン原子間の6重結合を特徴としており、これは安定した原子の中で最も高い結合順序です。[40] [41]
歴史
1781年、カール・ヴィルヘルム・シェーレは、重晶石（当時はタングステンと呼ばれていた）から新しい酸であるタングステン酸を作れることを発見した。 [42] [43]シェーレとトルベルン・ベルグマンは、この酸を還元することで新しい金属が得られるかもしれないと示唆した。[44] 1783年、ホセとファウスト・エルフヤールは、タングステン酸と同一のウルフラマイトから作られた酸を発見した。その年の後半、スペインのベルガラの町にある王立バスク協会で、兄弟はこの酸を木炭で還元することでタングステンの単離に成功し、この元素（彼らはそれを「ウルフラム」または「ボルフラム」と呼んだ）の発見者として認められた。[45] [46] [47] [48] [49]
タングステンの戦略的価値が注目されるようになったのは20世紀初頭である。英国当局は1912年にドイツ所有のカンブリア鉱山会社からキャロック鉱山を解放し、第一次世界大戦中はドイツ軍の他の地域へのアクセスを制限した。[50]第二次世界大戦では、タングステンは裏の政治的駆け引きでより重要な役割を果たした。ポルトガルは、この元素のヨーロッパでの主な供給源として、パナスケイラのウルフラマイト鉱床のために両陣営から圧力を受けた。タングステンは、耐熱性、硬度、密度、合金の強化などの望ましい特性から、兵器産業にとって重要な原材料となり、[51] [52]兵器や装備の構成要素としてだけでなく、例えば鋼の機械加工用のタングステンカーバイド切削工具などの製造にも使用された。現在、タングステンは、航空機やモータースポーツのバラストウェイト、ダーツ、防振ツール、スポーツ用具など、さまざまな用途に使用されています。
タングステンは、特許訴訟の対象となっている点で、他の元素とは一線を画している。1928年、米国の裁判所はゼネラル・エレクトリックの特許取得を却下し、 1913年にウィリアム・D・クーリッジに与えられた米国特許1,082,933を覆した。[53] [54] [55]
天文学者で錬金術師のティコ・ブラーエの庭だったと思われる場所で、タングステン鉄の残骸が発見されたとされている [56]
語源
タングステン（スウェーデン語で「重い石」を意味し、鉱物の灰重石や同様の密度の他の鉱物の古いスウェーデン語名であった）という名前は、英語、フランス語、および他の多くの言語で元素名として使用されていますが、 ウルフラム（またはボルフラム）はほとんどのヨーロッパ言語（特にゲルマン語とスラブ語）で使用されており、化学記号Wの由来である鉱物ウルフラマイトに由来しています。[18]ウルフラマイトという名前は、1747年にヨハン・ゴットシャルク・ヴァレリウスがタングステンに付けた名前であるドイツ語のwolf rahm（「狼の煤、狼のクリーム」 ）に由来しています。これは、今度は、ゲオルク・アグリコラが1546年にこの鉱物に付けた名前であるラテン語のlupi spumaに由来しています。これは英語に翻訳すると「狼の泡」となり、鉱物が採掘中に大量のスズを消費したことを指し、まるでオオカミのように貪り食ったかのようです。[10]この命名は、エルツ山脈の鉱夫がさまざまな鉱物に付けた色とりどりの名前を付ける伝統に従っています。これは、当時知られていた貴重な金属を含んでいるように見えるが、採掘されると何らかの形で「呪われる」という迷信から来ています。コバルト（コボルド参照）、ピッチブレンド（ドイツ語のブレンデン「盲目にする、欺く」参照）、ニッケル（オールド・ニック参照）は、同じ鉱夫の慣用句に由来する名前です。
発生
タングステンはこれまで、純粋な形で自然界に発見されたことはありません。[57]代わりに、タングステンは主に鉱物のウルフラマイトとシェライトに含まれています。[57]ウルフラマイトは鉄マンガンタングステン酸(Fe,Mn)WO 4 であり、2つの鉱物であるフェルバライト(FeWO 4 )とヒューブネライト(MnWO 4 )の固溶体であり、シェライトはカルシウムタングステン酸(CaWO 4 )です。その他のタングステン鉱物の存在レベルは中程度から非常に希少なものまでさまざまであり、経済的価値はほとんどありません。
化合物
タングステンは、-II から VI の酸化状態で化合物を形成する。より高い酸化状態は常に酸化物として存在し、その地球上での存在と生物学的役割に関連している。中程度の酸化状態は金属クラスターと関連していることが多く、非常に低い酸化状態は典型的にはCO 錯体と関連している。タングステンとモリブデンの化学的性質は互いに強い類似性を示すが、より軽い同族元素であるクロムとは対照的である。例えば、タングステン(III) の相対的な希少性は、クロム(III) 化合物の普及とは対照的である。最も高い酸化状態は、酸化タングステン(VI) (WO 3 ) で見られる。[58]酸化タングステン(VI) は水性塩基に溶解し、タングステン酸塩 (WO 4 2− ) を形成する。このオキシアニオンはより低いpH値で凝縮し、ポリオキソタングステン酸塩を形成する。[59]
タングステンの幅広い酸化状態は、その様々な塩化物に反映されている。[58]
- 塩化タングステン(II)は、六量体W 6 Cl 12として存在する。
- 塩化タングステン(III)は、六量体W 6 Cl 18として存在する。
- 塩化タングステン(IV)、WCl 4 は、高分子構造をとる黒色の固体です。
- 塩化タングステン(V) WCl 5、二量体構造をとる黒色の固体。
- 塩化タングステン(VI) WCl 6は、MoCl 6の不安定性とは対照的である。
有機タングステン化合物は数多く存在し、酸化状態も多岐にわたります。注目すべき例としては、三方柱状のW(CH 3 ) 6や八面体のW(CO) 6などがあります。
生産
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準備金
世界のタングステンの埋蔵量は320万トンで、そのほとんどは中国（180万トン）、カナダ（29万トン）[60] 、 ロシア（16万トン）、ベトナム（9万5000トン）、ボリビアにある。2017年現在、中国、ベトナム、ロシアがそれぞれ7万9000トン、7200トン、3100トンで主要な供給国となっている。カナダは唯一のタングステン鉱山が閉鎖されたため、2015年後半に生産を停止した。一方、ベトナムは国内の精錬事業を大幅に最適化したことにより、2010年代に生産量を大幅に増加させ、ロシアとボリビアを追い抜いた。[61]
中国はタングステン製品の生産だけでなく、輸出と消費でも世界をリードしています。需要の増加により、中国国外でのタングステンの生産は徐々に増加しています。一方、中国によるタングステンの供給は中国政府によって厳しく規制されており、政府は違法採掘や採掘・精錬プロセスに起因する過度の汚染と闘っています。[62]
イギリスのダートムーアの端にはタングステン鉱石の大きな鉱床があり、第一次世界大戦と第二次世界大戦中にヘマードン鉱山として採掘されました。タングステン価格の上昇を受けて、この鉱山は2014年に再開されましたが、[63] 2018年に活動を停止しました。[64]
EU内では、オーストリアのフェルベルタール灰重石鉱床が数少ないタングステン鉱山の一つである。[65] ポルトガルはヨーロッパの主要タングステン生産国の一つで、1910年から2020年までの鉱物濃縮物に含まれるタングステン量は121ktで、世界の生産量の約3.3%を占めている。[66]
タングステンはコンゴ民主共和国で観察される非倫理的な採掘慣行のため紛争鉱物とみなされている。[67] [68]
韓国のサンドン鉱山は、789万トンの高品位タングステンが埋蔵されているとされる世界最大級のタングステン鉱山の一つであるが、収益性の低さから1994年に閉鎖されたが、その後採掘権を再登録し、2024年に活動を再開する予定である。[69] [70]
抽出
タングステンは、いくつかの段階を経て鉱石から抽出されます。鉱石は最終的にタングステン(VI)酸化物(WO 3 )に変換され、水素または炭素とともに加熱されて粉末状のタングステンが生成されます。 [44]タングステンは融点が高いため、タングステンインゴットを鋳造することは商業的に実現可能ではありません。代わりに、粉末状のタングステンを少量の粉末状のニッケルまたは他の金属と混合し、焼結します。焼結プロセス中に、ニッケルがタングステンに拡散し、合金が生成されます。
タングステンはWF 6の水素還元によっても抽出できる。
- WF 6 + 3 H 2 → W + 6 HF
または熱分解：[71]
- WF 6 → W + 3 F 2 ( Δ H r = +)
タングステンは先物取引されておらず、ロンドン金属取引所のような取引所で追跡することはできません。タングステン業界では、契約の根拠として、Argus MediaやMetal Bulletinなどの独立した価格基準をよく利用しています。 [72]通常、価格がタングステン濃縮物またはWO 3に対して提示されます。[61]
アプリケーション
タングステンの約半分は硬質材料、すなわちタングステンカーバイドの製造に消費され、残りは主に合金や鋼に使用されています。10％未満が他の化合物に使用されています。[20]タングステンは延性脆性遷移温度が高いため、その製品は通常、粉末冶金、放電プラズマ焼結、化学蒸着、熱間静水圧プレス、熱可塑性ルートで製造されています。より柔軟な製造方法は、選択的レーザー溶融であり、これは3Dプリントの一形態であり、複雑な3次元形状を作成できます。[73]
産業
タングステンは、最も硬い炭化物の一つであるタングステンカーバイド（WC）をベースにした硬質材料の製造に主に使用されています。WCは効率的な電気伝導体ですが、W 2 Cはそれほどではありません。WCは、耐摩耗性研磨剤や、金属加工、木工、鉱業、石油、建設業界で使用されるナイフ、ドリル、丸鋸、ダイ、フライス加工、旋盤加工などの「炭化物」切削工具の製造に使用されています。[14]炭化物工具は実際にはセラミック/金属複合材であり、金属コバルトが結合（マトリックス）材料として機能し、WC粒子を所定の位置に保持します。このタイプの産業用途は、現在のタングステン消費量の約60％を占めています。[74]
ジュエリー業界では、焼結タングステンカーバイド、タングステンカーバイド/金属複合材、金属タングステン製の指輪を製造しています。[75] WC/金属複合材の指輪は、コバルトの代わりにニッケルを金属マトリックスとして使用しています。これは、磨いたときに光沢がより強くなるためです。製造業者や小売業者はタングステンカーバイドを金属と呼ぶことがありますが、これはセラミックです。[76]タングステンカーバイドは硬いため、この素材で作られた指輪は耐摩耗性が極めて高く、金属タングステン製の指輪よりも磨き仕上げが長持ちします。ただし、タングステンカーバイドの指輪は脆く、強い衝撃を受けると割れることがあります。[77]
合金
タングステンの硬度と耐熱性は、有用な合金に貢献します。良い例は、18％ものタングステンを含むことができる高速度鋼です。 [78]タングステンは融点が高いため、UGM-27ポラリス潜水艦発射弾道ミサイルなどのロケットノズルなどの用途に適した材料です。[79]タングステン合金は、航空宇宙産業や自動車産業、放射線遮蔽など、幅広い用途で使用されています。[80]ハステロイやステライトなどのタングステンを含む超合金は、タービンブレードや耐摩耗部品やコーティング に使用されます。
タングステンは耐熱性があるため、銀や銅などの導電性の高い金属と組み合わせるとアーク溶接に便利です。銀や銅は必要な導電性を提供し、タングステンは溶接棒がアーク溶接環境の高温に耐えられるようにします。[81]
永久磁石
焼入れされた（マルテンサイト）タングステン鋼（約 5.5% ～ 7.0% W と 0.5% ～ 0.7% C）は、 1886 年にジョン・ホプキンソン（1849 年 ～ 1898 年）が早くも指摘したように、その高い残留磁気と保磁力により、硬質永久磁石の製造に使用されていました。金属または合金の磁気特性は、微細構造に非常に敏感です。たとえば、タングステン元素は強磁性ではありませんが（鉄は強磁性です）、タングステンが鋼中にこの割合で存在すると、マルテンサイト相が安定化します。マルテンサイト相は、磁壁移動に対する抵抗が大きいため、フェライト（鉄）相よりも強磁性が強くなります。
軍隊
タングステンは、通常ニッケル、鉄、コバルトと合金にして重い合金を作り、劣化ウランの代替として運動エネルギー貫通体に使用される。これは、劣化ウランの放射能が劣化状態でも問題となる場合や、ウランの追加の自然発火特性が望ましくない場合（たとえば、防弾チョッキを貫通するように設計された通常の小火器の弾丸）に適用される。同様に、タングステン合金は砲弾、手榴弾、ミサイルにも使用され、超音速の榴散弾を作成する。ドイツは第二次世界大戦中にタングステンを使用して、比較的小口径で軽量の野砲で非常に高い砲口速度と強化された装甲貫通力を実現するゲーリッヒのスクイーズボア原理を使用する対戦車砲の設計用の砲弾を製造した。この兵器は非常に効果的であったが、ヴォルフラム危機も一因となった砲弾の芯に使用されるタングステンの不足により、その使用は制限された。[要出典]
タングステンは高密度不活性金属爆薬にも使用されており、高密度粉末として使用することで、小半径内での爆発物の致死率を高めながら付随的な被害を軽減している。[82]
化学アプリケーション
硫化タングステン(IV)は高温潤滑剤であり、水素化脱硫触媒の成分である。[83]このような用途ではMoS2がより一般的に使用されている。 [84]
タングステンはセラミック釉薬に使用され、カルシウム/マグネシウムタングステン酸塩は蛍光灯に広く使用されています。結晶タングステン酸塩は、核物理学および核医学のシンチレーション検出器として使用されます。タングステンを含むその他の塩は、化学および皮革産業で使用されます。[23] タングステン酸化物（WO 3）は、石炭火力発電所にある選択接触還元（SCR）触媒に組み込まれています。これらの触媒は、アンモニア（NH 3 ）を使用して窒素酸化物（NO x）を窒素（N 2）と水（H 2 O）に変換します。酸化タングステンは、触媒の物理的強度を高め、触媒の寿命を延ばします。[85]タングステンを含む触媒は、エポキシ化、 [86]酸化、[87]および水素化分解反応に有望です。 [88]タングステンヘテロポリ酸は、多機能触媒の重要な成分です。[89] タングステン酸塩は光触媒として使用され、[90]硫化タングステンは電気触媒として使用されます。[91]
ニッチな用途
タングステンの高密度が求められる用途としては、重り、カウンターウェイト、ヨットのバラストキール、民間航空機のテールバラスト、民間および軍用ヘリコプターのローターウェイト、NASCARやF1のレースカーのバラストなどがある。[92]タングステンは密度が鉛の2倍弱であるため、釣り用の鉛のおもりの代替品（ただし高価）と見なされている。劣化ウランも同様に高密度であるため、これらの目的に使用される。2012年の火星探査機マーズ・サイエンス・ラボラトリーの突入部では、75kgのタングステンのブロックが「巡航バランス質量装置」として使用された。タングステンはリベット留め用の台車として使用するには理想的な素材で、良好な結果を得るために必要な質量をコンパクトな棒で実現できる。タングステンとニッケル、銅、鉄の高密度合金は、高品質のダーツ[93] (より小さな直径でより密集させることができるため) や人工のフライ(タングステンビーズによりフライが素早く沈む) に使用されています。タングステンは、SWD M11/9サブマシンガンの発射速度を 1300 RPM から 700 RPM に下げるための重いボルトとしても使用されています。タングステンは最近、3D 印刷用のノズルに使用されています。タングステンカーバイドの高い耐摩耗性と熱伝導性により、研磨フィラメントの印刷が向上します。[94]一部の弦楽器の弦にはタングステンが組み込まれています。[95] [96]タングステンは、2 機のボイジャー宇宙船の宇宙線システムの電子望遠鏡の吸収体として使用されています。[97]
金の代替
タングステンは密度が金に似ているため、金やプラチナの代替品としてジュエリーに使用できます。[18] [98]金属タングステンは低アレルギー性で、金合金よりも硬い（タングステンカーバイドほど硬くはありませんが）ため、特にブラシ仕上げのデザインでは傷がつきにくい指輪に適しています。
タングステンは密度が金と非常に似ており（タングステンの密度は金より0.36%低いだけ）、価格も1000分の1程度であるため、金の延べ棒の偽造にも使用される。例えば、タングステン棒に金メッキを施す[99] [100] [101]といった手法が1980年代から観察されている[102]。また、既存の金の延べ棒にドリルで穴を開け、取り除いた金をタングステン棒に置き換える[103] 。密度は完全に同じではなく、金とタングステンのその他の特性も異なるが、金メッキされたタングステンは表面的なテストに合格する。[99]
金メッキタングステンは、宝飾品や地金として中国（タングステンの主な供給源）から市販されている。[104]
エレクトロニクス
タングステンは高温でも強度を保ち、融点も高いため、白熱電球、ブラウン管、真空管のフィラメント、発熱体、ロケットエンジンのノズルなど、多くの高温用途に使用されています。[18]また、タングステンは融点が高いため、航空宇宙や電気、加熱、溶接などの高温用途にも適しており、特にガスタングステンアーク溶接（タングステン不活性ガス（TIG）溶接とも呼ばれる）に適しています。[106]
タングステンは導電性があり、化学的に比較的不活性であるため、電極や、電子顕微鏡などの電界放出銃を使用する電子ビーム機器のエミッターチップにも使用されます。電子機器では、タングステンは集積回路の二酸化ケイ素誘電体とトランジスタ間の相互接続材料として使用されます。タングステンは金属フィルムにも使用され、従来の電子機器で使用される配線をシリコン上のタングステン（またはモリブデン）のコーティングに置き換えます。[71]
タングステンの電子構造は、タングステンのX線ターゲットの主な供給源の1つであり、[107] [108]、高エネルギー放射線からの遮蔽（放射性医薬品業界ではFDGの放射性サンプルの遮蔽など）にも使用されています。また、優れた遮蔽特性のため、ガンマイメージングではコード化された開口部の材料として使用されています。タングステン粉末は、弾丸、散弾、放射線遮蔽物に使用される鉛の無毒な代替品として使用されるプラスチック複合材料の充填材として使用されています。この元素の熱膨張はホウケイ酸ガラスに似ているため、ガラスと金属のシールを作るために使用されます。[23]タングステンにカリウムをドープすると、融点が高いだけでなく、形状安定性が向上します（ドープされていないタングステンと比較して）。これにより、フィラメントがたるむことがなくなり、望ましくない変化が起こりません。[109]
タングステンは、振動モーター（モバイルバイブレーターとも呼ばれる）の製造に使用されます。[110] これらのモーターは、ユーザーに触覚フィードバックを提供し、着信、メッセージ、通知を知らせる不可欠なコンポーネントです。[111]タングステンの高密度、高硬度、耐摩耗性は、これらのモーターが生成する高速回転振動に耐えるのに役立ちます。[112] [113]
ナノワイヤ
トップダウンのナノファブリケーションプロセスを通じて、タングステンナノワイヤは2002年から製造され、研究されてきました。[114]特に高い表面積対体積比、表面酸化物層の形成、およびそのような材料の単結晶性のため、機械的特性はバルクのタングステンとは根本的に異なります。[115]このようなタングステンナノワイヤは、ナノエレクトロニクス、特にpHプローブやガスセンサーとしての潜在的な用途があります。[116]シリコンナノワイヤと同様に、タングステンナノワイヤは、バルクのタングステン前駆体から製造され、その後、長さとアスペクト比の点で形態を制御するために熱酸化ステップが続くことがよくあります。 [117]ディール・グローブモデルを使用すると、このような熱酸化プロセスによって製造されたナノワイヤの酸化速度を予測することができます。[118]
核融合発電
タングステンは融点が高く、耐侵食性に優れているため、核融合 炉のプラズマに面する内壁の最も露出している部分の主候補となっている。タングステンはITER炉のダイバータのプラズマ対向材料として使用される予定であり、[119]現在JET試験炉で使用されている。
生物学的役割
タングステンは、原子番号Z = 74 で、生物学的に機能することが知られている最も重い元素です。一部の細菌や古細菌によって使用されていますが、[120]真核生物では使用されていません。たとえば、酸化還元酵素と呼ばれる酵素は、モリブデンと同様にタングステンをモリブドプテリンとのタングステン-プテリン複合体で使用します(モリブドプテリンはその名前にもかかわらずモリブデンを含みませんが、生物が使用するモリブデンまたはタングステンと複合体を形成する可能性があります)。タングステンを使用する酵素は通常、カルボン酸をアルデヒドに還元します。[121]タングステン酸化還元酵素は酸化を触媒することもあります。発見された最初のタングステン要求性酵素はセレンも必要とし、この場合、タングステン-セレンのペアは、モリブドプテリンを必要とするいくつかの酵素のモリブデン-硫黄のペアリングに類似した機能を果たす可能性がある。[122]タングステンを使用することもある酸化還元酵素ファミリーの酵素の1つ（細菌性ギ酸脱水素酵素H）は、モリブドプテリンのセレン-モリブデンバージョンを使用することが知られている。[123]アセチレンヒドラターゼは、水和反応を触媒するという点で珍しい金属酵素である。2つの反応機構が提案されており、そのうちの1つでは、タングステン原子とC≡C三重結合が直接相互作用する。[124]細菌由来のタングステン含有キサンチン脱水素酵素にはタングステンモリブドプテリンと非タンパク質結合セレンが含まれていることが発見されているが、タングステン-セレンモリブドプテリン複合体については明確に説明されていない。[125]
土壌では、タングステン金属は酸化されてタングステン酸アニオンになる。これは一部の原核生物によって選択的または非選択的に取り込まれ、特定の酵素のモリブデン酸塩の代わりになる可能性がある。これらの酵素の作用に対する影響は、阻害的である場合もあれば、プラスの場合もある。[126]土壌の化学的性質によってタングステンの重合方法が決まり、アルカリ性土壌ではモノマータングステン酸が生成し、酸性土壌ではポリマータングステン酸が生成される。[127]
タングステン酸ナトリウムと鉛はミミズへの影響について研究されてきた。鉛は低濃度でも致死的であることが判明し、タングステン酸ナトリウムは毒性がはるかに低かったが、タングステン酸はミミズの生殖能力を完全に阻害した。[128]
タングステンはモリブデンの作用に似た役割を持つ、生物学的銅代謝拮抗剤として研究されてきた。テトラチオタングステン酸塩チオモリブデン酸塩と同様に、生物学的銅キレート化化学物質として使用できることがわかっている。[129]
古細菌では
タングステンは一部の古細菌にとって不可欠です。以下のタングステンを利用する酵素が知られています。
- サーモコッカスES-1 株のアルデヒドフェレドキシン酸化還元酵素(AOR)
- Thermococcus litoralisのホルムアルデヒドフェレドキシン酸化還元酵素(FOR)
- Pyrococcus furiosusのグリセルアルデヒド-3-リン酸フェレドキシン酸化還元酵素(GAPOR)
wtpシステムは古細菌内でタングステンを選択的に輸送することが知られています。
- WtpAはABCファミリーのトランスポーターのタングステン結合タンパク質である。
- WptBはパーミアーゼである
- WtpCはATPaseである[130]
健康要因
タングステンは希少金属[131]であり、その化合物は一般に不活性であるため、環境に対するタングステンの作用は限られている。[132]地殻中のタングステンの含有量は約1.5ppmであると考えられている。タングステンは地球上で58番目に多い元素である。[133]
当初は比較的不活性で毒性はわずかである金属だと考えられていたが、2000年以降、試験管内および生体内での実験により、タングステン合金、その粉塵、微粒子ががんや動物および人間へのその他の悪影響を引き起こすリスクが強調されるようになった。[134] [135] 半数致死量LD50は動物や投与方法に大きく依存し、59 mg/kg（静脈内、ウサギ）[136] [137]から5000 mg/kg（タングステン金属粉末、腹腔内、ラット）の範囲である。[138] [139]
職場では、吸入、飲み込み、皮膚接触、目接触によってタングステンにさらされる可能性がある。国立労働安全衛生研究所（NIOSH）は、8時間労働で5 mg/m 3の推奨暴露限界（REL） 、短期限界を10 mg/m 3に設定している。[140]
大衆文化において
タングステンとタングステン合金は、タングステンキューブや球体を通じて人気を博しました。この人気は2021年10月に始まり、2023年1月にソーシャルメディアを通じて再び高まりました。[141]
タングステンの立方体、球体、その他の形状が人気を博した主な理由は、その密度によるアイテムとしての新しさです。コストと入手性に関して、タングステンの密度に匹敵する元素は他になく、放射性物質も含まれています。
参照
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外部リンク
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- 物件、写真、歴史、MSDS
- CDC – NIOSH 化学物質の危険性に関するポケットガイド
- ビデオの周期表におけるタングステン（ノッティンガム大学）
- Heinrich Pniok のコレクションの写真。Wayback Machineで 2010-03-18 にアーカイブされました。
- エレメント学とエレメント・マルチディクテーション（ピーター・ファン・デル・クロッグ著） – タングステン
- 国際タングステン産業協会の公式ウェブサイト