Wolfram

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Wolfram (engl. Tungsten) ist ein chemisches Element mit dem Symbol W und der Ordnungszahl 74. Es ist ein weißglänzendes in reinem Zustand sprödes Schwermetall hoher Dichte, das zu den Übergangsmetallen gezählt wird. Wolfram besitzt von allen reinen Metallen den höchsten Schmelzpunkt und den zweithöchsten Siedepunkt. Seine bekannteste Verwendung ist daher die als Glühwendel in Glühlampen.

Geschichte

Bereits im 16. Jahrhundert beschrieb der Freiberger Mineraloge Georgius Agricola das Vorkommen eines Minerals in sächsischen Zinnerzen, welches die Zinngewinnung durch Verschlackung des Zinnanteils erheblich erschwerte. Der Namensbestandteil "Wolf" rührt von dieser Eigenschaft, da das Mineral das Zinnerz wie ein Wolf "auffraß". Ob es sich dabei um Wolframit handelte, ist auch heute noch umstritten, da er von der "Leichtigkeit" des Minerals sprach. Er nannte das Mineral lupi spuma, was aus dem Lateinischen übersetzt soviel wie "Wolf(s)-Schaum" bedeutet. Später wurde es Wolfram genannt, von mhd. rām "Ruß, Dreck", da sich das schwarzgraue Mineral sehr leicht zerreiben lässt und dann an Ruß erinnert.

Das im Englischen und Französischen gebräuchliche Wort Tungsten, leitet sich von Tung Sten (schwedisch für "schwerer Stein") ab. Damit wurde in Schweden seinerzeit aber nicht Wolfram selbst (schwedisch Volfram), sondern Calciumwolframat bezeichnet. In diesem erkannte 1781 der deutsch-schwedische Chemiker Carl Wilhelm Scheele ein bis dahin unbekanntes Salz. Reines Wolfram wurde erstmals 1783 von den spanischen Brüdern Fausto und Juan José Elhuyar (die unter der Leitung von Scheele arbeiteten) durch Reduktion von Wolframtrioxid, welches man aus Wolframit gewinnt, hergestellt.

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Wolfram, W, 74
Serie	Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block	6, 6, d
Aussehen	gräulich weiß, glänzend
CAS-Nummer	7440-33-7
EG-Nummer	231-143-9
ECHA-InfoCard	100.028.312
Massenanteil an der Erdhülle	64 ppm
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	kubisch raumzentriert
Dichte	19,25 g/cm³
Mohshärte	7,5
Schmelzpunkt	3695 K (3422 °C)
Siedepunkt	5828 K (5555 °C)
Molares Volumen	9,47 · 10⁻⁶ m³/mol
Verdampfungswärme	824 kJ/mol
Schmelzwärme	35,4 kJ/mol
Schallgeschwindigkeit	5174 m/s
Elektrische Leitfähigkeit	18,52 · 10⁶ A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit	170 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände	6, 5, 4, 3, 2
Normalpotential	−0,119 V (WO₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → W + 2H₂O)
Elektronegativität	2,36 (Pauling-Skala)

Vorkommen

Der Wolframgehalt der Erdkruste liegt etwa bei 0,0001 g/t oder 0,0064 Gewichtsprozent. Das Metall konnte in der Natur bisher nicht gediegen (in reiner Form) nachgewiesen werden. Die "Doklady Akademiia Nauk" in Russland veröffentlichte allerdings 1995 einen Bericht zu gediegen Wolfram (engl.: Tungsten), ohne dass dieser von der zur "International Mineralogical Association (IMA) gehörenden "Commission on new Minerals, Nomenclature and Classification" (CNMNC) geprüft wurde. Es sind einige Minerale, vor allem Oxide und Wolframate bekannt. Die wichtigsten Wolframerze sind Wolframit (Mn, Fe)WO₄ und Scheelit CaWO₄. Daneben gibt es weitere Wolframminerale, wie Stolzit PbWO₄ und Tuneptit WO₃ · H₂O.

Die größten Lagerstätten findet man in der Volksrepublik China, den USA, Nordkorea, Bolivien, Kasachstan, Russland, Österreich und Portugal. Auch im Erzgebirge findet man Wolframerze. Die sicheren und wahrscheinlichen Weltvorkommen betragen derzeit 2,9 Mio. Tonnen reines Wolfram.

Das bedeutendste bekannte Vorkommen von Wolfram in Europa befindet sich im Felbertal in den Hohen Tauern (Bundesland Salzburg in Österreich).

Förderung weltweit

Rang	Land	Fördermengen (in Tonnen pro Jahr)
1	China	62.000
2	Russische Föd.	4500
3	Kanada	2500
4	Österreich	1350
5	Portugal	900
6	Nordkorea	600
7	Bolivien	530
8	andere Länder	900

2006 betrug die Weltproduktion von reinem Wolfram 73.300 Tonnen. Der mit Abstand größte Produzent an Wolfram ist China. Mehr als 80 % des auf der Welt produzierten Wolframs wird dort hergestellt. Die Staaten mit der größten Förderung von Wolfram (2006):

Gewinnung und Darstellung

Wolfram kann nicht durch Reduktion mit Kohle aus den oxidischen Erzen gewonnen werden, da hierbei Wolframcarbid entsteht.

Durch Zusatz ammoniakalischer Lösung entsteht ein Komplex namens Ammonium-Parawolframat (APW). Dieser wird ebenfalls abfiltriert und anschließend bei 600 °C in relativ reines Wolframtrioxid überführt. Durch Glühen erhält man Wolfram(VI)-oxid (WO₃), das bei 800 °C unter Wasserstoffatmosphäre zu stahlgrauem Wolfram reduziert wird:

Dabei entsteht graues Wolframpulver, dieses wird meist in Formen verdichtet und elektrisch zu Barren gesintert. Bei Temperaturen über 3400 °C kann in speziellen Elektroöfen mit reduzierender Wasserstoffatmosphäre ein kompaktes Wolframmetall erschmolzen werden (Zonenschmelzverfahren).

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Es ist ein weißglänzendes, hartes, in reinem Zustand dehnbares Metall hoher Dichte - fast gleich hoch wie Gold -, Härte (Brinellhärte von 250 HB) und Festigkeit (Zugfestigkeit von 4200 N/mm²). Das Metall existiert in einer stabilen kubisch-raumzentriert α-Modifikation mit einem Netzebenenabstand von 316 pm bei Raumtemperatur. Dieser Kristallstrukturtyp wird häufig nach Wolfram Wolfram-Typ genannt. Bei einer als metastabile β-Modifikation des Wolframs (verzerrt kubisch-raumzentriert) bezeichneten Substanz handelt es sich tatsächlich um das wolframreiche Oxid W₃O.

Wolfram besitzt nach dem Element Kohlenstoff mit 3422 °C den zweithöchsten Schmelzpunkt aller chemischen Elemente. Der Siedepunkt von 5555 °C wird nur noch von dem seltenen Metall Rhenium mit 5596 °C um 41 K übertroffen. Das Metall ist ein Supraleiter mit einer Sprungtemperatur von 15 mK.

Chemische Eigenschaften

Wolfram ist ein chemisch sehr widerstandsfähiges Metall, das selbst von Fluorwasserstoffsäure und Königswasser (zumindest bei Zimmertemperatur) kaum angegriffen wird. Es löst sich aber in Gemischen aus Fluss- und Salpetersäure und geschmolzenen Gemischen aus Alkalinitraten und -karbonaten auf.

Verwendung

Die wichtigste Anwendung von Wolfram ist wegen seines hohen Schmelzpunktes in der Leuchtmittelindustrie als Glühwendel in Glühlampen und als Elektrode in Gasentladungslampen und in Elektronenröhren.

In Glühlampen macht man sich dabei zu Nutze, dass die elektrische Leitfähigkeit von Wolfram deutlich geringer ist als die der Leitungsmetalle Kupfer und Aluminium. Dadurch heizt sich die dünne Glühwendel aus Wolfram auf, bis sie glüht, während die dickeren Zuleitungen aus den Leitungsmetallen kaum warm werden.

Seine zweite große Bedeutung hat es als Legierungsmetall in der Eisenmetallurgie. Es bildet in Werkzeugstählen Wolframcarbide, welche die Sekundärhärte erhöhen.

Auf Grund seiner hohen Dichte wird es für Ausgleichsgewichte und zur Abschirmung von Strahlung verwendet. Obwohl seine Dichte und damit die Abschirmwirkung wesentlich höher ist als die von Blei, wird es seltener als Blei für diesen Zweck verwendet, da es teurer und schwerer zu verarbeiten ist. Ebenfalls wird wegen der hohen Dichte des Wolframs in einigen Armeen panzerbrechende Munition mit einem Projektilkern aus Wolframcarbid anstelle des billigeren, aber radioaktiven und giftigen abgereicherten Urans verwendet.

Wegen seiner hohen Korrosionsbeständigkeit kann Wolfram auch als Werkstoff für Apparaturen in chemischen Anlagen verwendet werden. Allerdings wird diese Anwendungsform wegen der schlechten Bearbeitbarkeit von Wolfram (Wolfram kann nur mit Laser- oder Elektronenstrahl geschweißt werden) nur selten angewandt. Das Gleiche gilt auch für eine denkbare Anwendung im Bereich der Medizintechnik.

In der Physiologie, besonders der Neurophysiologie, werden Mikroelektroden aus Wolfram für extrazelluläre Ableitungen verwendet.

Zudem werden Elektroden für den Widerstandsschweißprozess aus Wolfram hergestellt, insbesondere wenn Werkstoffe wie Kupfer, Bronze oder Messing geschweißt werden sollen.

Im Sport kommt Wolfram zur Herstellung hochwertiger Barrels für das Dartspiel zum Einsatz, und beim Hammerwurf wurden Hammerköpfe zeitweise zur Reduktion des Luftwiderstandes und des Rotationsradius ebenfalls aus Wolfram gefertigt. Außerdem werden Wolframplatten als Zusatzgewichte in der Formel 1 verwendet, um das vorgeschriebene Mindestgewicht von Formel 1-Wagen von 600 kg zu erreichen. Auch im Segelsport kommt es seit einiger Zeit in den Kielbomben großer Racer zum Einsatz. Dabei wird der Wasserwiderstand durch die größere Dichte gegenüber herkömmlichen Materialien wie Blei oder Gusseisen stark verringert.

Saiten für Musikinstrumente werden zum Teil mit Wolfram umsponnen, um ihr Gewicht zu erhöhen und dadurch die Tonhöhe zu verringern.

Wolfram findet auch in der Röntgendiagnostik als Targetmaterial in der Anode Verwendung. In der Rastertunnelmikroskopie wird Wolfram oft als Material für die Sondenspitze verwendet.

Seit Anfang des 21. Jahrhunderts wird Wolframcarbid, fälschlicherweise als Wolfram bezeichnet, auch zu Schmuck (Tungsten-Schmuck), z.B. Ringen verarbeitet. Dieses ist sehr leicht anhand der Härte und der Dichte feststellbar. WC hat die Mohshärte 9,5, Wolfram nur 7,5. Bisher sind alle auf dem Markt befindlichen Schmuckteile aus Wolframcarbid hergestellt.

Wolframcarbid wird als Neutronenreflektor bei Kernwaffen eingesetzt, um die kritische Masse herabzusetzen. Wolframcarbide (Hartmetall) werden aufgrund ihrer hohen Härte in der Materialbearbeitung verwendet.

Wolframate werden zur Imprägnierung von Stoffen verwendet, um diese schwer entflammbar zu machen.

Wolframhaltige Farben werden in der Malerei sowie in der Keramik- und Porzellanindustrie verwendet.

Bleiwolframat wird als moderner Szintillator in der Teilchenphysik verwendet.

Physiologie

Nach dem derzeitigen Wissensstand gelten Wolfram und seine Verbindungen als physiologisch unbedenklich.

Im Tiermodell wurde festgestellt, dass die größte Menge an peroral aufgenommenen Wolfram-Verbindungen wieder rasch über den Urin ausgeschieden wird