TRABAJO ESCRITO DE EXPOSICION MINERAL WOLFRAMIO
RUBEN DARIO DEAQUIZ CUSBA HAROLD ANDRES HERNANDEZ
Presentado a In!" CLAUDIA MOLINA En e# $rea de L%nea de Pro&'nd()a*(+n I
UNI,ERSIDAD PEDA-O-ICA . TECNOLO-ICA DE COLOMBIA FACULTAD DE IN-ENIERIA ESCUELA DE METALUR-IA TUNJA / BO.ACA 0123
INTRODUCCION
El wolframio, también conocido como tungsteno, es un elemento químico de número atómico 74 que se encuentra en el grupo 6 de la tabla periódica de los elementos. Su símbolo es . Es un metal escaso en la corte!a terrestre, se encuentra en forma de ó"ido # de sales en ciertos minerales. Es de color gris acerado, mu# duro # denso, tiene el punto de fusión m$s ele%ado de todos los metales # el punto de ebullición m$s alto de todos los elementos conocidos. & Se usa en los filamentos de las l$mparas incandescentes, en electrodos no consumibles de soldaduras, en resistencias eléctricas, # aleado con el acero, en la fabricación de aceros especiales. Su %ariedad de carburo de wolframio sinteri!ado se emplea para fabricar 'erramientas de corte. Esta %ariedad absorbe m$s del 6( ) de la demanda mundial de wolframio. El wolframio es un material estratégico # 'a estado en la lista de productos m$s codiciados desde la Segunda *uerra +undial. or e-emplo, el gobierno de Estados nidos mantiene unas reser%as nacionales de seis meses -unto a otros productos considerados de primera necesidad para su super%i%encia. 6 Este metal es fundamental para entender las sociedades modernas. Sin él no se podrían producir de una forma económica todas las m$quinas que nos rodean # las cosas que se pueden producir con ellas.
HISTORIA En /770, eter oulfe, mientras estudiaba una muestra del mineral wolframita, 1+n, 2e3 143, predi-o que debía de contener un nue%o elemento. 5os aos después, en /7/, 8arl il'elm Sc'eele # 9orbern :ergman sugirieron que se podía encontrar un nue%o elemento reduciendo un $cido 1denominado ; $cido túngstico;3 obtenido a partir del mineral sc'eelita 18a43. En /7<, en Espaa, los 'ermanos =uan =osé El'ú#ar # 2austo El'ú#ar encontraron un $cido, a partir de la wolframita, idéntico al $cido túngstico> el primero tra-o el mineral consigo de su periplo por las minas # uni%ersidades europeas.
En psala 1Suecia3 tomó clases con :ergman el cual le 'abló de sus intuiciones respecto del wolframio. ?sí, consiguieron aislar el nue%o elemento mediante una reducción con carbón %egetal, en el @eal Seminario de Aergara donde tenía su laboratorio la @eal Sociedad :ascongada de ?migos del aís. +$s tarde, publicaron Análisis químico del wolfram y examen de un nuevo metal que entra en su composición describiendo este descubrimiento. En /B( el químico sueco :er!elius obtu%o wolframio mediante una reducción con 'idrógeno. El método, empleado toda%ía actualmente, comen!ó a abrir las posibilidades de uso de este metal e"traordinario, pero su desarrollo fue mu# lento. Ca necesidad constante de nue%os materiales para alimentar las guerras del siglo DD 'i!o que los aceristas austríacos e ingleses empe!aran a in%estigar las propiedades del wolframio como elemento de aleación. En la ni%ersidad de Aiena se e"perimentó con aleaciones a base de wolframio
ETIMOLO-4A
Ca palabra tungsteno procede del sueco> tung se traduce como ;pesado; # sten, ;piedra;, es decir, ;piedra pesada;. El %ocablo se debe al mineralogista sueco ?"el 2redriF 8ronstedt, descubridor del níquel, quien inclu#ó una descripción de este mineral desconocido en su libro ;Ensa#os de +ineralogía; de /7&. En la %ersión inglesa, de renombrado prestigio académico en la época, se mantu%o la palabra tungsten, lo que e"plica su popularidad en el mundo anglosa-ón. Ca palabra wolframio procede de las alemanas wolf # rahm, pudiendo significar ;poco %alor;. 9ambién se traduce como ;:aba de Cobo; en referencia a las supersticiones de los mineros medie%ales sa-ones que creían que el diablo se aparecía en forma de lobo # 'abitaba las profundidades de las minas corro#endo la casiterita con sus fauces babeantes. Este metal aparecía me!clado con el $cido de otro desconocido GwolframioG que actuaba corro#éndolo.
CARACTERISTICAS Pro5(edades &%s(*as En su forma natural, el wolframio es un metal gris acero que es a menudo fr$gil # difícil de traba-ar, pero si es puro, se puede traba-ar con facilidad. Se traba-a
por for-ado, trefilado, e"trusión # sinteri!ación. 5e todos los metales en forma pura, el wolframio tiene el m$s alto punto de fusión 1<.4/( H8, 6./7( H23, menor presión de %apor 1a temperaturas superiores a /.6&( H8, <.((B H23 # la ma#or resistencia a tracción. ?dem$s, tiene el coeficiente de dilatación térmica m$s ba-o de cualquier metal puro, # se detecta f$cilmente con reacti%o de ?rnulp'i en medio b$sico 1IJ3, torn$ndose este mismo incoloro. Ca e"pansión térmica es ba-a, su punto de fusión es alto # la fuer!a se debe a fuertes enlaces co%alentes que se forman entre los $tomos de wolframio en el orbital &d. 8abe sealarse que la aleación de pequeas cantidades con el acero aumenta su resistencia. 9iene una mu# buena combinación de %enta-as entre las que destacan su gran fuer!a # resistencia calórica, adem$s de una aceptable resistencia química, #a que no es f$cilmente atacable por los $cidos. El metal suele traba-arse por sinteri!ación. El método consiste en aglomerarlo en forma de pol%o de diminutos granos en una matri! met$lica. ?unque la me-or opción es el cobalto, se puede encontrar también el níquel e incluso el 'ierro en estos casos. 9odas sus aleaciones se distinguen por su enorme dure!a # su resistencia. El metal se comporta e"celentemente incluso a altas temperaturas, cosa que el renio no, por e-emplo, pese a que ambos metales comparten un punto de fusión similar. El wolframio es el metal m$s abundante de los metales de transición del grupo & de la tabla periódica. En caso de escasear, el molibdeno suele sustituirle.
ropiedades químicas El wolframio resiste las reacciones redo", casi todos los $cidos comunes 1inclu#endo el fluor'ídrico3 # $lcalis, pero sólo en su estado de m$"ima pure!a, aunque se o"ida r$pidamente e"puesto a peró"ido de 'idrógeno 1comúnmente conocido como agua o"igenada3. El wolframio a temperatura ambiente sostiene el ataque de casi todos los $cidos importantes en cualquier concentración aunque puede corroerse con facilidad en $cido nítrico # agua o"igenada. 8on el $cido fluor'ídrico ocurre el fenómeno de pasi%ación, form$ndose fluoruros en su superficie. Ko obstante la capa de ó"ido del wolframio no es estable por encima de 4((L 8 # el metal queda e"puesto. Cos compuestos de wolframio m$s usados 1e-.M carburo de wolframio3 me-oran algo su #a alta resistencia a la corrosión, # de 'ec'o les cuesta disol%erse en agua regia, en estos casos, el metal es adecuado para su uso como -o#a, especialmente en anillos de última generación. ese a que resiste bien los $cidos, puede irónicamente o"idarse incluso con sal de cocina común, de 'ec'o el agua pura lo o"ida 1aunque dic'o ó"ido no a%an!ar$ m$s all$ de la superficie3. Es un metal difícil de alear, sólo lo 'ace con los metales refractarios, los ferrosos # algunas e"cepciones. Ko se
amalgama con el mercurio a ninguna temperatura. El wolframio se disuel%e en aluminio fundido, # es uno de los pocos metales que pese a no aseme-arse nada al wolframio se alea perfectamente. El estado de o"idación m$s común del wolframio es N6, pero presenta todos los estados de o"idación, desde OB 'asta N6./& /6 Kormalmente se combina con el o"ígeno para formar el ó"ido wolfr$mico amarillo 1<3 que se disuel%e en soluciones de alcalino acuoso para formar iones de wolframio 14BO3. Cos carburos de wolframio 1B8 # 83 se producen por el calentamiento en pol%o de carbón # son algunos de los carburos m$s duros, con un punto de fusión de B.77( H8 para 8 # B.7( H8 para el B8, el 8 es un conductor eléctrico eficiente, pero el B8 no, el carburo se comporta de manera similar al mismo elemento sin alear, # es resistente al ataque químico, aunque reacciona fuertemente con el cloro para formar 'e"acloruro de wolframio 18l63. Cas soluciones acuosas se caracteri!an por la formación de $cido 'eteropoli$cido # aniones de polio"ometalato en condiciones neutras # $cidas, adem$s produce la acidificación del anión del metatungstato mu# soluble, después de lo cual se alcan!a el equilibrio. /7 +uc'os aniones de polio"ometalato e"isten en otras especies metaestables, la inclusión de un $tomo de diferentes características, como el fósforo, en lugar de dos 'idrógenos centrales, en el metatungstato produce una gran %ariedad de $cidos 'eteropoli$cidos, como el $cido fosfotúngstico.
APLICACIONES En estado puro se utili!a en la fabricación de filamentos para l$mparas eléctricas, resistencias para 'ornos eléctricos con atmósfera reductoras o neutras, contactos eléctricos para los distribuidores de automó%il, también como pro#ectil anticarro 1flec'a3 por su ele%ado punto de fusión # densidad, $nodos para tubos de ra#os D # de tele%isión. 9iene usos importantes en aleaciones para 'erramientas de corte a ele%ada %elocidad, como las fresas para instrumentos odontológicos 1B83, en la fabricación de bu-ías # en la preparación de barnices 1<3 # mordientes en tintorería, en las puntas de los bolígrafos # en la producción de aleaciones de acero duras # resistentes. El wolframio # su aleación m$s popular, el carburo de wolframio son en ambos casos, e"celentes reflectores de neutrones. Cos cristales de wolframio con la estructura :88 est$n tan comprimidos que resultan ser eficaces escudos contra la radiación de todas las clases. :arras # planc'as de wolframio o
carburo de wolframio pueden resistir emisiones incluso de partículas gamma, ra#os de neutrones. Es un poderoso escudo, superior al plomo # que adem$s ofrece una to"icidad nula, cosa que el plomo no. @epele los neutrones # la energía nuclear debido a su gran densidad # estabilidad atómica. Cos wolframatos de calcio # magnesio se utili!an en la fabricación de tubos fluorescentes. El carburo de wolframio, estable a temperaturas del orden de &(( H8, también se usa como lubricante seco.& /0 El gas 'e"afluoruro de wolframio se emplea en la fabricación de circuitos integrados. ara la soldadura 9* 19ungsten nert *as3M consiste en usarlo de electrodo no fusible 1que no se funde3, para 'acer de arco eléctrico entre la pie!a # la m$quina, #a que soporta <4/( H8 cuando es puro 1se usa para soldar aluminio o magnesio, en corriente alterna3. En este caso, el electrodo lle%a un distinti%o de color %erde. ?simismo, si se alea con torio 1al B)3, soporta los 4((( H8 # su uso alcan!a la soldadura de aceros ino"idables, cobre # titanio, entre otros, en corriente continua, en cu#o caso la cinta pintada es de color ro-o. 9ambién se dan aleaciones con otros elementos químicos, como el circonio, el lantano, etc. 5esde la Segunda *uerra +undial se usó para blindar la punta de los pro#ectiles antiOtanque, como en la munición ?, # en la cora!a de los blindados.6 B/ Ca adquisición de olframio se con%irtió en un elemento %ital e indispensable para la ?lemania na!i, que lo adquiría a tra%és de la Espaa franquista. El suministro de olframio a los na!is llegó a ser tan importante que pro%ocó una seria crisis diplom$tica con las potencias aliadas, dado que era elemental para la maquinaria de guerra alemana. 9ambién se usa para la fabricación de dardos, concretamente en los barriles de los dardos, en aleación con níquel, # en una proporción desde el () al 07). En los últimos aos se 'a utili!ado para la fabricación de -o#as como bra!aletes, anillos # relo-es,6 B< B4 # también para las 'erraduras de los caballos como pequeos tacos # así e%itar que se resbalen. Se 'an lle%ado a cabo in%estigaciones acerca de la utili!ación de residuos de la minería del wolframio para la elaboración de nue%os tipos de pastas cer$micas, us$ndolos como desgrasantes. 5urante la acti%idad e"tracti%a del mineral se desec'a gran parte de la roca de la que procede. Estos residuos pueden ser apro%ec'ados para la obtención de productos cer$micos manufacturados para
posibles aplicaciones en la industria, restauración del patrimonio o bellas artes.
arquitectura, conser%ación
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PAPEL BIOL6-ICO El wolframio es el elemento conocido m$s pesado utili!ado por los seres %i%os> no se 'a utili!ado por los eucariotas, pero es un nutriente esencial para algunas bacterias. or e-emplo, las en!imas llamadas o"idorreductasas usan el wolframio de manera similar al molibdeno utili!ando en un comple-o de pterina con molibdopterina. Ca molibdopterina, a pesar de su nombre, no contiene molibdeno, pero puede ser un comple-o con molibdeno o wolframio para su uso en los seres %i%os, # utili!a en!imas para reducir los $cidos carbo"ílicos a alde'ídos. Ca primera en!ima que requiere ser descubierta también requiere que el selenio, # en este caso, el wolframio de selenio funcione de forma an$loga a la %inculación de las en!imas del molibdeno. na de las en!imas de la familia o"idorreductasa que emplean a %eces de wolframio es conocido por usar una %ersión de molibdeno 1selenio de molibdopterina3. ?unque una en!ima que contiene "antina des'idrogenasa de las bacterias se 'a encontrado para contener molibdopterina de wolframio # no a las proteínas de selenio, un comple-o de molibdopterina de wolframioOselenio no 'a sido definiti%amente descrito.
EFECTOS BIOQU4MICOS En el suelo, se o"ida con%irtiéndose en un ion positi%o. Es posible que se sustitu#a por molibdeno en algunas en!imas, # en tales casos, la en!ima que resulta en los seres eucariotas, presumiblemente sería inerte. Ca química del suelo determina la forma de polimeri!ación del wolframio> los suelos alcalinos causan %olframatos monoméricos, mientras que los suelos $cidos ocasionan %olframatos poliméricos. El tungstato de sodio # plomo 'an sido estudiados por sus efectos sobre las lombrices de tierra. El plomo es letal en sus ni%eles m$s ba-os # el tungstato sódico es muc'o menos tó"ico, pero el tungstato in'ibió por completo su capacidad reproducti%a.
ABUNDANCIA . OBTENCI6N
ara e"traer el elemento de su mena, se funde ésta con carbonato de sodio obteniéndose wolframato de sodio, Ka B4. El wolframato de sodio soluble se e"trae después con agua caliente # se trata con $cido clor'ídrico para conseguir $cido %olfr$mico, J B4. Este último compuesto, una %e! la%ado # secado, forma el ó"ido <, que se reduce con 'idrógeno en un 'orno eléctrico. El fino pol%o obtenido se recalienta en moldes en una atmósfera de 'idrógeno, # se prensa en forma de barras que se enrollan # martillean a alta temperatura para 'acerlas compactas # dúctiles.
olframita. Ja# minerales de wolframio sobre todo en 8'ina, :oli%ia, ortugal, @usia, 8orea del Sur, erú # Estados nidos 1en 8alifornia # 8olorado3. En Espaa se encuentran minerales de wolframio en Ceón 1:ier!o ccidental3, Salamanca 1:arrueco pardo # Cos Santos3, *alicia, especialmente en onteceso, Santa 8omba # 8arballo 1Ca 8orua3, en E"tremadura, especialmente en algunas localidades de :ada-o! # en 9orna%acas # ?cebo 18$ceres3, donde tu%o gran rele%ancia por la demanda de ?lemania durante la Segunda *uerra +undial. Este elemento ocupa el puesto &7L en la clasificación de elementos m$s abundantes de la corte!a terrestre.
Ko se encuentra nunca libre en la naturale!a, sino en forma de sales combinado con otros elementos, principalmente como la sc'eelita18a43 # la wolframita 112e, +n343, que son sus minerales m$s importantes. El wolframio natural es una me!cla de cinco isótopos estables. ?dem$s se conocen B/ isótopos inestables. El wolframio se e"trae de %arios minerales wolfr$micos, como el %olframita 112e, +n343, la sc'eelita 18a43, la cuprosc'eelita18u43, ferberita 12e43,
la JPbnerita 1+n43 # la stol!ita 1b43. Estos minerales se e"traen # se utili!an para producir cerca de <7.4(( toneladas de concentrados de tungsteno por ao. 8'ina produ-o m$s del 7&) de este total # la ma#or parte de la producción restante procede de ?ustria, :oli%ia, ortugal # @usia. El tungsteno se e"trae de sus minas en %arias etapas. El mineral se con%ierte posteriormente en trió"ido de wolframio 1<3, que se calienta con 'idrógeno o carbono para producir wolframio en pol%o. Se puede utili!ar en ese estado o prensado en barras maci!as. El wolframio también puede ser e"traído por reducción con 'idrógeno de 2 6M 26 N < JB Q N 6 J2 por descomposición pirolíticaM 26 Q N < 2B 1RH r N3 Cos precios del %olframio se registran en la :olsa de +etales de Condres. El precio de metal puro es de alrededor de TB(.(7& por tonelada.
COMPUESTOS uede presentar estados de o"idación desde O a NA, pero los m$s comunes son los ele%ados. Ca fle"ibilidad en el estado de o"idación da lugar a una serie de compuestos de %alencia mi"ta. Sus compuestos m$s característicos sonM •
U"idos de wolframio, #, a partir de ellos se consigueM •
U"idos mi"tos con metales alcalinos o alcalinotérreos
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•
•
•
U"idos a!ules, de %alencia mi"ta, que se preparan por reducción sua%e :ronces de %olframio, de %alencia mi"ta # no estequiométrico, con cierta proporción de sodio
Aolframatos simples so # 'eteropoli$cidos # sus sales, polio"ometalatos de una gran rique!a # %ariedad estructural Sulfuros # 'alogenuros
IS6TOPOS Katuralmente el wolframio consta de cuatro isótopos estables # uno inestable, el O/(. Cos isótopos del wolframio son solamente inestables en teoría, # dado que se trata de una suposición no puede considerarse factible. En teoría, los cinco isótopos pueden descomponerse en isótopos del 'afnio por la emisión de radiaciones alfa, pero sólo el /( se 'a obser%ado con una %ida media de 1/, V (,B3W/(/ aos, en promedio, es el rendimiento alrededor de dos desintegraciones alfa de /( en un gramo de %olframio natural al ao. Cos otros isótopos naturales que no se 'an obser%ado directamente 'an limitado su %ida media aM /B
, T /XB Y ,
PRECAUCIONES
?unque los datos relati%os a la to"icidad del wolframio son limitados, se tiene conocimiento de casos de into"icación donde la dosis letal para los seres 'umanos se estima entre &(( mgXFg # & gXFg. 5el wolframio se sabe que genera con%ulsiones e insuficiencia renal con necrosis tubular aguda. Cos efectos del wolframio en el medio ambiente son pr$cticamente desconocidos, una preocupación que 'a surgido es el uso cada %e! m$s generali!ado del material en plomadas para pescar, algunas de las cuales se pierden ine%itablemente en el agua. Ca %ariable desconocida se aplica cuando el wolframio puede ser depositado en el medio ambiente, #a sea a sabiendas o sin darse cuenta.
REFERENCIAS /. ['# does 9ungsten not \IicF\ up an electron from t'e s suble%el ]^ . 8onsultado el /& de -unio de B((. B. @eal ?cademia Espaola 1B(/43. [%olframio^. Diccionario de la lengua española 1B<._ edición3. +adridM Espasa. <. AA. ??. 1B((03. =ordi ndur$in ons et al , ed. Diccionario Anaya de la lengua 1B._ edición3. Carousse Editorial, S. C. S:K 07O4O7/&
