Els empèdocles moderns – Torbern Bergman (1781) i l’element 74 (W) – tungstè (nilseptiquadi, Nsq)

Fa unes setmanes, en parlar del zirconi i, amb motiu específicament de la zircònia, ens referíem als materials refractaris. Relacionat amb aquest concepte, apareix la idea de metall (o aliatge metàl•lic) refractari. Els metalls refractaris es caracteritzen per una forta resistència a la calor i/o al desgast. Presenten punts de fusió superiors als 2500 K i, en conseqüència, se solen treballar mitjançant tècniques de pulverimetal•lúrgia, és a dir mitjançant esmicolament/aglomeració. Alhora, són extraordinàriament forts en condicions estàndards de pressió i temperatura, cosa que es manifesta en les elevades tensions a les que han d’ésser sotmesos per arribar al trencament. En la taula periòdica dels elements, són cinc els metalls que solen ser qualificats habitualment de refractaris: el niobi (Nb), el molibdè (Mo), el tàntal (Ta), el tungstè o wolframi (W) i el reni (Re). En una definició més àmplia, hom inclouria també els elements del grup del titani (titani, zirconi, i hafni), a més del vanadi i del crom, així com alguns dels metalls nobles (el ruteni, el rodi, l’osmi i l’iridi). És cert que hi ha alguns altres elements, com el tecneci o alguns transurànids, que tenen elevats punts de fusió però, absents com són a la natura, no són inclosos en la definició. Les bombetes incandescents, equipades amb fil de tungstè o wolframi, són una de les primeres aplicacions ben esteses dels metalls refractaris (els fils es mantenen sòlids tot i haver de suportar temperatures operatives de més de 3000 K). Els aliatges basats en metalls refractaris són matèria de recerca intensa per a noves aplicacions. Una revista especialitzada en aquesta recerca és l’International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, en el consell editorial del qual trobem el catedràtic de l’UPC, Luis Miguel Llanes Pitarch. Nosaltres arribem al nombre 74 de la nostra sèrie, precisament situat al bell mig d’aquesta categoria de metalls elementals.

Mesura de la resistència a la tracció o tensió de trencament

Torbern Bergman i la descoberta del tungstè

Torbern Bergman (1735-1784), retratat per Lorens Pasch fill (1733-1805

Torbern Olof Bergman va nàixer a la parròquia de Låstad (Västergötland) el 9 de març del 1735, fill del matrimoni format per Sara Hägg i Barthold Bergman. Barthold Bergman ostentava la dignitat de “kronobefallningsman”.

Torbern Bergman ingressà en el “gymnasium” de Skara, entre els professors del qual hi havia Sven Hof (1703-1786). Hof havia esdevingut professor de matemàtiques a Skara en el 1746, i després passaria a oratòria. Encara que conegut sobretot pels seus estudis lingüístics, Hof també era un apassionat de la història natural, i fou a través seu que Bergman se sentí atret per la botànica.

Bergman passà després de la Universitat d’Uppsala, on estudià matemàtiques i ciències naturals, amb especial interès per la botànica i l’entomologia. Les seves observacions zoològiques i les col•leccions entomològiques el feren entrar en contacte amb Carl von Linné (1707-1778). Un altre dels seus professors d’aquella època fou Johan Gottschalk Wallerius (1709-1785), que en el 1750, havia ocupat la càtedra de nova creació de química, medicina i farmàcia.

L’esforç de complaure el pare, va fer que Bergman combinés aquests estudis amb els d’assignatures de dret i teologia. La seva salut se’n ressentí, i va haver d’interrompre els estudis. Tornà a la casa paterna per recuperar-s’hi. Allunyat dels llibres, però, s’acostà de nou a la natura. Demostrà que l’organisme que Linné havia caracteritzat com a “Coccus aquaticus” era en realitat ous d’una espècie de sangonera. Aquestes i altres observacions les defensà amb un treball, que fou lloat pel mateix Linné.

Bergman va rebre una menció de l’Acadèmia de Ciències per un estudi sobre l’arna d’hivern (“allmän frostfjäril”). Bergman posà de manifest el dimorfisme sexual d’aquesta espècie, particularment el fet que les femelles fossin àpteres a la pràctica, la qual cosa condicionava la dispersió de les poblacions de l’insecte. La qüestió no era pas una mera curiositat naturalística, car les plagues d’arna d’hivern produïen pèrdues considerables en plantacions de fruiters.

En el 1758 tornà a Uppsala, ara ja amb la clara intenció de fer carrera com a naturalista. El seu interès per l’astronomia i la geografia, el dugué a fundar la Societat Cosmogràfica d’Uppsala, per a la qual edità una “Descripció física del món” (“Physisk beskrifning öfver jordklotet”).

Ja doctorat en el mateix any, fou professor associat de física. Estudià les propietats elèctriques de les turmalines, i realitza contribucions en el camp de la meteorologia (estudi de les tempestes, de les aurores o de l’arc iris. Aquests estudis consolidaren el seu nom, i en el 1764 fou introduït en la Reial Acadèmia Sueca de Ciències i, l’any següent, en la Royal Society de Londres.

En el 1767, Wallerius anuncià que renunciaria a la plaça de professor de química i mineralogia. Bergman s’hi postulà. Hom li va retreure que la seva carrera docent s’havia circumscrit a la física i a les matemàtiques, i que no havia publicat cap treball de química. El cert, però, és que Bergman sí es trobava en mig de recerques sobre química, com ara en la confecció d’alum. La publicació d’un tractat sobre aquest tema, que tingué bona recepció, obrí el camí de Bergman per substituir Wallerius.

Bergman jugà un paper rellevant en la introducció a Suècia de les idees de la química moderna, com ara la rellevància de l’anàlisi quantitativa. També participà en el desenvolupament de la química mineralògica, plasmada en una proposta de classificació sistemàtica dels minerals d’acord amb les seves propietats físiques i químiques (Handbok i mineralogi, 1775). En aquesta sèrie també hem vist (i veurem) les contribucions de Bergman en el coneixement químic dels anomenats “metalls nous” o “semimetalls”, com el bismut o el níquel.

Al voltant de Bergman s’articulen una sèrie de relacions personals i per correspondència, tot un exemple de col•laboració científica i tècnica: bescanvi de mostres minerals i extractes, suggeriment de línies d’investigació, etc. Bergman fou inspirador i patrocinador d’algunes de les recerques més conegudes de Carl Wilhelm Scheele (1742-1786), i deixà petjada en altres representants de les noves generacions, com ara Johan Gadolin.

En el 1771, Bergman inventà un procés de fabricació d’aigua carbonatada, que emprava calç i àcid sulfúric com a matèries primeres. Són incomptables les seves contribucions en tècniques de separació química, “våta vagen” (solucions diferencials) o “torra vägen” (per calor).

Es casà amb Margareta Catharina Trast (1771). Més o menys per aquella època, el rei Gustau (III) de Suècia intervingué per impedir el “fitxatge” de Bergman pel rei Frederic (II) de Prússia. En el 1772 fou fet cavaller de l’Orde de Vasa.

Carl Wilhelm Scheele

En el 1781, Carl Wilhelm Scheele obtingué una substància àcida a través del processament d’un mineral procedent del mont Bispberg (Säter, Dalarna, Suècia). Scheele consultà a Bergman la caracterització del mineral. El descrigueren com una forma de “tung sten” (“pedra pesada”), pel seu elevat pes específic. Ara bé, l’interès principal el fornien les propietats de l’àcid túngstic, que feren pensar Bergman i Scheele que contenia un element químic prèviament desconegut. Intentaren, debades, la reducció de l’àcid túngstic per comprovar si realment contenia un nou metall.

Peça de scheelita, mineral conegut històricament com a “tungsten” o “wolfram”

El mineral que Scheele havia descrit com a “tungsten” era d’una natura similar al mineral que, en el 1747, Wallerius havia descrit com a “wolf rahm”, literalment “crema” o “sutge” de llop, degut a la marca que deixava al contacte. L’expressió “wolf rahm”, com la de “tung sten”, eren presents en la llengua popular. Georg Agricola, ja en el 1546, havia llatinitzat “wolf rahm” com a “lupi spuma”, i havia referit la gran quantitat d’estany necessària en el procés d’extracció d’aquest mineral.

Fausto de Elhuyar

Els germans Juan José i Fausto Elhuyar-Lubize, nascuts a Logroño, respectivament el 15 de juny del 1754 i l’11 d’octubre del 1755, eren fills d’un matrimoni procedent d’Hazparne (Lapurdi). S’havien format a París i havien tornat a Navarra com a mineralòlegs. Fausto Elhuyar havia esdevingut professor de mineralogia i metal•lúrgica a la Universitat de Bergara. Els dos germans treballaven des del 1780 al “Laboratorium Chemicum”, i participaren, juntament amb François Chavaneau en la purificació del platí. Per aquella època arribaren a mans dels germans Elhuyar unes mostres de volframita (= tungstenita). De manera paral•lela a Scheele i Bergman, n’extragueren un àcid, i el reduïren amb carbó, bo i obtenint el que sospitaven que es tractava d’un nou metall.

Amb mostres d’aquest i d’altres estudis, els germans Elhuyar feren, durant el 1783, una gira per diverses universitats europees. A Uppsala contactaren amb Bergman i, a Köping, amb Scheele. La comparació entre les mostres de Scheele i dels Elhuyar feren evident que es tractava de la mateixa espècie mineral.

Hom comunicà, doncs, l’existència d’un nou metall elemental en la wolframita o tungstenita, que els Elhuyar denominaren “volfram”. Bergman es va morir el 8 de juliol del 1784 a Medevi. La seva figura s’engrandí després de la mort. En el 1785 aparegué una edició anglesa (“A Dissertation on Elective Attractions”), amb una extensa informació sobre afinitats químiques. Pel que fa als germans Elhuyar, tots dos passarien a Amèrica. Juan José es va morir a Santafé de Bogotá el 20 de setembre del 1796. Fausto, instal•lat a la ciutat de Mèxic en companyia de la seva dona austríaca, Joan Raab, hi fundaria l’Escola de Mines. Després de la independència mexicana, Fausto Elhuyar tornaria a Espanya, on treballaria a Almadén, Guadalcanal i Río Tinto, i es moriria el 6 de febrer del 1833 com a director general de Mines.

En la literatura de les primeres dècades després de la descoberta, es generalitza l’ús de “tungsten” per referir-se al nou metall. En són excepció els països nòrdics, on “tungsten” (d’etimologia ben evident) es reservà més aviat al mineral. Per al metall, hom preferí el nom de “wolfram”, ús que també adoptà la resta de l’àmbit lingüístic germànic. En llengua anglesa, però, es prefereix “tungsten” i així el trobem escrit a “New System of Chemical Philosophy” (1808), de John Dalton, que el simbolitza amb les inicials “Tu”.

Jöns Jacob Berzelius, en una taula de les “substàncies elementals” del 1813, dóna la forma llatina “tungsten”, i proposa com a símbol Tn. No obstant, en l’obra mateixa de Berzelius hom troba també el símbol W.

Són moltes les llengües que accepten les dues formes com a sinònims equivalents. És el cas del català, on s’utilitzen “tungstè” (o, menys habitualment, “tungstèn”) i “wolframi” (o “volframi”). El sinònim preferit és el de “tungstè”, encara que “wolframi” és la forma més habitual en referir-se algunes aplicacions (com els fils incandescents de les bombetes elèctriques). En castellà, es tendeix a preferir “wolframio” (que fou la forma preferida pels germans Elhuyar), mentre que “tungsteno” es reserva a algunes aplicacions metal•lúrgiques. En les altres llengües romàniques, sol preferir-se la forma “tungstè”. En anglès, la forma “tungsten” és utilitzada més sovint que no pas la de “wolfram”. En les llengües germàniques, com hem dit, s’empra preferentment “volfram” (encara que en islandès, de manera secundària, s’utilitza també Þungsteinn). Aquesta preferència també es manté en llengües eslaves i bàltiques. En esperanto, s’utilitza “volframo”. Entre les altres llengües que prefereixen formes derivades de tungstè hi ha les llengües semítiques, les del subcontinent índic.

El pes de la literatura química en llengua alemanya afavorí la difusió del símbol W i de la forma “wolfram”. Així el trobem escrit en la taula de John Newlands del 1864, en el qual se li dóna un nombre elemental de 47, col•locant-lo en el grup del carboni.

En la taula periòdica de Dmitri Mendeleev del 1869, el wolframi (W = 186) apareix en el sisè període, en el grup format pel crom (quart període) i el molibdè (cinquè període). En la taula del 1871, més compacta, aquests elements passen al grup VI (el grup de l’oxigen), i el tungstè (W = 184) passa al desè període.

Anunci de la bombeta Tungsram en llengua magiar

En el 1904, sortiren al mercat les primeres bombetes elèctriques incandescents de fil de tungstè. Les comercialitzava la casa Tungsram, creada pels qui l’havien desenvolupada, Alexander Just (1874-1937) i Franjo Hanaman (1878-1941), que havien obtingut la patent corresponent respecte les autoritats del Regne d’Hongria el 13 de desembre del 1904. El principi de la llum elèctrica incandescent ja l’havia demostrat Humphry Davy en el 1802 en una tira de platí. Calia, realment, un material conductor però que no tingués un elevat punt de fusió. No cal dir que l’ús d’un metall preciós semblava exagerat. Una alternativa llargament investigada era el fil de carboni, que va ser objectes de diverses patents, la més coneguda de les quals és la de Thomas Edison del 1878. L’ús d’un metall refractari com el tàntal, havia conduït a Siemens a comercialitzar bombetes de fil de tàntal en el 1902.

Les bombetes de fil de tungstè van haver de resoldre diverses limitacions. La General Electric Company millorà el procés de sinterització per aconseguir tungstè més dúctil. En el 1913, Irving Langmuir mostrà com l’eficàcia lluminosa de les bombetes era millor si, per comptes del buit, hom introduïa una atmosfera de gas inert (nitrogen o, millor encara, argó). A partir d’aquella dècada, la generalització de les bombetes de tungstè semblà ja indeturable.

William D. Coolidge (1873-1975), de General Electric, aconseguí en el 1913 una patent força àmplia als Estats Units, que semblava protegir fins i tot el mateix tungstè (“Tungsten and method of making the same for use as filaments of incandescent electric lamps and for other purposes”).

Panasqueira

La demanda de tungstè es va disparar com a conseqüència de la difusió d’aquestes bombetes incandescents. L’esclat de la guerra a Europa en el 1914, convertí al tungstè en un material estratègic, ja que a banda d’aquesta aplicació, el tungstè era interessant en el desenvolupament d’aliatges més refractaris d’ús militar. Els dipòsits més grans de mineral de tungstè, era la wolframita de Panasqueira (Covilhã, Castelo Branco). Portugal es mantingué neutral, però les pressions angleses el farien entrar en la guerra el març del 1916.

En el 1928, una sentència judicial tombava la patent del 1913 de tungstè, si més no pel que feia a l’intent de General Electric de reservar-se l’ús d’un element químic.

En la redefinició de la taula periòdica, arran de la separació dels metalls de transició, el tungstè o wolframi retornà al sisè període, dins del grup del crom i del molibdè.

En el 1950, la IUPAC prengué la curiosa decisió d’adoptar com a nom preferent de l’element el de “tungstè”, bo i confirmant el símbol W. En les dècades anteriors, havia hagut la sensació que “tungsten” era la forma americana front al “wolfram” europeu. D’aquesta manera, la decisió en referència al “tungstè” es considera com una compensació pel fet que la IUPAC havia preferit el nom europeu de “niobi” per damunt de “columbi” per a l’element 71. La pugna no ha cessat del tot. En el 2005, Pilar Goya i Pascual Román defensaven el nom de “wolframi” en referència a la prioritat de la descoberta dels germans Delhuyar. Dir-ne “wolframi”, a més, lliga amb el símbol W. És possible que alguna precaució amb el nom “wolframi” tingui a veure a no voler homenatjar un presumpte Herr Wolfram, que encara que hom hem vist, aquest senyor no existeix. O, més senzillament, que hom consideri bo embolicar la troca.

El desembre del 1983, van ser detinguts a Viena un grup que col•locava lingots “d’or” adulterats amb tungstè. El tungstè metàl•lic, en efecte, és d’una densitat similar a la de l’or, i aquesta banda havia perforat lingots d’or, i cobert els forats amb vares de tungstè, recobrint amb bany d’or la superfície. El cert és que en les darreres dècades, el tungstè metàl•lic ha guanyat popularitat en joieria com a material hipoal•lergènic i més resistent a l’abrasió que no pas l’or i platí. Particularment a la Xina són populars les joies de tungstè amb bany d’or.

El tungstè: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard del tungstè és de 183,84 uma, que deriva de la mitjana ponderada dels seus isòtops naturals (184W, 182W, 186W, 183W, 180W). El llistat dels isòtops coneguts fa:
– tungstè-158 (158W; 157,97456 uma). Nucli format per 74 protons i 84 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,00137 s. Decau a hafni-154, amb emissió d’un nucli d’heli-4. Posseeix un estat metastable (158mW) a 1889 keV, que té una semivida de 1,43•10-4 s.
– tungstè-159 (159W; 158,97292 uma). Nucli format per 74 protons i 85 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0082 s. Decau majoritàriament (82%) a hafni-155 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament (18%), a tàntal-159 (amb emissió d’un positró).
– tungstè-160 (160W; 159,96848 uma). Nucli format per 74 protons i 86 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,09 s. Decau majoritàriament (87%) a hafni-156 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament (14%), a tàntal-160 (amb emissió d’un positró).
– tungstè-161 (161W; 160,96736 uma). Nucli format per 74 protons i 87 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,409 s. Decau majoritàriament (73%) a hafni-157 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament (23%), a tàntal-161 (amb emissió d’un positró).
– tungstè-162 (162W; 161,963497 uma). Nucli format per 74 protons i 88 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,36 s. Decau bé a tàntal-162 (53%; amb emissió d’un positró) o bé a hafni-158 (47%; amb emissió d’un nucli d’heli-4).
– tungstè-163 (163W; 162,96252 uma). Nucli format per 74 protons i 89 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,8 s. Decau bé a tàntal-163 (59%; amb emissió d’un positró) o bé a hafni-159 (41%; amb emissió d’un nucli d’heli-4).
– tungstè-164 (164W; 163,958954 uma). Nucli format per 74 protons i 90 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 6,3 s. Decau normalment (97,4%) a tàntal-164 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (2,6%), a hafni-160 (amb emissió d’un nucli d’heli-4).
– tungstè-165 (165W; 164,958280 uma). Nucli format per 74 protons i 91 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 5,1 s. Decau normalment (99,8%) a tàntal-165 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (0,2%), a hafni-161 (amb emissió d’un nucli d’heli-4).
– tungstè-166 (166W; 165,955027 uma). Nucli format per 74 protons i 92 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 19,2 s. Decau normalment (99,96%) a tàntal-166 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (0,035%), a hafni-162 (amb emissió d’un nucli d’heli-4).
– tungstè-167 (167W; 166,954816 uma). Nucli format per 74 protons i 93 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 19,9 s. Decau normalment (>99,9%) a tàntal-167 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (<0,1%), a hafni-163 (amb emissió d’un nucli d’heli-4).
– tungstè-168 (168W; 167,951808 uma). Nucli format per 74 protons i 94 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 51 s. Decau normalment (99,99%) a tàntal-168 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (0,0319%) a hafni-164 (amb emissió d’un nucli d’heli-4).
– tungstè-169 (169W; 168,951779 uma). Nucli format per 74 protons i 95 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 76 s. Decau a tàntal-169, amb emissió d’un positró.
– tungstè-170 (170W; 169,949228 uma). Nucli format per 74 protons i 96 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 145 s. Decau normalment (99%) a tàntal-170 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament (1%), a hafni-166 (amb emissió d’un nucli d’heli-4).
– tungstè-171 (171W; 170,94945 uma). Nucli format per 74 protons i 97 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 143 s. Decau a tàntal-171, amb emissió d’un positró.
– tungstè-172 (172W; 171,94729 uma). Nucli format per 74 protons i 98 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 400 s. Decau a tàntal-172, amb emissió d’un positró.
– tungstè-173 (173W; 172,94769 uma). Nucli format per 74 protons i 99 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 460 s (8 minuts). Decau a tàntal-173, amb emissió d’un positró.
– tungstè-174 (174W; 173,94608 uma). Nucli format per 74 protons i 100 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1990s (33 minuts). Decau a tàntal-174, amb emissió d’un positró.
– tungstè-175 (175W; 174,94672 uma). Nucli format per 74 protons i 101 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2110 s (35 minuts). Decau a tàntal-175, amb emissió d’un positró.
– tungstè-176 (176W; 175,94563 uma). Nucli format per 74 protons i 102 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 9000 s (3 hores). Decau a tàntal-176, per captura electrònica.
– tungstè-177 (177W; 176,94664 uma). Nucli format per 74 protons i 103 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 7920 s (132 minuts). Decau a tàntal-177, amb emissió d’un positró.
– tungstè-178 (178W; 177,945876 uma). Nucli format per 74 protons i 104 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,87•106 s (22 dies). Decau a tàntal-178, per captura electrònica.
– tungstè-179 (179W; 178,947070 uma). Nucli format per 74 protons i 105 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2223 s (37 minuts). Decau a tàntal-179, amb emissió d’un positró. Posseeix tres estats metastables, un a 221,926 keV (179m1W; que té una semivida de 384 s i que decau bé a l’estat basal (99,72%), bé directament (0,28%) a tàntal-179), un altre a 1631,9 keV (179m2W; que té una semivida de 3,9•10-7 s) i un tercer a 3348,45 keV (179m3W; que té una semivida de 7,5•10-7 s).
– tungstè-180 (180W; 179,946704 uma). Nucli format per 74 protons i 106 neutrons. Decau a hafni-176, amb emissió d’un nucli d’heli-4. Ho fa, però, amb una semivida tan llarga, de 5,7•1025 s (vuit ordres de magnitud superior a l’edat actual de l’univers), que la dotació primordial a la Terra es conserva gairebé intacta. La freqüència isotòpica és de 0,12%, la qual cosa fa que en 1 gram de tungstè natural es produeixin en 1 anys, dues desintegracions de 180W de mitjana. El 180W posseeix dos estats metastables, un a 1529,04 keV (180m1W; que té una semivida de 0,00547 s, i que decau a l’estat basal) i un altre a 3264,56 keV (180m2W; que té una semivida de 2,33•10-6 s).
– tungstè-181 (181W; 180,948197 uma). Nucli format per 74 protons i 107 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,047•107 s (121 dies). Decau a tàntal-181, per captura electrònica.
– tungstè-182 (182W; 181,9482042 uma). Nucli format per 74 protons i 108 neutrons. Teòricament, decau a hafni-178 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Ho faria, però, amb una semivida molt llarga, de 5,4•1027 s (deu ordres de magnitud superior a l’edat actual de l’univers), de manera que, a efectes observacionals, és un isòtop estable. La seva freqüència és de 26,5%.
– tungstè-183 (183W; 182,9502230 uma). Nucli format per 74 protons i 109 neutrons. Teòricament, decau a hafni-179 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Ho faria, però, amb una semivida molt llarga, de 2,5•1027 s (nou ordres de magnitud superior a l’edat actual de l’univers), de manera que, a efectes observacionals, és un isòtop estable. La seva freqüència és de 14,31%. Posseeix un estat metastable (183mW) a 309,493 keV, que té una semivida de 5,2 s i que decau a l’estat basal.
– tungstè-184 (184W; 183,9509312 uma). Nucli format per 74 protons i 110 neutrons. Teòricament, decau a hafni-180 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Ho faria, però, amb una semivida molt llarga, de 5,7•1027 s (deu ordres de magnitud superior a l’edat actual de l’univers), de manera que, a efectes observacionals, és un isòtop estable. La seva freqüència és de 30,64%.
– tungstè-185 (185W; 184,9534193 uma). Nucli format per 74 protons i 111 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 6,49•106 s (75 dies). Decau a reni-185, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (185mW) a 197,43 keV, que té una semivida de 95,82 s i que decau a l’estat basal.
– tungstè-186 (186W; 185,9543641 uma). Nucli format per 74 protons i 112 neutrons. Teòricament, decau a hafni-182 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Ho faria, però, amb una semivida molt llarga, de 1,3•1026 s (vuit ordres de magnitud superior a l’edat actual de l’univers), de manera que, a efectes observacionals, és un isòtop estable. La seva freqüència és de 28,43%. Posseeix dos estats metastable, un a 1517,2 keV (186m1W; que té una semivida de 1,8•10-5 s) i un altre a 3542,8 keV (186m2W; que té una semivida de més de 0,003 s).
– tungstè-187 (187W; 186,9571605 uma). Nucli format per 74 protons i 113 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 8,539•104 s (24 hores). Decau a reni-187, amb emissió d’un positró.
– tungstè-188 (188W; 187,958489 uma). Nucli format per 74 protons i 114 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 6,029•106 s (70 dies). Decau a reni-188, amb emissió d’un electró.
– tungstè-189 (189W; 188,96191 uma). Nucli format per 74 protons i 115 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 696 s (12 minuts). Decau a reni-189, amb emissió d’un electró.
– tungstè-190 (190W; 189,96318 uma). Nucli format per 74 protons i 116 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1800 s (30 minuts). Decau a reni-190, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (190mW) a 2381 keV, que té una semivida de menys de 190 s.
– tungstè-191 (191W; 190,96660 uma). Nucli format per 74 protons i 117 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 20 s.
– tungstè-192 (192W; 191,96817 uma). Nucli format per 74 protons i 118 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 10 s.

L’àtom neutre de tungstè conté 74 electrons, amb una configuració basal d’escorça de 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d46s2. Això el fa l’element del període 6 del grup 6 (el grup del crom), dins del bloc d (metalls de transició). L’estat d’oxidació més habitual és +6, encara que també el trobem en +5, +4, +3, +2, +1, 0, -1 i -2. El radi atòmic és de 1,39•10-10 m.

Barres de tungstè metal•lic elemental (99,98%), una de les quals ha patit un procés d’oxidació manifestat en una rica coloració, al costat d’un cub de tungstè d’alta puresa (99,999%).

En condicions estàndards de pressió i de temperatura, el tungstè elemental es presenta com un sòlid metàl•lic llustrós, de color blanc grisenc i d’aspecte d’acer. En estat d’alta puresa, bo i retenint la duresa, és prou mal•leable. És, de fet, el metall amb major resistència a la tracció. També presenta el coeficient d’expansió termal més baix (4,5 μm•m-1•K-1) de tots els metalls elementals. Aquestes propietats s’expliquen pel fet que, entre els àtoms de tungstè es formen enllaços covalents a partir dels electrons del nivell 5d.

Els dos al•lòtrops principals del tungstè sòlid són:
– alfa-tungstè (α-W). És la forma més estable en condicions estàndards, amb una cristal•lització cúbica centrada en el cos. La densitat és de 19250 kg•m-3.
– beta-tungstè (β-W). És metastable en condicions estàndards, però pot estabilitzar-se amb l’addició d’impureses. Segueix una estructura cristal•lina cúbica A15, la descripció de la qual ha estat històricament matèria de controvèrsia (Kiss, 1998). Presenta una conductivitat elèctrica menor.

En condicions estàndards de pressió, el tungstè elemental fon a 3695 K, el punt de fusió més elevat de tots els metalls elementals. La densitat del tungstè líquid en el punt de fusió és de 17600 kg•m-3.

En condicions estàndards de pressió, el tungstè elemental bull a 6203 K.

El tungstè metàl•lic resisteix la corrosió ambiental, i els atacs amb un ample ventall d’àcids i àlcalis. Tot i amb tot, l’exposició a l’aire comporta una oxidació superficial, amb formació de WO3, de color groc, i d’altres òxids, adquirint una pàtina acolorida.

Fils d’òxid túngstic (WO3), obtinguts a partir de l’oxidació completa de fils de tungstè

Entre els compostos de tungstè podem esmentar:
– òxids: òxid túngstic o òxid de tungstè (VI) (WO3; sòlid de color groc). Els òxids de tungstè poden formar bronzes amb metalls alcalins, com el bronze de sodi i tungstè (NaxWO3)
– tungstats. En solució aquosa WO3 dóna lloc a ions tungstat (WO42-). En condicions d’acidesa, els ions tungstat donen lloc a anions polioxometalats, com el paratungstat A (W7O246-), el paratungstat B (H2W12O4210-) i el metatungstat (H2W12O406-). Un derivat del metatungstat és l’àcid fosfotúngstic (H3PW12O40).
– carburs: W2 i WC. Es formen per reacció de pols de tungstè metàl•lic amb carbó. Dels dos carburs, W2C és especialment resistent a l’atac químic.
– compostos organotúngstics.

L’abundància atòmica del tungstè és condicionada pels processos de nucleosíntesi en grans estels i en supernoves, i per la mateixa estabilitat dels seus isòtops. Com correspon habitualment als elements de Z parell, el tungstè disposa de tota una sèrie d’isòtops quasi-estables, la qual cosa n’afavoreix l’abundància. Així, el tungstè és més abundant que uns quants elements més lleugers (tecneci, prometi, europi, terbi, holmi, tuli, luteci i tàntal). Dels elements més pesants, el superen en abundància atòmica l’osmi, l’iridi, el platí, l’or, el mercuri, el tal•li i el plom.

En el planeta Terra, l’abundància global de tungstè és de 0,17 ppm en termes de massa (0,024 ppm en termes atòmics). Es tracta d’un element litòfil, més concentrat en l’escorça terrestre, on arriba a 1,1 ppm. Entre els minerals que contenen una major proporció de tungstè es troba la wolframita (tungstat de ferro i manganès, (Fe,Mn)WO4), la scheelita (tungstat de calci, CaWO4), la ferberita (tungstat de ferro, FeWO4) o la hübnerita (tungstat de manganès, MnWO4). En sòls, el tungstè el trobem fonamentalment en forma de monotungstats (sòls alcalins) o politungstats (sòls àcids).

L’abundància del tungstè en la hidrosfera varia segons el context geològic. En l’oceà la concentració típica és de 100 μg•m-3.

En l’atmosfera, el tungstè és present de forma transitòria en concentracions traça.

El tungstè és bioelement per alguns microorganismes. De fet, pel que se sap, és l’element més pesant que té una funció biològica. S’han descrit tota una sèrie d’enzims bacterians que poden utilitzar o que requereixen tungstè. Molts d’aquests enzims empren com a cofactor un complex de tungstè-pterina. És el cas de tota una sèrie d’oxido-reductases que, com la format-deshidrogenasa H, catalitzen la reducció d’àcids carboxílics a aldehids. Evolutivament, sembla que aquest grup d’enzims deriva de molibdenoenzims. Alguns tungstenoenzims també requereixen seleni com a cofactor, i la interacció Se-W semblaria haver evolucionat a partir de la més generalitzada entre Mo-S (Stiefel, 1998; Schräder et al., 1999). S’ha descrit també una acetilè-deshidratasa que empraria un àtom de W per atacar l’enllaç C≡C.

Fet i fet, el metabolisme dels tungstats és paral•lel al de molibdats. Alguns microorganismes que capten activament molibdats, poden assimilar tungstats, i incorporar tungstè per comptes de molibè en els seus molibdoenzims. Andreesen & Makdessi (2008), en una revisió de la interacció metabòlica entre molibdè i tungstè, posen de manifest que hi ha casos on el tungstè té una acció inhibidora per als molibdoenzims, però en d’altres casos no hi ha efecte o fins i tot apareix un efecte potenciador.

Inouye et al. (2006) estudiaren la toxicitat del tungstat sòdic en el cuc de terra Eisenia fètida. Hom ha estudiat específicament l’acció antagonista de compostos de tungstè, com el tiotungstè, en el metabolisme del coure (McQuaid et al., 1994). La toxicitat del tungstè i de compostos túngstics ha estat revisada més àmpliament per Lagarde & Leroy (2002).

No es coneix cap funció biològica del tungstè per als organismes eucariòtics. En un individu humà adult de 70 kg, el contingut de tungstè típic seria de l’ordre de 20 μg.

Aplicacions del tungstè.

El tungstè és comptat entre els principals metalls industrials. La distribució dels tungstats minerals, que en són la font, contribueix al fet que se’ls pugui categoritzar de “minerals de conflicte”. Fou el cas de la Gran Guerra Congolesa (1998-2003) i dels conflictes posteriors, on els minerals de tungstè, per bé que eclipsats per l’or, els diamants o el coltan, jugaren un paper per al finançament bèl•lic.

La producció mundial de tungstè és de 73.000 tones anuals, dues terceres parts de les quals procedeixen de Xina. També és a la Xina, on trobem la major part de les reserves, que s’estimen en gairebé 3 milions de tones. Les oscil•lacions i, particularment de preu, tenen un impacte en la mineria de tungstè, i en fer viables o no algunes explotacions.

El dipòsit de mineral de tungstè-estany d’Hemerdon (Devon, Anglaterra) fou descobert en el 1867. No fou explotat comercialment fins el 1916, quan la guerra estimulà la demanda de tungstè. En el 1919 s’abandonà la producció, que no fou represa fins el 1939, quan de nou una altra guerra l’exigí. El juny del 1944, en reprendre’s les importacions de tungstè a Anglaterra, el dipòsit fou abandonat una altra vegada. La demanda associada a noves aplicacions industrials, en els anys 1970, estimulà durant una època intents per reprendre-hi la producció. No obstant, ha estat l’evolució recent de preu la que va empènyer a reobrir la producció en el 2014

Els minerals de tungstè són processats per obtindre WO3. L’òxid és escalfat amb hidrogen o carbó per generar tungstè metàl•lic, en forma de pols. La pols de tungstè és sinteritzada amb l’addició de níquel o d’altres metalls, obtenint-se peces de tungstè de diferent puresa. Un altre producte habitual dels minerals de tungstè, és el fluorur, WF6, del qual també s’obté tungstè metàl•lic.

Broques de carbur de tungstè

Gairebé la meitat de la producció es destina a la producció de materials durs i refractaris, principalment carbur de tungstè (WC). El WC combina una bona conductivitat elèctrica, amb una elevada duresa i un alt punt de fusió (3040 K). Els carburs de tungstè (WC i W2C) són el principal component de la “ceràmica de carbur” (a la qual s’hi afegeix cobalt metàl•lic com a matriu), utilitzada per un ampli ventall d’eines de tall: ganivets, broques, serres, molins, torns, etc. Aquest instrumental el trobem en la metal•lúrgica, però també en la indústria la fusta, en indústries extractives (mineria, indústria petrolífera) i en la construcció. També se’l fa servir com a abrasiu, en virtut de l’elevada resistència al desgast del WC.

Anell de carbur de tungstè cimentat en níquel metàl•lic. Material de gran duresa (10 vegades superior a la de l’or de 18 carats), resisteix l’abrasió, si bé és més fràgil que no pas els anells purament metàl•lic. A banda d’aquests anells, també ha crescut en els darrers anys la popularitat dels anells de tungstè metàl•lic

Vora un 40% de la producció de tungstè es destina a la metal•lúrgia, principalment per a la confecció d’acers i d’altres aliatges:
– acers d’alta velocitat, que poden contindre fins a un 18% de tungstè. El tungstè confereix a l’acer una major tenacitat.
– aliatges pesants amb níquel, ferro o cobalt. Tenen aplicacions armamentístiques, per augmentar el poder de penetració de projectils.
– aliatges de tàntal-tungstè, amb quantitats de tungstè que van del 2,5% al 10%, i que trobem en canonades d’indústria química.
– superaliatges de níquel com el Hastelloy B-3 (3% de tungstè), destinats a components que han de resistir condicions d’alta temperatura, alta pressió o entorns molt corrosius.
– un aliatge com el tungstè-tecneci, presenta temperatures de transició a la superconducció de 7,9 K. Aquest i altres aliatges són utilitzats en circuits superconductors.
– hom empra blocs de tungstè, per la seva elevada densitat, com a contrapès, llast, etc., en navegació, aeronàutica, etc.
– el tungstè degut a la seva força i alta temperatura de fusió té nombroses aplicacions elèctriques i electròniques. Si bé, les bombetes de filament de tungstè perden el protagonisme que tingueren en dècades anteriors, el tungstè apareix en nombrosos dispositius elèctrics. La conductivitat i escassa reactivitat química, fa que se l’utilitzi en elèctrodes. En circuits integrats, el trobem com a material connectiu entre el diòxid de silici i els transistors.

Soldadura de gas inert de tungstè aplicada en bronze

Un 10% de la producció es destina a la síntesi de compostos de tungstè, sobretot a partir de WO3 i WF6. Podem esmentar entre d’altres aplicacions:
– sals de tungstè, utilitzades en assaonaries.
– els òxids de tungstè són emprats com a additius en ceràmica vidrada.
– el tungstat de calci o de magnesi és utilitzat en làmpades fluorescents. També trobem tungstats cristal•lins com a escintil•ladors en diferents aplicacions nuclears (bàsiques i mèdiques).
– l’ús de sulfur de tungstè (IV) (WS2) com a lubricant d’alta temperatura o com a component de catalitzadors d’hidrodesulfuració. En aquestes aplicacions apareix com a alternativa al MoS2, més comunament utilitzat.
– el WO3 és ingredient de catalitzadors de reducció catalítica selectiva, com els que s’utilitzen en centrals tèrmiques de carbó. El WO3 ajuda a millorar la força i la perdurabilitat dels principis actius del catalitzador.
– el tungstat sòdic és un dels components del reactiu de Folin-Ciocalteau, emprat en l’assaig de Lowry de quantificació de proteïnes.
– l’àcid fosfotúngstic (H3PW12O40) és emprat en laboratori com a agent precipitador de proteïnes, i entra en diversos protocols histològics

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: