Forståelse af Tungsten Bonding:Metallisk struktur og kemiske forbindelser

Af John Brennan
Opdateret 24. marts 2022

Wolfram (atomnummer 74) er et tæt, gråt metal kendt for sit usædvanligt høje smeltepunkt og fremragende mekaniske egenskaber. Mens dens mest velkendte rolle er i glødepæreglødetråde, stammer dens industrielle betydning i høj grad fra produktionen af ​​wolframcarbid og dets anvendelse i højtemperaturlegeringer. Kernen i disse applikationer ligger arten af de bindinger, der holder wolframatomer sammen.

Elektronkonfiguration

I sin isolerede grundtilstand har et wolframatom den elektroniske konfiguration [Xe]4f ¹⁴  5d ⁴  6s ² . Men når atomer pakker sig ind i et krystalgitter, skifter energiniveauerne:5d sub-skallen bliver fuldt optaget (fem elektroner), mens 6s sub-skallen rummer en enkelt elektron. 5d-elektronerne er i stand til at danne retningsbestemte, kovalente interaktioner, der er relativt lokaliserede mellem naboatomer, hvorimod 6s-elektronerne delokaliseres hen over gitteret.

Metallisk binding

I fast tilstand opfører de delokaliserede 6s elektroner sig som et "hav" af mobil ladning, der gennemsyrer metallet. Denne elektrongas binder de positivt ladede wolframkerner sammen, hvilket giver materialet dets karakteristiske metalliske binding. Overlapningen af mange atomare orbitaler skaber et tæt bånd af energiniveauer, som elektroner kan optage, hvilket forklarer wolframs høje elektriske ledningsevne og dets modstand mod deformation.

Krystalstruktur og fysiske egenskaber

Wolfram krystalliserer i flere allotroper:den mest almindelige er den kropscentrerede kubiske alfafase, som er den mest termodynamisk stabile. Der eksisterer også en betafase med høj temperatur; ved afkøling omdannes betastrukturen til alfa. Den metalliske binding, kombineret med en tæt pakning af atomer, resulterer i et metal, der er både formbart og duktilt - typiske træk ved metaller, hvor atomer ikke er låst fast i et stift gitter som diamant.

Wolframforbindelser

Når wolfram reagerer med ikke-metalliske grundstoffer eller ligander, danner det koordinationskomplekser og kovalente forbindelser. Disse bindingers del-elektronkarakter står i kontrast til den metalliske binding i det elementære metal. Wolframs oxidationstilstande i sådanne forbindelser varierer fra -2 til +6, hvilket afspejler mangfoldigheden af ​​dets kemi. Ved forhøjede temperaturer oxiderer wolfram let; det er derfor, glødepærer er fyldt med inaktive gasser - for at forhindre nedbrydning af glødetråden.