Wolfram

Wolfram, ₇₄W ⓘ
Wolfram
Aussprache	/ˈtʌŋstən/ (TUNG-stən)
Alternativer Name	wolfram, ausgesprochen: /ˈwʊlfrəm/ (WUUL-frəm)
Erscheinungsbild	grau-weiß, glänzend
Standard-Atomgewicht Ar°(W)	183.84±0.01; 183,84±0,01 (verkürzt);
Wolfram im Periodensystem
	Tantal ← Wolfram → Rhenium
Ordnungszahl (Z)	74
Gruppe	Gruppe 6
Periode	Periode 6
Block	d-Block
Elektronen-Konfiguration	[[[Xenon\|Xe]]] 4f14 5d4 6s2
Elektronen pro Schale	2, 8, 18, 32, 12, 2
Physikalische Eigenschaften
Phase bei STP	fest
Schmelzpunkt	3695 K (3422 °C, 6192 °F)
Siedepunkt	6203 K (5930 °C, 10706 °F)
Dichte (nahe r.t.)	19,25 g/cm3
in flüssigem Zustand (bei mittlerem Druck)	17,6 g/cm3
Schmelzwärme	52,31 kJ/mol
Verdampfungswärme	774 kJ/mol
Molare Wärmekapazität	24,27 J/(mol-K)
Atomare Eigenschaften
Oxidationsstufen	-4, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6 (ein leicht saures Oxid)
Elektronegativität	Pauling-Skala: 2,36
Ionisierungsenergien	1: 770 kJ/mol ; 2.: 1700 kJ/mol ; ;
Atomradius	empirisch: 139 pm
Kovalenter Radius	162±7 pm
	Spektrallinien von Wolfram
Sonstige Eigenschaften
Natürliches Vorkommen	primordial
Kristallstruktur	kubisch-raumzentriert (bcc)
Schallgeschwindigkeit dünner Stab	4620 m/s (bei r.t.) (geglüht)
Thermische Ausdehnung	4,5 µm/(m⋅K) (bei 25 °C)
Wärmeleitfähigkeit	173 W/(m⋅K)
Elektrischer Widerstand	52,8 nΩ⋅m (bei 20 °C)
Magnetische Ordnung	paramagnetisch
Molare magnetische Suszeptibilität	+59,0×10-6 cm3/mol (298 K)
Elastizitätsmodul	411 GPa
Schermodul	161 GPa
Elastizitätsmodul	310 GPa
Poissonzahl	0.28
Mohs-Härte	7.5
Vickers-Härte	3430-4600 MPa
Brinell-Härte	2000-4000 MPa
CAS-Nummer	7440-33-7
Geschichte
Entdeckung und erste Isolierung	Juan José Elhuyar und Fausto Elhuyar (1783)
Benannt durch	Torbern Bergman (1781)
Symbol	"W": von Wolfram, ursprünglich von mittelhochdeutsch wolf-rahm 'Wolfsschaum', das das Mineral Wolframit beschreibt
Hauptisotope von Wolfram
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Wolfram ist ein chemisches Element mit dem Symbol W und der Ordnungszahl 74. Wolfram ist ein seltenes Metall, das auf der Erde fast ausschließlich in Verbindungen mit anderen Elementen vorkommt. Es wurde 1781 als neues Element identifiziert und 1783 erstmals als Metall isoliert. Zu seinen wichtigsten Erzen gehören Scheelit und Wolframit, wobei letzteres dem Element seinen alternativen Namen verleiht. ⓘ

Das freie Element zeichnet sich durch seine Robustheit aus, insbesondere durch den höchsten Schmelzpunkt aller bekannten Elemente mit Ausnahme von Kohlenstoff (der bei Normaldruck sublimiert), der bei 3.410 °C (3.683 K) schmilzt. Es hat auch den höchsten Siedepunkt mit 5.930 °C (10.706 °F; 6.203 K). Seine Dichte beträgt 19,30 Gramm pro Kubikzentimeter (0,697 lb/cu in), vergleichbar mit der von Uran und Gold, und viel höher (etwa 1,7-mal) als die von Blei. Polykristallines Wolfram ist von Natur aus ein sprödes und hartes Material (unter Standardbedingungen, wenn es nicht verbunden ist), was seine Bearbeitung erschwert. Reines, einkristallines Wolfram ist jedoch dehnbarer und kann mit einer Hartstahlsäge geschnitten werden. ⓘ

Wolfram kommt in vielen Legierungen vor, die zahlreiche Anwendungen haben, darunter Glühbirnenfäden, Röntgenröhren, Elektroden beim Wolfram-Lichtbogenschweißen, Superlegierungen und Strahlenschutz. Aufgrund seiner Härte und hohen Dichte eignet sich Wolfram für militärische Anwendungen in durchschlagenden Geschossen. Wolframverbindungen werden häufig als industrielle Katalysatoren verwendet. ⓘ

Wolfram ist das einzige Metall der dritten Übergangsreihe, von dem bekannt ist, dass es in Biomolekülen vorkommt, da es in einigen Bakterien- und Archaeenarten zu finden ist. Wolfram stört jedoch den Molybdän- und Kupferstoffwechsel und ist für die meisten tierischen Lebewesen leicht giftig. ⓘ

Wolfram [ˈvɔlfram] ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol W und der Ordnungszahl 74. Es zählt zu den Übergangsmetallen, im Periodensystem steht es in der 6. Nebengruppe (Gruppe 6) oder Chromgruppe. Wolfram ist ein weißglänzendes Schwermetall hoher Dichte, das bereits bei sehr geringen Verunreinigungen spröde wird. Es ist das chemische Element mit dem höchsten Schmelz- und Siedepunkt. Seine bekannteste Verwendung ist daher die Glühwendel in Glühlampen. Wolfram gilt als sogenannter Konfliktrohstoff, weil sein Abbau in Entwicklungsländern mit Menschenrechtsverletzungen, Korruption und Geldwäsche in Verbindung gebracht wird. Seit 2021 müssen EU-Importeure deshalb besondere Auflagen entlang der Lieferkette erfüllen. ⓘ

Geschichte

Im Jahr 1781 entdeckte Carl Wilhelm Scheele, dass aus Scheelit (damals Wolfram genannt) eine neue Säure, die Wolframsäure, hergestellt werden kann. Scheele und Torbern Bergman schlugen vor, dass es möglich sein könnte, durch Reduktion dieser Säure ein neues Metall zu gewinnen. Im Jahr 1783 entdeckten José und Fausto Elhuyar eine aus Wolframit hergestellte Säure, die mit der Wolframsäure identisch war. Noch im selben Jahr gelang es den Brüdern in der Königlichen Baskischen Gesellschaft in Bergara (Spanien), Wolfram durch Reduktion dieser Säure mit Holzkohle zu isolieren, und ihnen wird die Entdeckung des Elements zugeschrieben (sie nannten es Wolfram" oder Wolfram"). ⓘ

Anfang des 20. Jahrhunderts wurde der strategische Wert von Wolfram erkannt. Jahrhunderts erkannt. 1912 befreiten die britischen Behörden die Carrock-Mine von der in deutschem Besitz befindlichen Cumbrian Mining Company und schränkten während des Ersten Weltkriegs den deutschen Zugang zu anderen Minen ein. Im Zweiten Weltkrieg spielte Wolfram eine wichtigere Rolle bei politischen Hintergrundgeschäften. Portugal, die wichtigste europäische Quelle für dieses Element, wurde wegen seiner Wolframitvorkommen in Panasqueira von beiden Seiten unter Druck gesetzt. Die wünschenswerten Eigenschaften von Wolfram, wie z. B. die Beständigkeit gegen hohe Temperaturen, seine Härte und Dichte sowie die Verstärkung von Legierungen, machten es zu einem wichtigen Rohstoff für die Rüstungsindustrie, sowohl als Bestandteil von Waffen und Ausrüstungen als auch in der Produktion selbst, z. B. in Hartmetall-Schneidwerkzeugen für die Stahlbearbeitung. Heute wird Wolfram in vielen weiteren Anwendungen eingesetzt, z. B. in Ballastgewichten für Flugzeuge und im Motorsport, in Dartpfeilen, in vibrationsdämpfenden Werkzeugen und in Sportgeräten. ⓘ

Wolfram ist einzigartig unter den Elementen, da es Gegenstand von Patentverfahren war. Im Jahr 1928 wies ein US-Gericht den Versuch von General Electric zurück, es zu patentieren, und hob damit das 1913 William D. Coolidge erteilte US-Patent 1.082.933 auf. ⓘ

Der Name Wolfram" (was auf Schwedisch schwerer Stein" bedeutet) wird im Englischen, Französischen und in vielen anderen Sprachen als Name des Elements verwendet, nicht jedoch in den nordischen Ländern. "Wolfram" war der alte schwedische Name für das Mineral Scheelit. "Wolfram" (oder "volfram") wird in den meisten europäischen (insbesondere germanischen, spanischen und slawischen) Sprachen verwendet und leitet sich vom Mineral Wolframit ab, von dem das chemische Symbol W stammt. Der Name "Wolframit" leitet sich von "Wolfsruß" ab, dem Namen, den Johan Gottschalk Wallerius 1747 dem Wolfram gab. Dieser wiederum leitet sich vom lateinischen "lupi spuma" ab, dem Namen, den Georg Agricola 1546 für das Element verwendete, was ins Englische mit "Wolfsschaum" übersetzt werden kann und eine Anspielung auf die großen Mengen Zinn ist, die das Mineral bei seiner Gewinnung verbraucht, als würde es wie ein Wolf verschlungen. Diese Namensgebung folgt einer Tradition von "bunten" Namen, die Bergleute aus dem Erzgebirge verschiedenen Mineralien gaben, weil sie abergläubisch waren und glaubten, dass bestimmte Mineralien, die so aussahen, als enthielten sie damals bekannte wertvolle Metalle, dies aber nicht taten, irgendwie "verhext" waren. Kobalt (z.B. Kobold), Pechblende (z.B. blenden") und Nickel (z.B. Alter Nick") haben ihre Namen von derselben Bergmannsweisheit. ⓘ

Vorkommen

Wolframit aus Portugal ⓘ

Der Wolframgehalt der kontinentalen Erdkruste liegt etwa bei 1 ppm oder 0,0001 Massen-%. Das Metall konnte in der Natur bisher nicht gediegen (in reiner Form) nachgewiesen werden. Die Doklady Akademii Nauk in Russland veröffentlichten 1995 einen Bericht zu gediegenem Wolfram, ohne dass dieser von der zur IMA gehörenden Commission on new Minerals, Nomenclature and Classification (CNMNC) geprüft wurde. Es sind einige Minerale, vor allem Oxide und Wolframate, bekannt. Die wichtigsten Wolframerzminerale 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 China, Peru, den USA, Korea, 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

Der Wolframbergbau in Ruanda ist ein wichtiger Bestandteil der ruandischen Wirtschaft. ⓘ

Die weltweiten Wolframreserven belaufen sich auf 3.200.000 Tonnen; sie befinden sich hauptsächlich in China (1.800.000 t), Kanada (290.000 t), Russland (160.000 t), Vietnam (95.000 t) und Bolivien. Im Jahr 2017 sind China, Vietnam und Russland mit 79.000, 7.200 bzw. 3.100 t die führenden Lieferanten. Kanada hatte die Produktion Ende 2015 aufgrund der Schließung seiner einzigen Wolframmine eingestellt. Unterdessen hat Vietnam seine Produktion in den 2010er Jahren aufgrund der umfassenden Optimierung seiner inländischen Raffineriebetriebe erheblich gesteigert und Russland und Bolivien überholt. ⓘ

China bleibt nicht nur bei der Produktion, sondern auch beim Export und Verbrauch von Wolframprodukten weltweit führend. Die Wolframproduktion außerhalb Chinas nimmt aufgrund der steigenden Nachfrage allmählich zu. Die Versorgung Chinas mit Wolfram wird von der chinesischen Regierung streng geregelt, die den illegalen Abbau und die übermäßige Verschmutzung durch den Abbau und die Raffination bekämpft. ⓘ

Wolfram gilt aufgrund der unethischen Bergbaupraktiken in der Demokratischen Republik Kongo als Konfliktmineral. ⓘ

Am Rande von Dartmoor im Vereinigten Königreich gibt es ein großes Wolframerzvorkommen, das während des Ersten und Zweiten Weltkriegs als Hemerdon-Mine abgebaut wurde. Nach einem Anstieg der Wolframpreise wurde diese Mine 2014 reaktiviert, stellte aber 2018 ihre Tätigkeit ein. ⓘ

Die Gewinnung von Wolfram aus seinen Erzen erfolgt in mehreren Schritten. Das Erz wird schließlich in Wolfram(VI)-Oxid (WO₃) umgewandelt, das mit Wasserstoff oder Kohlenstoff erhitzt wird, um Wolfram in Pulverform herzustellen. Wegen des hohen Schmelzpunkts von Wolfram ist es kommerziell nicht möglich, Wolframbarren zu gießen. Stattdessen wird pulverisiertes Wolfram mit kleinen Mengen von pulverisiertem Nickel oder anderen Metallen gemischt und gesintert. Während des Sinterns diffundiert das Nickel in das Wolfram, wodurch eine Legierung entsteht. ⓘ

Wolfram kann auch durch Wasserstoffreduktion von WF₆ gewonnen werden:

WF₆ + 3 H₂ → W + 6 HF ⓘ

oder durch pyrolytische Zersetzung:

WF₆ → W + 3 F₂ (ΔHr = +) ⓘ

Wolfram wird nicht als Terminkontrakt gehandelt und kann nicht an Börsen wie der London Metal Exchange gehandelt werden. Die Wolframindustrie verwendet häufig unabhängige Preisreferenzen wie Argus Media oder Metal Bulletin als Grundlage für Verträge. Die Preise werden in der Regel für Wolframkonzentrat oder WO₃ angegeben. ⓘ

Förderung in Österreich

In Österreich wurde Scheelit erstmals 1815/16 auf der Goldlagerstätte Schellgaden in der Gemeinde Muhr (Bundesland Salzburg) entdeckt. In der Folge fand man in vielen Klüften der Hohen Tauern schöne, mitunter mehrere Zentimeter große Scheelitkristalle. Diese Funde waren allesamt von keinem praktischen Nutzen. Die große Lagerstätte im Felbertal blieb vorerst unentdeckt. ⓘ

1950 wurde bekannt, dass in der bereits seit 1927 im Abbau befindlichen Magnesitlagerstätte auf der Wanglalm bei Lanersbach/Tux (Tirol) im hinteren Zillertal Scheelit in größeren Mengen auftrat. Es handelte sich dabei um derben, mit Magnesit und Quarz verwachsenen Scheelit. In den folgenden Jahren wurden jeweils etwa 10.000 Tonnen Erz mit einem Wolframoxidgehalt von durchschnittlich 1,8 % gewonnen. Wegen des niedrigen Marktpreises wurde die Wolframgewinnung Ende der 1960er Jahre eingestellt, aber 1971 wiederaufgenommen und bis zur Beendigung des Magnesitbergbaus 1976 weitergeführt. ⓘ

1967 wurde schließlich die bislang größte Scheelitlagerstätte Europas im Felbertal, 6 km südlich von Mittersill, entdeckt. Den in Bächen vorhandenen Erzstücken wurde dabei mit Hilfe von UV-Licht nachgespürt (Scheelit fluoresziert). Die schwierigen Explorationsarbeiten im hochalpinen Gelände (höchste Abbaustelle am Brentling in 2100 m Seehöhe) begannen 1971, der von der Firma Wolfram-Bergbau und Hütten AG (WBH) zunächst übertägige Bergbau wurde im Felbertal 1976 aufgenommen. Ab 1979 wurde Erz auch im Tiefbau gewonnen und der Tagebaubetrieb 1986 aus Umweltschutzgründen eingestellt. Das Wolframerz aus dem Felbertal wird seitdem über eine untertägige Förderanlage nach Mittersill transportiert und dort von WBH aufbereitet. Von hier gelangt das Scheelitkonzentrat nach Sankt Martin im Sulmtal (Steiermark). Die Jahresproduktion beträgt etwa 1200 t WO₃. Auf dem Gelände der 1976 geschlossenen Untertage-Braunkohlengrube von Pölfing-Bergla entstand die Wolframhütte, in der seit 1977 aus Konzentraten aus Mittersill und anderen Ländern Wolframoxid-, Wolframmetall- und Wolframcarbidpulver hergestellt werden. Von Anfang 1993 bis Mitte 1995 war der Bergbau wegen des niedrigen Marktpreises für Wolfram vorübergehend eingestellt. Bedeutendste Verarbeiter sind in Deutschland die Firma H.C. Starck sowie in Österreich die WBH und die Plansee Group. ⓘ

Gewinnung und Darstellung

aufgedampfte Wolframkristalle ⓘ

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

Wolframhaltige Erze werden zunächst durch Verfahren wie Schweretrennung oder Flotation auf WO₃-Konzentrationen von 10 bis 75 % angereichert. Das Konzentrat wird anschließend in einer oxidierenden Atmosphäre bei 500–600 °C calciniert, um Verunreinigungen wie Additive aus dem Flotationprozess zu entfernen. Wolframit-Erze werden danach mit Natronlauge, Scheelit-Erze mit einer Natriumcarbonat-Lösung umgesetzt, wobei sich Natriumwolframat Na₂WO₄ bildet, welches danach durch eine Reihe von Umfällungen gereinigt wird. Aus der erhaltenen gereinigten Lösung wird durch Flüssig-Flüssig-Extraktion mit ammoniakalischen Lösungen oder Ionenaustausch mit Ammoniumionen Wolfram(VI)-oxid als Ammoniumparawolframat gefällt. Wolframhaltiger Schrott wie Hartmetall-Schrott kann nach einer Oxidation ebenfalls in Natriumwolframat und danach in Ammoniumwolframat überführt werden. Dieser Komplex wird abfiltriert und anschließend bei 600 °C in relativ reines Wolfram(VI)-oxid überführt. Durch Glühen erhält man wasserfreies Wolfram(VI)-oxid (WO₃), welches bei 800 °C in einer Wasserstoffatmosphäre reduziert wird:

\mathrm {WO_{3}+3\ H_{2}\longrightarrow W+3\ H_{2}O}

ⓘ

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

Recycling

Auf Grund des hohen Materialwerts hat das Recycling von Wolfram eine beachtliche wirtschaftliche Bedeutung. Technologisch erfolgt eine Unterscheidung in Weichschrotte und Hartschrotte. Wolfram-Weichschrotte sind Schleifschlämme, Pulver und Späne aus der Bearbeitung wolframhaltiger Werkstücke. Wolfram-Hartschrotte sind dagegen Stücke aus Hartmetall, Wolframmetall und Wolframlegierungen. ⓘ

Wolfram-Weichschrotte werden in Etagen- oder Drehrohröfen geröstet. Das entstehende Wolframoxid wird unter Druck mit Natronlauge zu Natriumwolframat umgesetzt. Wolfram-Hartschrotte erfordern einen oxidierenden Schmelzaufschluss mit Natriumnitrat. Aus dem daraus entstehenden Schmelzkuchen wird eine Natriumwolframat-Rohlösung gewonnen. Für sortenreine, saubere Hartmetallschrotte gibt es ein Verfahren, mit dem Hartmetallpulver zurückgewonnen werden kann, ohne den Umweg über die Oxidation zu gehen. In einer Zinkschmelze werden die Hartmetallstücke unter Schutzgas auf 900 bis 1.000 °C erhitzt. Zink dringt in das Bindemetall ein und sprengt den Verbund mit dem Wolframcarbidpulver. Anschließend wird das Zink verdampft und das Pulver aus Wolframcarbid und Bindemetall zu neuen Hartmetallprodukten verarbeitet. ⓘ

In allen Verfahren ist neben dem Hauptprodukt Wolfram die Rückgewinnung von Cobalt, Nickel, Kupfer, Silber und Tantal technisch möglich und wird praktiziert. Aus End-of-Life-Schrotten werden weltweit ca. 30 % des enthaltenen Wolframs zurückgewonnen. Die Rückführung von Hartmetallwerkzeugen funktioniert besser als die Rückführung wolframhaltiger Legierungen, Chemikalien und Katalysatoren. In Konsumgütern wie Lampen, Kugelschreibern und Smartphones ist zwar Wolfram enthalten, jedoch ist dessen Gehalt für das Recycling zu gering. ⓘ

Zusammen mit Neuschrotten, die bei der Produktion und Weiterverarbeitung anfallen, ergibt sich eine Schrotteinsatzquote von ca. 35 % in der Wolframproduktion. ⓘ

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Wolfram ist ein weißglänzendes, in reinem Zustand dehnbares Metall mittlerer Härte sowie hoher Dichte und Festigkeit. Die Dichte ist fast gleich hoch wie die von Gold, die Brinellhärte beträgt 250 HB, die Zugfestigkeit 550–620 N/mm² bis 1920 N/mm². Das Metall existiert in einer stabilen kubisch-raumzentrierten α-Modifikation mit einem Netzebenenabstand (=Gitterkonstante) von 316 pm bei Raumtemperatur. Dieser Kristallstrukturtyp wird häufig Wolfram-Typ genannt. Bei einer als metastabile β-Modifikation des Wolframs (verzerrt kubisch-raumzentriert) bezeichneten Substanz handelt es sich hingegen um das wolframreiche Oxid W₃O. ⓘ

Wolfram besitzt mit 3422 °C den höchsten Schmelzpunkt aller chemischen Elemente (Kohlenstoff schmilzt nicht, sondern geht bei 3642 °C direkt in den gasförmigen Zustand über) und mit 5930 °C auch den höchsten Siedepunkt. ⓘ

Das Metall ist ein Supraleiter mit einer Sprungtemperatur von 15 mK. ⓘ

Chemische Eigenschaften

Wolfram ist ein größtenteils nicht reaktives Element: Es reagiert nicht mit Wasser, wird von den meisten Säuren und Basen nicht angegriffen und reagiert bei Raumtemperatur nicht mit Sauerstoff oder Luft. Bei höheren Temperaturen (d. h. wenn es rotglühend ist) reagiert es mit Sauerstoff und bildet die Trioxidverbindung Wolfram(VI), WO₃. Bei Raumtemperatur reagiert es jedoch direkt mit Fluor (F₂) und bildet Wolfram(VI)-fluorid (WF₆), ein farbloses Gas. Bei etwa 250 °C reagiert es mit Chlor oder Brom und unter bestimmten heißen Bedingungen auch mit Jod. Fein verteiltes Wolfram ist pyrophor. ⓘ

Die häufigste formale Oxidationsstufe von Wolfram ist +6, aber es weist alle Oxidationsstufen von -2 bis +6 auf. Wolfram verbindet sich in der Regel mit Sauerstoff und bildet das gelbe Wolframoxid WO₃, das sich in wässrigen alkalischen Lösungen unter Bildung von Wolframat-Ionen WO2-
₄. ⓘ

Wolframkarbide (W₂C und WC) werden durch Erhitzen von pulverförmigem Wolfram mit Kohlenstoff hergestellt. W₂C ist resistent gegen chemische Angriffe, reagiert jedoch stark mit Chlor unter Bildung von Wolframhexachlorid (WCl₆). ⓘ

In wässriger Lösung bildet Wolframat unter neutralen und sauren Bedingungen Heteropolysäuren und Polyoxometallat-Anionen. Wenn Wolframat schrittweise mit Säure behandelt wird, bildet es zunächst das lösliche, metastabile "Parawolframat A"-Anion, W
₇O6-
₂₄, das sich im Laufe der Zeit in das weniger lösliche Anion "Parawolframat B", H
₂W
₁₂O10-
₄₂. Bei weiterer Ansäuerung entsteht das sehr lösliche Metawolframat-Anion, H
₂W
₁₂O6-
₄₀, wonach das Gleichgewicht erreicht ist. Das Metawolframat-Ion liegt in Form eines symmetrischen Clusters aus zwölf Wolfram-Sauerstoff-Oktaedern vor, das als Keggin-Anion bekannt ist. Viele andere Polyoxometallat-Anionen existieren als metastabile Spezies. Durch den Einbau eines anderen Atoms, z. B. Phosphor, anstelle der beiden zentralen Wasserstoffatome in Metawolframat entsteht eine Vielzahl von Heteropolysäuren, wie z. B. Phosphorwolframsäure H₃PW₁₂O₄₀. ⓘ

Wolframtrioxid kann Einlagerungsverbindungen mit Alkalimetallen bilden. Diese sind als Bronzen bekannt; ein Beispiel ist Natrium-Wolfram-Bronze. ⓘ

In gasförmigem Zustand bildet Wolfram die zweiatomige Spezies W₂. Diese Moleküle weisen eine Sextupelbindung zwischen Wolframatomen auf - die höchste bekannte Bindungsordnung unter den stabilen Atomen. ⓘ

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 -carbonaten auf. ⓘ

Isotope

Natürlich vorkommendes Wolfram besteht aus vier stabilen Isotopen (¹⁸²W, ¹⁸³W, ¹⁸⁴W und ¹⁸⁶W) und einem sehr langlebigen Radioisotop, ¹⁸⁰W. Theoretisch können alle fünf durch Alphastrahlung in Isotope des Elements 72 (Hafnium) zerfallen, aber nur bei ¹⁸⁰W wurde dies mit einer Halbwertszeit von (1,8±0,2)×10¹⁸ Jahren beobachtet; dies ergibt im Durchschnitt etwa zwei Alphazerfälle von ¹⁸⁰W pro Gramm natürlichen Wolframs pro Jahr. Eine Rate, die einer spezifischen Aktivität von etwa 63 Mikrobecquerel pro Kilogramm entspricht. Diese Zerfallsrate ist um Größenordnungen geringer als die von Kohlenstoff oder Kalium auf der Erde, die ebenfalls geringe Mengen langlebiger radioaktiver Isotope enthalten. Bismut galt lange Zeit als nicht radioaktiv, aber ²⁰⁹
Bi (sein langlebigstes Isotop) zerfällt tatsächlich mit einer Halbwertszeit von 2,01×10¹⁹ Jahren oder etwa um den Faktor 10 langsamer als ¹⁸⁰
W. Da natürlich vorkommendes Bismut jedoch zu 100 % aus ²⁰⁹
Bi besteht, ist seine spezifische Aktivität mit 3 Milli-Becquerel pro Kilogramm sogar höher als die von natürlichem Wolfram. Bei den anderen natürlich vorkommenden Wolframisotopen wurde kein Zerfall beobachtet, so dass ihre Halbwertszeit mindestens 4 × 10²¹ Jahre beträgt - falls sie überhaupt zerfallen. ⓘ

Weitere 30 künstliche Radioisotope von Wolfram wurden charakterisiert, von denen ¹⁸¹W mit einer Halbwertszeit von 121,2 Tagen, ¹⁸⁵W mit einer Halbwertszeit von 75,1 Tagen, ¹⁸⁸W mit einer Halbwertszeit von 69,4 Tagen, ¹⁷⁸W mit einer Halbwertszeit von 21,6 Tagen und ¹⁸⁷W mit einer Halbwertszeit von 23,72 Stunden die stabilsten sind. Alle übrigen radioaktiven Isotope haben Halbwertszeiten von weniger als 3 Stunden, und die meisten von ihnen haben Halbwertszeiten von weniger als 8 Minuten. Wolfram hat außerdem 11 Metazustände, wobei ^179mW (t_1/2 6,4 Minuten) der stabilste ist. ⓘ

Verwendung

Wolfram, das in der Regel mit Nickel, Eisen oder Kobalt legiert wird, um schwere Legierungen zu bilden, wird in Penetratoren mit kinetischer Energie als Alternative zu abgereichertem Uran verwendet, wenn die Radioaktivität des Urans selbst in abgereicherter Form problematisch ist oder wenn die zusätzlichen pyrophoren Eigenschaften des Urans nicht erwünscht sind (z. B. in gewöhnlichen Handfeuerwaffengeschossen, die Körperpanzerungen durchdringen sollen). In ähnlicher Weise wurden Wolframlegierungen auch in Granaten und Raketen verwendet, um Überschallsplitter zu erzeugen. Deutschland verwendete Wolfram während des Zweiten Weltkriegs zur Herstellung von Geschossen für Panzerabwehrkanonen, die nach dem Gerlich'schen Quetschbohrungsprinzip konstruiert wurden, um eine sehr hohe Mündungsgeschwindigkeit und eine verbesserte Panzerungsdurchdringung bei vergleichsweise kleinem Kaliber und geringem Gewicht der Feldartillerie zu erreichen. Die Waffen waren hochwirksam, aber ein Mangel an Wolfram, das im Granatenkern verwendet wurde, der zum Teil durch die Wolfram-Krise verursacht wurde, schränkte ihre Verwendung ein. ⓘ

Wolfram wurde auch in dichten inerten Metallsprengstoffen verwendet, bei denen es als dichtes Pulver eingesetzt wird, um Kollateralschäden zu verringern und gleichzeitig die Tödlichkeit von Sprengstoffen in einem kleinen Radius zu erhöhen. ⓘ

Wissenschaft, Technik und Medizin

Wolfram nach Erstverwendung (2016, in %)

Ca. 65 Prozent der weltweit produzierten Wolframmengen werden zu Wolframcarbid verarbeitet, welches zur Herstellung von Hartmetall-Werkzeugen eingesetzt wird. Daneben findet Wolfram vor allen Dingen als Legierungselement Verwendung. ⓘ

Geklemmtes Ende der Doppelwendel einer Glühlampe ⓘ

Reines Wolfram wird wegen seines hohen Schmelzpunkts als Glühwendel in Glühlampen und in Leuchtstofflampen, als Elektrode in Gasentladungslampen und als Kathoden-Heizwendel oder Kathode in Elektronenröhren eingesetzt. In Glühlampen ist der hohe spezifische Widerstand von Wolfram (höher als Eisen) von Vorteil, erlaubt er doch das Erzeugen eines ausreichend hohen Widerstands mit nicht allzu dünnem Draht. Dennoch wird für Glühlampen oft eine Doppelwendel eingesetzt. Dünner Draht ist empfindlich gegen Erschütterungen. Eine kompakte plane rechteckige Leuchtfläche wird durch Flachwendeln aus vergleichsweise dickem Wolframdraht erzielt (Projektoren). Der Schmelzpunkt einer Glühwendel von Wolfram limitiert die Betriebstemperatur und damit die Lichtfarbe einer Glühlampe ohne Farbfilter. Bei hoher Betriebstemperatur kommt es mit längerer Betriebsdauer zum Umkristallisieren des Wolframs und typisch zu einem Verkürzen und Versteifen der Wendel, beim Ein- und Ausschalten zusätzlich zu Längenänderungen durch den Temperaturwechsel. Glühwendeln sind daher federnd aufgehängt mit etwas Spielraum für Verkürzung. ⓘ

Wolfram kann direkt in spezielle Borosilikatgläser eingeschmolzen werden. Solche Glas-Metall-Verbindungen sind vakuumdicht und dienen zum Beispiel als Stromanschluss. ⓘ

Wolfram-Inertgasschweißen ⓘ

Wegen seiner hohen Korrosionsbeständigkeit kann Wolfram auch als Werkstoff für Apparaturen in chemischen Anlagen verwendet werden. Allerdings wird dies wegen der schlechten Bearbeitbarkeit von Wolfram (Wolfram kann nur mittels Laser- oder Elektronenstrahl geschweißt werden) nur selten angewandt. ⓘ

Elektroden zum Schweißen werden teilweise aus Wolfram hergestellt, zum Beispiel beim Widerstandsschweißen, wenn Werkstoffe wie Kupfer, Bronze oder Messing geschweißt werden. Beim Wolfram-Inertgasschweißen (WIG-Schweißen) besteht eine Elektrode aus Wolfram oder einer Legierung davon. Diese Elektrode wird beim Schweißen nicht abgeschmolzen. Der Lichtbogen brennt in einem Schutzgas zwischen der Wolfram-Elektrode und dem Bauteil. Das Zusatzmaterial wird als Stab oder Draht separat zugeführt. ⓘ

Wolfram ist ein Legierungsbestandteil von Wolfram-Molybdän-Legierungen, u. a. für Turbinenschaufeln im Heißgasbereich von Gasturbinen. ⓘ

Aufgrund seiner hohen Dichte wird es für Ausgleichsgewichte und zur Abschirmung von Strahlung verwendet. Obwohl seine Dichte und damit die Abschirmwirkung wesentlich höher sind als die von Blei, wird es seltener als Blei für diesen Zweck verwendet, da es teurer und schwerer zu verarbeiten ist. ⓘ

Wolframblech wird zu Verdampfungs-Schiffchen zum Bedampfen im Labormaßstab verarbeitet. Die Schiffchen werden direkt durch Strom geheizt. ⓘ

In der Rastertunnelmikroskopie wird Wolfram oft als Material für die Sondenspitze verwendet. In der Physiologie, besonders der Neurophysiologie, werden Mikroelektroden aus Wolfram für extrazelluläre Ableitungen verwendet. ⓘ

Die $K_{\alpha }$ - und $K_{\beta }$ -Linien der charakteristischen Röntgenstrahlung liegen um 59 keV bzw. 67 keV. Wolfram findet bei der Erzeugung von Röntgenstrahlen als Anodenmaterial in Röntgenröhren oder als Target bei Linearbeschleunigern Anwendung. Durch das Aufprallen von beschleunigten Elektronen auf das gekühlte Wolfram-Target wird Röntgenstrahlung als Bremsstrahlung erzeugt. Die so erzeugten Röntgenstrahlen werden unter anderem in der Medizin bei der Röntgendiagnostik eingesetzt. ⓘ

Der passive Satellit LARES ist aus einer 95%-Wolframlegierung gefertigt. ⓘ

Die Hitzebeständigkeit von Wolfram macht es bei Lichtbogenschweißanwendungen nützlich, wenn es mit einem anderen hochleitenden Metall wie Silber oder Kupfer kombiniert wird. Das Silber oder Kupfer sorgt für die notwendige Leitfähigkeit, und das Wolfram ermöglicht es dem Schweißdraht, den hohen Temperaturen der Lichtbogenschweißumgebung standzuhalten. ⓘ

Militär

Wegen der hohen Dichte des Wolframs wird in einigen Armeen panzerbrechende Munition mit einem Projektilkern aus Wolframcarbid anstelle des aus der Urananreicherung angefallenen, waffentechnisch und kollateral tödlicheren, giftigen abgereicherten Urans verwendet. Im Zweiten Weltkrieg wurden Wuchtgeschosse aus Wolfram zuerst von der deutschen Wehrmacht eingesetzt und werden auch heute in der Bundeswehr verwendet. Das NS-Regime betrieb einen hohen Aufwand, um an große Mengen des als kriegswichtig geltenden Wolframs zu gelangen. Portugal exportierte in dieser Zeit Wolfram sowohl an die Alliierten als auch an das Deutsche Reich. In Norwegen förderte die Knabengrube WO-Konzentrat für Deutschland. Besitzer der Grube war die I.G. Farben und Friedrich Krupp AG. Das OKW berichtete 1944, dass es seinen Bedarf zu 25 % aus Finnland und zu 40 % aus Norwegen decke. ⓘ

Sport

Im Sport wird Wolfram für hochwertige Dart-Barrels sowie für Spitzen besonderer Pfeile beim Bogenschießen verwendet. Beim Hammerwurf wurden Hammerköpfe zeitweise zur Reduktion des Luftwiderstands 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 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. Ebenso gibt es bereits Schläger im Tennissport, in deren Carbonrahmengeflecht Wolframfasern eingearbeitet wurden. So können ganz gezielt bestimmte Bereiche des Schlägerrahmens zusätzlich stabilisiert werden, um die Spielpräzision zu erhöhen. Im Golfsport wird Wolfram manchmal als Ausgleichsgewicht für kleinere, präzisere Schlägerköpfe verwendet. ⓘ

Beim Fliegenfischen werden Angelköder mit durchbohrten, auf den Hakenschenkel geschobenen Wolframperlen beschwert, damit sie schneller und tiefer abtauchen. Beim Angeln, insbesondere beim Spinnfischen, wird Wolfram als umweltfreundlicher und noch besser sinkender Ersatz für Blei verwendet. ⓘ

Sonstiges

Ring (Schmuck) aus Wolframcarbid ⓘ

Seit Anfang des 21. Jahrhunderts wird Wolframcarbid, fälschlicherweise als Wolfram bezeichnet, auch zu Schmuck (Tungsten-Schmuck), z. B. Ringen verarbeitet. Dieses ist zum Beispiel anhand der Härte und der Dichte zu belegen. WC hat die Mohshärte 9,5, Wolfram nur 7,5. Alle auf dem Markt befindlichen „Wolfram-“ und „Tungsten“–Schmuckteile sind üblicherweise aus Wolframcarbid hergestellt. ⓘ

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

Aufgrund der ähnlichen Dichte von Wolfram und Gold gibt es Fälle, dass Wolfram zum Fälschen von Goldbarren (Wolframkern mit Goldummantelung) verwendet wird. ⓘ

Biologische Rolle

Wolfram ist mit der Ordnungszahl Z = 74 das schwerste bekannte Element mit biologischer Funktion. Es wird von einigen Bakterien und Archaeen verwendet, jedoch nicht von Eukaryoten. Zum Beispiel verwenden Enzyme, die als Oxidoreduktasen bezeichnet werden, Wolfram ähnlich wie Molybdän, indem sie es in einem Wolfram-Pterin-Komplex mit Molybdopterin verwenden (Molybdopterin enthält trotz seines Namens kein Molybdän, kann aber bei der Verwendung durch lebende Organismen entweder mit Molybdän oder Wolfram komplexiert werden). Wolfram-verwendende Enzyme reduzieren in der Regel Carbonsäuren zu Aldehyden. Die Wolfram-Oxidoreduktasen können auch Oxidationen katalysieren. Das erste entdeckte Enzym, das Wolfram benötigt, benötigt auch Selen, und in diesem Fall könnte das Wolfram-Selen-Paar analog zur Molybdän-Schwefel-Paarung einiger Molybdopterin-benötigen Enzyme funktionieren. Eines der Enzyme aus der Familie der Oxidoreduktasen, die manchmal Wolfram verwenden (bakterielle Formiatdehydrogenase H), verwendet bekanntermaßen eine Selen-Molybdän-Version von Molybdopterin. Acetylenhydratase ist ein ungewöhnliches Metalloenzym, da es eine Hydratationsreaktion katalysiert. Es wurden zwei Reaktionsmechanismen vorgeschlagen, wobei in einem Fall eine direkte Wechselwirkung zwischen dem Wolframatom und der C≡C-Dreifachbindung besteht. Obwohl eine wolframhaltige Xanthin-Dehydrogenase aus Bakterien Wolfram-Molybdopterin und auch nicht-proteingebundenes Selen enthält, ist ein Wolfram-Selen-Molybdopterin-Komplex noch nicht endgültig beschrieben worden. ⓘ

Im Boden oxidiert das Wolframmetall zum Wolframat-Anion. Es kann selektiv oder nicht-selektiv von einigen prokaryotischen Organismen importiert werden und kann in bestimmten Enzymen Molybdat ersetzen. Seine Wirkung auf die Wirkung dieser Enzyme ist in einigen Fällen hemmend und in anderen positiv. Die Chemie des Bodens bestimmt, wie das Wolfram polymerisiert; alkalische Böden führen zu monomeren Wolframaten, saure Böden zu polymeren Wolframaten. ⓘ

Natriumwolframat und Blei wurden auf ihre Wirkung auf Regenwürmer untersucht. Es wurde festgestellt, dass Blei in geringen Mengen tödlich ist, während Natriumwolframat viel weniger toxisch ist, aber die Fortpflanzungsfähigkeit der Würmer vollständig hemmt. ⓘ

Wolfram wurde als biologischer Antagonist des Kupferstoffwechsels untersucht, der eine ähnliche Rolle wie Molybdän spielt. Es wurde festgestellt, dass Tetrathiotungstate [zh]-Salze als biologische Kupferchelatbildner verwendet werden können, ähnlich wie die Tetrathiomolybdate. ⓘ

In Archaeen

Wolfram ist für einige Archaeen essentiell. Die folgenden wolframverwertenden Enzyme sind bekannt:

Aldehyd-Ferredoxin-Oxidoreduktase (AOR) in Thermococcus Stamm ES-1
Formaldehyd-Ferredoxin-Oxidoreduktase (FOR) in Thermococcus litoralis
Glyceraldehyd-3-phosphat-Ferredoxin-Oxidoreduktase (GAPOR) in Pyrococcus furiosus

Ein wtp-System ist für den selektiven Transport von Wolfram in Archaeen bekannt:

WtpA ist ein wolframbindendes Protein der ABC-Transporterfamilie
WptB ist eine Permease
WtpC ist eine ATPase ⓘ

Toxikologie

Nach dem derzeitigen Wissensstand gelten Wolfram und seine Verbindungen als physiologisch unbedenklich. Lungenkrebserkrankungen bei Arbeitern in Hartmetall produzierenden oder verarbeitenden Betrieben werden auf das ebenfalls anwesende Cobalt zurückgeführt. ⓘ

Im Tiermodell wurde festgestellt, dass die größte Menge an peroral aufgenommenen Wolfram-Verbindungen wieder rasch über den Urin ausgeschieden wird. Ein kleiner Teil des Wolframs geht in das Blutplasma und von dort in die Erythrozyten über. Danach wird es in den Nieren und im Knochensystem abgelagert. Drei Monate nach der Verabreichung wird der größte Anteil des insgesamt nur in sehr kleiner Menge vom Körper aufgenommenen Wolframs in den Knochen gefunden. ⓘ

2003 wurden in Fallon/Nevada mit 16 seit 1997 an Leukämie erkrankten Kindern und in Sierra Vista/Arizona mit neun ebenfalls an Blutkrebs erkrankten Kindern zwei sogenannte Krebscluster – das sind lokale Gebiete mit einer überdurchschnittlich hohen Rate an Krebserkrankungen – identifiziert. In beiden Orten weist das Trinkwasser außergewöhnlich hohe Konzentrationen von Wolfram auf. Im Urin der Bevölkerung wurden deutlich erhöhte Wolframkonzentrationen nachgewiesen. Beide Orte sind für ihre Vorkommen von Wolfram-Erzen bekannt. In den nachfolgenden, etwa ein Jahr dauernden Untersuchungen des Centers for Disease Control (CDC) konnte allerdings kein direkter Zusammenhang zwischen Wolfram und den Leukämie-Erkrankungen festgestellt werden. Wolfram zeige in keinem Testverfahren karzinogene Wirkungen, und in anderen Orten Nevadas mit ähnlich hohen Wolframwerten im Urin der Bevölkerung seien keine Krebscluster feststellbar. ⓘ

Sicherheitshinweise

Als Pulver oder Staub ist es leicht entzündlich, in kompakter Form nicht brennbar. ⓘ

Verbindungen

Oxide

Wolfram bildet mehrere Oxide. Zwischen dem Anfangsglied:

Wolfram(VI)-oxid WO₃ – zitronengelb

und dem Endglied:

Wolfram(IV)-oxid WO₂ – braun

gibt es noch folgende intermediäre Oxide:

W₁₀O₂₉ blauviolett, Homogenitätsbereich WO_2,92-WO_2,88
W₄O₁₁ rotviolett, Homogenitätsbereich WO_2,76-WO_2,73
W₁₈O₄₉, WO_2,72, rotviolettes Kristallpulver. Halbleiter. Dichte 7,72 g/cm³, Kristallstruktur: deformierter DO₆-Typ, monoklin, Raumgruppe P2/m (Raumgruppen-Nr. 10), Gitterparameter: a = 1832 pm, b = 379 pm, c = 1404 pm, β = 115,2°.
W₂₀O₅₀, WO_{2,50 ⓘ}

Sonstige Verbindungen

Natriumwolframat Na₂WO₄
Zirkoniumwolframat ZrW₂O₈ zeigt beim Erwärmen eine Anomalie.
Wolframoxidhydroxide bestimmter Zusammensetzung und mit Oxidationszahlen zwischen 5 und 6 haben eine blaue Farbe. Sie werden als Wolframblau bezeichnet und entsprechen in vielfacher Hinsicht dem Molybdänblau. Wolframblau dient als Nachweis von Wolframaten, aus denen es durch Reduktion entsteht.
Wolframbronzen M_xWO₃; M=Alkali-, Erdalkalimetall, Lanthanoid, ca. 0,3 < x < 0,9 besitzen elektrische Leitfähigkeit und sind intensiv und je nach Metallgehalt unterschiedlich gefärbt.
Calciumwolframat CaWO₄ ist als Mineral unter dem Namen Scheelit bekannt.
Wolframcarbid WC ist eine extrem harte metallähnliche Verbindung. Daneben gibt es noch Diwolframcarbid W₂C.
Wolframhexafluorid WF₆
Bleiwolframat PbWO₄
Wolframdisulfid WS₂ Einsatz als Trockenschmiermittel (Ähnlich MoS₂) ⓘ

Verwendung der Verbindungen

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. ⓘ

Chemische Verbindungen

Struktur von W₆Cl₁₈ ("Wolframtrichlorid") ⓘ

Wolfram bildet chemische Verbindungen in Oxidationsstufen von -II bis VI. Höhere Oxidationsstufen, immer in Form von Oxiden, sind für sein Vorkommen auf der Erde und seine biologischen Funktionen von Bedeutung, mittlere Oxidationsstufen werden oft mit Metallclustern assoziiert, und sehr niedrige Oxidationsstufen sind typischerweise mit CO-Komplexen verbunden. Die chemischen Eigenschaften von Wolfram und Molybdän weisen starke Ähnlichkeiten zueinander auf und stehen im Gegensatz zu ihrem leichteren Verwandten, dem Chrom. Die relative Seltenheit von Wolfram(III) steht zum Beispiel im Gegensatz zu den weit verbreiteten Chrom(III)-Verbindungen. Die höchste Oxidationsstufe findet sich in Wolfram(VI)-oxid (WO₃). Wolfram(VI)-oxid ist in wässriger Base löslich und bildet Wolframat (WO₄2-). Dieses Oxyanion kondensiert bei niedrigeren pH-Werten und bildet Polyoxowolframate. ⓘ

Das breite Spektrum der Oxidationsstufen von Wolfram spiegelt sich in seinen verschiedenen Chloriden wider:

Wolfram(II)-chlorid, das in Form des Hexamers W₆Cl₁₂ vorliegt
Wolfram(III)-chlorid, das in Form des Hexamers W₆Cl₁₈ vorliegt
Wolfram(IV)-chlorid, WCl₄, ein schwarzer Feststoff, der eine polymere Struktur annimmt.
Wolfram(V)-chlorid WCl₅, ein schwarzer Feststoff, der eine dimere Struktur annimmt.
Wolfram(VI)-chlorid WCl₆, das mit der Instabilität von MoCl₆ kontrastiert. ⓘ

Es gibt zahlreiche wolframorganische Verbindungen, die auch eine Reihe von Oxidationsstufen umfassen. Bemerkenswerte Beispiele sind das trigonal prismatische W(CH₃)₆ und das oktaedrische W(CO)₆. ⓘ

Anwendungen

Nahaufnahme eines Wolframdrahtes in einer Halogenlampe ⓘ

Wolframkarbid-Schmuck ⓘ

Ungefähr die Hälfte des Wolframs wird für die Herstellung von Hartstoffen - nämlich Wolframkarbid - verbraucht, der Rest wird hauptsächlich für Legierungen und Stähle verwendet. Weniger als 10 % werden in anderen chemischen Verbindungen verwendet. Aufgrund der hohen Übergangstemperatur von Wolfram zwischen Zähigkeit und Sprödigkeit werden seine Produkte auf herkömmliche Weise durch Pulvermetallurgie, Funkenplasmasintern, chemische Gasphasenabscheidung, heißisostatisches Pressen und thermoplastische Verfahren hergestellt. Eine flexiblere Herstellungsalternative ist das selektive Laserschmelzen, das eine Form des 3D-Drucks ist und die Herstellung komplexer dreidimensionaler Formen ermöglicht. ⓘ

Dauermagnete

Abgeschreckter (martensitischer) Wolframstahl (ca. 5,5 % bis 7,0 % W mit 0,5 % bis 0,7 % C) wurde aufgrund seiner hohen Remanenz und Koerzitivfeldstärke zur Herstellung von harten Dauermagneten verwendet, wie John Hopkinson (1849-1898) bereits 1886 feststellte. Die magnetischen Eigenschaften eines Metalls oder einer Legierung sind sehr empfindlich gegenüber der Mikrostruktur. So ist das Element Wolfram zwar nicht ferromagnetisch (wohl aber Eisen), aber wenn es in Stahl in diesen Anteilen vorhanden ist, stabilisiert es die Martensitphase, die aufgrund ihres größeren Widerstands gegen die Bewegung der magnetischen Domänenwände einen größeren Ferromagnetismus aufweist als die Ferritphase (Eisen). ⓘ

Chemische Anwendungen

Wolfram(IV)-sulfid ist ein Hochtemperaturschmiermittel und ein Bestandteil von Katalysatoren für die Hydrodesulfurierung. MoS₂ wird häufiger für solche Anwendungen verwendet. ⓘ

Wolframoxide werden in keramischen Glasuren verwendet, und Kalzium-/Magnesiumwolframate finden breite Anwendung in Leuchtstoffröhren. Kristallwolframate werden als Szintillationsdetektoren in der Kernphysik und Nuklearmedizin verwendet. Andere Salze, die Wolfram enthalten, werden in der chemischen Industrie und in der Gerberei verwendet. Wolframoxid (WO₃) ist Bestandteil von Katalysatoren für die selektive katalytische Reduktion (SCR), die in Kohlekraftwerken eingesetzt werden. Diese Katalysatoren wandeln Stickoxide (NOx) mithilfe von Ammoniak (NH₃) in Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) um. Das Wolframoxid trägt zur physikalischen Festigkeit des Katalysators bei und verlängert die Lebensdauer des Katalysators. Wolframhaltige Katalysatoren sind vielversprechend für Epoxidierungs-, Oxidations- und Hydrogenolysereaktionen. Wolfram-Heteropolysäuren sind ein wichtiger Bestandteil multifunktionaler Katalysatoren. Wolframate können als Photokatalysatoren verwendet werden, während Wolframsulfid als Elektrokatalysator dient. ⓘ

Nanodrähte

Durch Top-Down-Nanofabrikationsverfahren werden seit 2002 Wolfram-Nanodrähte hergestellt und untersucht. Aufgrund eines besonders hohen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen, der Bildung einer Oberflächenoxidschicht und der Einkristallnatur eines solchen Materials unterscheiden sich die mechanischen Eigenschaften grundlegend von denen des massiven Wolframs. Solche Wolfram-Nanodrähte haben potenzielle Anwendungen in der Nanoelektronik und vor allem als pH-Sonden und Gassensoren. Ähnlich wie Silizium-Nanodrähte werden Wolfram-Nanodrähte häufig aus einem Massenwolfram-Vorläufer hergestellt, gefolgt von einem thermischen Oxidationsschritt, um die Morphologie in Bezug auf Länge und Seitenverhältnis zu kontrollieren. Mithilfe des Deal-Grove-Modells lässt sich die Oxidationskinetik von Nanodrähten vorhersagen, die durch einen solchen thermischen Oxidationsprozess hergestellt wurden. ⓘ

Schmelzleistung

Aufgrund seines hohen Schmelzpunkts und seiner guten Erosionsbeständigkeit ist Wolfram ein Hauptkandidat für die am stärksten exponierten Abschnitte der dem Plasma zugewandten Innenwand von Kernfusionsreaktoren. Es wird als plasmaseitiges Material für den Divertor im ITER-Reaktor verwendet und wird derzeit im JET-Testreaktor eingesetzt. ⓘ

Gesundheitliche Faktoren

Da Wolfram ein seltenes Metall ist und seine Verbindungen im Allgemeinen inert sind, sind die Auswirkungen von Wolfram auf die Umwelt begrenzt. Die Häufigkeit von Wolfram in der Erdkruste wird auf etwa 1,5 Teile pro Million geschätzt. Es ist eines der selteneren Elemente. ⓘ

Zunächst hielt man es für ein relativ inertes und nur geringfügig toxisches Metall, doch seit dem Jahr 2000 wurde in In-vitro- und In-vivo-Experimenten auf die Gefahr hingewiesen, dass Wolframlegierungen, Wolframstäube und -partikel bei Tieren und Menschen Krebs und verschiedene andere schädliche Wirkungen hervorrufen können. Die mittlere tödliche Dosis LD₅₀ hängt stark vom Tier und der Verabreichungsmethode ab und schwankt zwischen 59 mg/kg (intravenös, Kaninchen) und 5000 mg/kg (Wolfram-Metallpulver, intraperitoneal, Ratten). ⓘ

Menschen können Wolfram am Arbeitsplatz durch Einatmen, Verschlucken, Hautkontakt und Augenkontakt ausgesetzt sein. Das National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) hat einen empfohlenen Expositionsgrenzwert (REL) von 5 mg/m³ über einen 8-Stunden-Arbeitstag und einen Kurzzeitgrenzwert von 10 mg/m³ festgelegt. ⓘ