Βολφράμιο: ένα στοιχείο με εξαιρετικές ιδιότητες

Το βολφράμιο, όπως και τα περισσότερα άλλα μεταλλικά στοιχεία, δεν απαντάται στη φύση ως ένα γυαλιστερό κομμάτι μετάλλου. Χρειάζεται να απομονωθεί χημικά από άλλες ενώσεις όπως το φυσικό ορυκτό «βολφραμίτης». Γι' αυτό το λόγο το σύμβολο του βολφραμίου στον περιοδικό πίνακα δεν είναι T αλλά W, που είναι συντομογραφία του «wolfram». Το όνομα βολφράμιο σημαίνει στα σουηδικά «βαριά πέτρα», μια αναφορά στην ασυνήθιστη πυκνότητα και βάρος του στοιχείου. Ο ατομικός του αριθμός (ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα του ατόμου του) είναι 74 και το ατομικό του βάρος (σταθμισμένος μέσος όρος των φυσικών ισοτόπων του) είναι 183,84. 

Ένα ζευγάρι Ισπανών χημικών (και αδερφών), ο Juan José και ο Fausto Elhuyar, πιστώνονται με την ανακάλυψη του βολφραμίου το 1783 όταν απομόνωσαν για πρώτη φορά το γκριζόλευκο μέταλλο από τον βολφραμίτη.

Μία από τις πιο εντυπωσιακές και χρήσιμες ιδιότητες του βολφραμίου είναι το υψηλό σημείο τήξης του, το υψηλότερο από όλα τα μεταλλικά στοιχεία. Το καθαρό βολφράμιο τήκεται στους 3.422^οC και έχει σημείο τήξης τους 5.555^οC (θερμοκρασία της φωτόσφαιρας του ήλιου!). Ο σίδηρος, για σύγκριση, έχει σημείο τήξης στους 1.538^οC και ο χρυσός μετατρέπεται σε υγρό στους 1.064,18^οC.

«Όλα τα μέταλλα έχουν σχετικά υψηλά σημεία τήξης επειδή τα άτομα τους συγκρατούνται μεταξύ τους με στενούς μεταλλικούς δεσμούς. Οι μεταλλικοί δεσμοί είναι τόσο ισχυροί επειδή μοιράζονται ηλεκτρόνια σε μια ολόκληρη τρισδιάστατη διάταξη ατόμων. Το βολφράμιο ξεπερνά τα άλλα μέταλλα λόγω της ασυνήθιστης αντοχής και κατευθυντικότητας των μεταλλικών δεσμών του», αναφέρει ο John Newsam, χημικός, μέλος της Αμερικανικής Χημικής Εταιρείας. 

«Γιατί είναι αυτό σημαντικό το βολφράμιο; Σκεφτείτε τον Edison να δουλεύει σε νήματα για τον λαμπτήρα πυρακτώσεως. Χρειαζόταν ένα υλικό που όχι μόνο να εκπέμπει φως αλλά και να μη λιώνει από τη θερμότητα», τονίζει ο Newsam.

Ο Edison πειραματίστηκε με πολλά διαφορετικά υλικά για νήματα λαμπτήρων, μεταξύ των οποίων η πλατίνα, το ιρίδιο, καθώς και το μπαμπού, αλλά ήταν ένας άλλος Αμερικανός εφευρέτης, ο William Coolidge, που πιστώθηκε την κατασκευή των νημάτων βολφραμίου που χρησιμοποιήθηκαν στους περισσότερους λαμπτήρες κατά τον 20ο αιώνα.

Το υψηλό σημείο τήξης του βολφραμίου έχει και άλλα πλεονεκτήματα, όπως όταν αναμιγνύεται ως κράμα με υλικά όπως ο χάλυβας. Τα κράματα βολφραμίου επιστρώνονται σε τμήματα διαστημικών και στρατιωτικών πυραύλων που πρέπει να αντέχουν την τεράστια θερμότητα, συμπεριλαμβανομένων των ακροφυσίων του κινητήρα που εκτοξεύουν εκρηκτικά ρεύματα καυσίμου σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες.

Η πυκνότητα των διαφορετικών στοιχείων είναι μια ένδειξη του μεγέθους των ατόμων που τα απαρτίζουν. Όσο πιο χαμηλά φτάνουμε στον περιοδικό πίνακα, τόσο μεγαλύτερα και βαρύτερα είναι τα άτομα.

«Τα βαρύτερα στοιχεία, όπως το βολφράμιο, έχουν περισσότερα πρωτόνια και νετρόνια στον πυρήνα τους και περισσότερα ηλεκτρόνια σε τροχιά γύρω από τον πυρήνα. Aυτό σημαίνει ότι το βάρος ενός ατόμου αυξάνεται σημαντικά καθώς κατεβαίνουμε στον περιοδικό πίνακα», λέει ο Newsam. 

Πρακτικά, εάν κρατούσαμε ένα κομμάτι βολφραμίου στο ένα χέρι και κρατούσαμε τον ίδιο όγκο αργύρου ή σιδήρου στο άλλο χέρι, θα αισθανόμασταν το βολφράμιο πολύ πιο βαρύ. Συγκεκριμένα, η πυκνότητα του βολφραμίου είναι 19,3 γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό. Ο άργυρος, σε σύγκριση, είναι περίπου το μισό σε πυκνότητα από το βολφράμιο (10,5g/cm³) και ο σίδηρος είναι σχεδόν το ένα τρίτο (7,9g/cm³).

Το βάρος, λόγω υψηλής πυκνότητας, του βολφραμίου μπορεί να είναι πλεονέκτημα σε ορισμένες εφαρμογές. Χρησιμοποιείται συχνά σε σφαίρες διάτρησης θωράκισης, για παράδειγμα, για την πυκνότητα και τη σκληρότητα του. Ο στρατός χρησιμοποιεί επίσης βολφράμιο για να κατασκευάσει τα λεγόμενα όπλα «βομβαρδισμού κινητικής ενέργειας» που εκτοξεύουν μια ράβδο βολφραμίου ως ένα αερομεταφερόμενο πολιορκητικό κριό για να διαπεράσει τοίχους και θωρακίσεις τανκ.

Κατά τη διάρκεια του Ψυχρού Πολέμου, η Πολεμική Αεροπορία των ΗΠΑ φέρεται να πειραματίστηκε με μια ιδέα που είχε την κωδική ονομασία Project Thor. Το αντικείμενο του project ήταν η εκτόξευση μιας δέσμης ράβδων βολφραμίου μήκους 20 ποδιών (6 μέτρων) από τροχιά σε εχθρικούς στόχους. Αυτές οι ράβδοι θα είχαν την καταστροφική δύναμη ενός πυρηνικού όπλου, αλλά χωρίς το διασκορπισμό ραδιενεργού υλικού που ακολουθεί μία πυρηνική έκρηξη. Αποδείχθηκε, ωστόσο, ότι το κόστος της εκτόξευσης των βαριών ράβδων από το διάστημα ήταν απαγορευτικά ακριβό.

Το καθαρό βολφράμιο δεν είναι τόσο σκληρό -μπορείτε να το κόψετε με ένα πριόνι χειρός- αλλά όταν το βολφράμιο συνδυάζεται με μικρές ποσότητες άνθρακα, προκύπτει το καρβίδιο του βολφραμίου, ένα από τα υλικά με εξαιρετικά υψηλή σκληρότητα.

«Όταν βάζετε μικρές ποσότητες άνθρακα ή άλλων μετάλλων στο βολφράμιο, ενισχύεται η δομή του και την εμποδίζουν να παραμορφωθεί εύκολα», λέει ο Newsam.

Το καρβίδιο του βολφραμίου είναι τόσο σκληρό που μπορεί να κοπεί μόνο με τη χρήση διαμαντιών, και ακόμη και τότε, τα διαμάντια λειτουργούν μόνο εάν το καρβίδιο του βολφραμίου δεν έχει ολοκληρώσει πλήρως τον κύκλο επεξεργασίας του. Το καρβίδιο του βολφραμίου είναι έως και τρεις φορές πιο άκαμπτο από τον χάλυβα, μπορεί να διαρκέσει έως και 100 φορές περισσότερο από τον χάλυβα σε συνθήκες υψηλής τριβής και έχει τη μεγαλύτερη αντοχή σε θλίψη από όλα τα σφυρήλατα μέταλλα, πράγμα που σημαίνει ότι δεν βαθουλώνει ή παραμορφώνεται όταν πιέζεται κάτω από τεράστια δύναμη.

Η πιο κοινή χρήση για το καρβίδιο του βολφραμίου -και ο τελικός προορισμός για το μεγαλύτερο μέρος του βολφραμίου που εξορύσσεται στον πλανήτη- είναι εξειδικευμένα εργαλεία και τρυπάνια εξειδικευμένων χρήσεων. Οποιοδήποτε είδος τρυπανιού για την κοπή μετάλλου ή συμπαγούς βράχου πρέπει να αντέχει σε μεγάλα επίπεδα τριβής χωρίς να χάνει την κοπτική του ικανότητα ή να σπάει. Μόνο τα τρυπάνια από διαμάντια είναι πιο σκληρά από το καρβίδιο του βολφραμίου, αλλά είναι επίσης πολύ πιο ακριβά.

Η σκληρότητα, η πυκνότητα και η αντίσταση στη θερμότητα του βολφραμίου, το καθιστούν ιδανικό για πολλές εξειδικευμένες εφαρμογές:

• Τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια εκτοξεύουν ένα ρεύμα ηλεκτρονίων από ένα ειδικό άκρο εκπομπής από βολφράμιο
• Οι περισσότερες συγκολλήσεις μεταξύ μετάλλου και γυαλιού γίνονται από βολφράμιο, επειδή το βολφράμιο διαστέλλεται και συστέλλεται με τον ίδιο ρυθμό όπως το βοριοπυριτικό γυαλί, το πιο κοινό είδος γυαλιού
• Οι ανυψώσεις στις πίστες του snowmobile είναι κατασκευασμένες από κράματα βολφραμίου
• Τα βελάκια επαγγελματικής ποιότητας κατασκευάζονται από βολφράμιο
• Σε στυλό με χρήση σφαιριδίου, το σφαιρίδιο κατασκευάζεται συχνά από καρβίδιο του βολφραμίου
• Η βιομηχανία κοσμημάτων κατασκευάζει δαχτυλίδια από καρβίδιο του βολφραμίου.

Με πληροφορίες από HowStuffWorks.com

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ - ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΣΥΝΤΑΚΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ RAWMATHUB.GR