Wolfram

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Einleitung

Wolfram, chemisches Symbol W, metallisches Element mit der Ordnungszahl 74, das zusammen mit Chrom, Molybdän und Seaborgium in der sechsten Nebengruppe des Periodensystems steht. Wolfram besitzt den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle und zählt zu den Übergangsmetallen.

Über Wolfram und seine Verbindungen gibt es verschiedene historische Überlieferungen. So erwähnte Mitte des 16. Jahrhunderts Georgius Agricola in seinem Werk De re metallica ein Mineral, das die Gewinnung von Zinn aus Zinnerzen erschwerte, indem es beim Schmelzen des Erzes das Zinn verschlackte: „Es frisst das Zinn auf wie der Wolf das Schaf”. Agricola gab dem Mineral, das später als Wolframit erkannt wurde, den lateinischen Namen lupi suma (sinngemäß: Wolf-Rahm). Aus „Wolf-Rahm” wurde dann später „Wolfram”.

1758 beschrieb der schwedische Chemiker Axel Fredrik Cronstedt ebenfalls ein Mineral, das seiner Meinung nach ein noch unentdecktes Element enthielt. Er gab dem Mineral den schwedischen Namen Tungsten (sinngemäß: schwerer Stein). Jedoch scheiterten seine Versuche, das unbekannte Element aus dem „Tungsten” zu isolieren. 1781 konnte der im damals schwedischen Stralsund geborene Chemiker Carl Wilhelm Scheele aus „Tungsten” ein Oxid gewinnen (Wolframtrioxid). Nur kurze Zeit später (1783) gelang den spanischen Brüdern Juan José und Fausto D’Elhuyar die Erzeugung von Wolframmetall aus Wolframit. Von „Tungsten” sind z. B. der englische Name (tungsten) und der französische Name (tungstène) für das Metall abgeleitet.

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Vorkommen und Eigenschaften

Wolfram existiert in Form von fünf natürlichen Isotopen, von denen Wolfram 184 am häufigsten auftritt; darüber hinaus sind mehrere künstliche Isotope bekannt. Unter den Elementen der Erdkruste steht Wolfram an 58. Stelle. In der Natur kommt das Metall nur in Verbindung mit anderen Metallen vor. Beispiele dafür sind die Wolframerze Scheelit oder Tungstein (CaWO₄), Wolframit ((Mn,Fe)WO₄) und Stolzit oder Scheelbleierz (PbWO₄).

Reines Wolframmetall ist weiß glänzend, geschmeidig und leicht zu bearbeiten. Geringe Mengen Sauerstoff oder Kohlenstoff lassen das Metall jedoch hart und spröde werden. An der Luft bei Raumtemperatur beständig, reagiert Wolfram erst in der Rotglut mit Sauerstoff zu Oxiden. Mit anderen Nichtmetallen reagiert das Metall ebenfalls erst bei hohen Temperaturen. Säuren greifen es aufgrund von Passivierung (Bildung einer Schutzschicht) nur langsam und wenig an. Dagegen lösen z. B. Wasserstoffperoxid (H₂O₂) und Gemische von Flusssäure (HF; siehe Fluor) und Salpetersäure (HNO₃) das Metall langsam auf. Wolfram besitzt den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle, der bei etwa 3 410 °C liegt, und siedet bei 5 900 °C. Die Dichte des Elements beträgt 19,5 Gramm pro Kubikzentimeter und die Atommasse 183,85 u.

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Verbindungen

In seinen Verbindungen tritt Wolfram mit den Oxidationszahlen von 0 bis +6 auf. Zur häufigsten Stufe +6 zählt das dunkelblaue Wolframhexachlorid (W^VICl₆) und das zitronengelbe Wolframtrioxid (W^VIO₃). Beispiele für die anderen Oxidationsstufen sind das dunkelrote Wolframtrichlorid (W^IIICl₃), das farblose Wolframhexacarbonyl (W⁰(CO)₆) sowie das braune Wolframdioxid (W^IVO₂).

Ähnlich wie Molybdän bildet Wolfram neben niederen Oxiden (z. B. WO₂, WO₃) auch komplexer aufgebaute Sauerstoffverbindungen, etwa die Wolframate (z. B. [W₇O₂₄]^6-). So bilden Polywolframate ein-, zwei- oder auch dreidimensional vernetzte Ketten- oder Schichtstrukturen. Wolframate entstehen u. a., wenn man Wolframtrioxid mit Alkalilaugen, wässrigen Ammoniak- oder Carbonatlösungen behandelt. Höhermolekulare Wolframate bilden sich aber in der Regel erst dann, wenn man die Lösungen ansäuert. Aus stark sauren Lösungen können Oxidhydrate (z. B. WO₃ · H₂O) ausfallen, die auch als Wolframsäuren (z.B. H₂WO₄) aufgefasst werden. Mit organischen Resten bildet Wolfram eine Vielzahl metallorganischer Verbindungen und vereint sich mit Liganden zu Komplexverbindungen (siehe Koordinationschemie).

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Herstellung von Wolfram

Zur Gewinnung von Wolfram wird z. B. Wolframit ((Mn,Fe)WO₄) zuerst unter Druck und hohen Temperaturen mit Soda (Na₂CO₃) aufgeschlossen und in Natriumwolframat (Na₂WO₄) überführt:

3(Mn,Fe)WO4 + 2Na2CO3 + 1/2O2 → (Mn,Fe)3O4 + 3Na2WO4 + 3CO2.

Das wasserlösliche Natriumwolframat wird anschließend mit Ammoniaklösung behandelt. Die so erzeugte Ammoniumwolframatlösung kann dann weiterverarbeitet werden. Alternativ lässt sich das Erz Scheelit (CaWO₄) mit Salzsäure (HCl; siehe Chlorwasserstoff) zersetzen und so in festes Oxidhydrat (WO₃ · H₂O) überführen:

CaWO4 + 2HCl → CaCl2 + WO3 · H2O.

Das feste Oxidhydrat wird wie Natriumwolframat mit Ammoniaklösung behandelt. Aus der Ammoniumwolframatlösung lassen sich Ammoniumparawolframatkristalle ((NH₄)₁₀W₂₁O₄₁ · 5H₂O) gewinnen; unter Erhitzen entsteht daraus Woframtrioxid (WO₃), das schließlich mit Wasserstoff im Elektroofen zum Metall reduziert wird:

WO3 + 3H2 → W + 3H2O.

Den dabei entstehenden feinen Metallstaub presst man unter starker Hitze und im Wasserstoffstrom zu Barren, die durch Hämmern und Auswalzen unter hohen Temperaturen zu einem geschmeidigen Metall weiterverarbeitet werden.