タングステン

タングステン、  74W
タングステン
発音/ ˈ t ʌ ŋ s t ən / ⓘ ​( TUNG -stən )
別名ヴォルフラム、発音: / ˈ w ʊ l f r əm / ( WUUL -frəm )
同素体α-タングステン（共通）、β-タングステン
外観灰白色、光沢のある
標準原子量 A r °(W)
  • 183.84 ± 0.01 [1]
  • 183.84 ± 0.01  （要約）[2]
周期表におけるタングステン
水素ヘリウム
リチウムベリリウムボロン炭素窒素酸素フッ素ネオン
ナトリウムマグネシウムアルミニウムシリコンリン硫黄塩素アルゴン
カリウムカルシウムスカンジウムチタンバナジウムクロムマンガン鉄コバルトニッケル銅亜鉛ガリウムゲルマニウム砒素セレン臭素クリプトン
ルビジウムストロンチウムイットリウムジルコニウムニオブモリブデンテクネチウムルテニウムロジウムパラジウム銀カドミウムインジウム錫アンチモンテルルヨウ素キセノン
セシウムバリウムランタンセリウムプラセオジムネオジムプロメチウムサマリウムユーロピウムガドリニウムテルビウムジスプロシウムホルミウムエルビウムツリウムイッテルビウムルテチウムハフニウムタンタルタングステンレニウムオスミウムイリジウム白金金水銀（元素）タリウム鉛ビスマスポロニウムアスタチンラドン
フランシウムラジウムアクチニウムトリウムプロトアクチニウムウランネプツニウムプルトニウムアメリシウムキュリウムバークリウムカリホルニウムアインシュタイニウムフェルミウムメンデレビウムノーベリウムローレンシウムラザホージウムドブニウムシーボーギウムボーリウムハッシウムマイトネリウムダルムシュタットレントゲンコペルニシウムニホニウムフレロビウムモスコビウムリバモリウムテネシンオガネソン
Mo
↑
W
↓
Sg
タンタル←タングステン→レニウム
原子番号 （Z）74
グループグループ6
期間6期
ブロック  dブロック
電子配置[ Xe ] 4f 14 5d 4 6s 2 [3]
殻あたりの電子数2、8、18、32、12、2
物理的特性
STPでの 位相固体
融点3695  K (3422 °C、6192 °F)
沸点6203 K (5930 °C、10706 °F)
密度（20℃）19.254 g/cm 3  [4]
液体の場合（  mp）17.6 g/cm 3
融解熱52.31  kJ/モル[5] [6]
蒸発熱774 kJ/モル
モル熱容量24.27 J/(モル·K)
蒸気圧
P （パ）1101001キロ1万10万
T （K）で 347737734137457951275823
原子の性質
酸化状態共通: +4, +6
−4, [7] −2, [8] −1, [8] 0, [9] +1, [8] +2, [8] +3, [8] +5 [8]
電気陰性度ポーリングスケール：2.36
イオン化エネルギー
  • 1位: 770 kJ/モル
  • 2番目: 1700 kJ/モル
原子半径経験的: 午後139時
共有結合半径162±7時
スペクトル範囲における色の線
タングステンのスペクトル線
その他の特性
自然発生原始的な
結晶構造体心立方格子（bcc）（cI2）
格子定数
タングステンの体心立方結晶構造
a  = 316.52 pm (20℃) [4]
熱膨張4.42 × 10 −6 /K（20℃）[4]
熱伝導率173 W/(m⋅K)
電気抵抗率52.8 nΩ⋅m（20℃）
磁気秩序常磁性[10]
モル磁化率+59.0 × 10 -6  cm 3 /mol (298 K) [11]
ヤング率411 GPa
せん断弾性率161 GPa
体積弾性率310 GPa
音速の 細い棒4620 m/s ( 室温で) (焼鈍処理)
ポアソン比0.28
モース硬度7.5
ビッカース硬度3430～4600 MPa
ブリネル硬度2000～4000MPa
CAS番号7440-33-7
歴史
ネーミング鉱物の灰重石の古いスウェーデン語名。灰重石はそこから分離した。「重い石」を意味する。
発見と最初の分離フアン・ホセ・エルフヤルとファウスト・エルフヤル[12] (1783)
命名者トルベルン・ベルイマン（1781）
シンボル「W」：ウルフラムから。元々は中高ドイツ語の wolf-rahm「狼の泡」から来ており、鉱物ウルフラマイトを表す[13]
タングステンの同位体
主な同位体減衰
アイソトープ豊富半減期 （t 1/2）モード製品
180ワット0.120%1.59 × 10 18 年[14]α176 Hf
181 Wシンセ120.96日ε181タ
182ワット26.5%安定した
183ワット14.3%安定した
184ワット30.6%安定した
185ワットシンセ75.1日β −185レ
186ワット28.4%安定した
187 Wシンセ23.81時間β −187レ
188ワットシンセ69.77日β −188レ
 カテゴリー: タングステン
|参照

タングステン（ウルフラムとも呼ばれる）[15] [16]は化学元素であり、記号 W（ドイツ語：Wolfram）で示される。原子番号は74である。地球上では天然に存在する金属であり、ほとんどの場合、他の元素との化合物として存在する。1781年に独立した元素として同定され、1783年に初めて金属として単離された。重要な鉱石には灰重石とウルフラム重石があり、後者はタングステンに別名を与えている。

自由元素は、その堅牢性、特に既知の元素の中で最も高い融点（3,422 °C（6,192 °F; 3,695 K））を持つという事実で注目に値します。また、沸点も最も高く、5,930 °C（10,706 °F; 6,203 K）です。[17]密度は19.254 g/cm 3 [4]で、ウランや金に匹敵し、鉛の約1.7倍とはるかに高くなっています。[18]多結晶タングステンは、本質的に脆く[19] [20] [21]硬い物質（結合していない標準条件下で）であるため、金属に加工することが困難です。しかし、純粋な単結晶タングステンはより延性があり、硬鋼製の弓のこで切断することができます。[22]

タングステンは多くの合金に含まれており、白熱電球のフィラメント、X線管、ガスタングステンアーク溶接の電極、超合金、放射線遮蔽など、多様な用途に使用されています。タングステンは硬度と高密度のため、貫通弾などの軍事用途に適しています。タングステン化合物は工業用触媒としてよく使用されます。最大の用途は、金属加工、鉱業、建設業で使用される耐摩耗性材料である炭化タングステンです。[23]タングステンの約50%は炭化タングステンに使用され、残りは合金や鋼鉄に使用され、10%未満が他の化合物に使用されています。[24]

タングステンは、生体分子中に存在することが知られている唯一の第三遷移系列金属であり、いくつかの細菌種と古細菌種に存在しています。しかし、タングステンはモリブデンと銅の代謝を阻害し、ほとんどの動物種にとってある程度の毒性があります。[25] [26]

特徴

物理的特性

表面が酸化されたタングステン棒

タングステンは、原料の状態では硬い鋼鉄のような灰色の金属で、脆く加工が難しい場合が多い。精製された単結晶タングステンは、その硬度（多くの鋼鉄よりも高い）を維持し、容易に加工できるほど展性を持つ。 [22]タングステンは鍛造、引抜、押し出し加工によって加工されるが、より一般的には焼結によって形成される。焼結は、タングステンの融点が非常に高いため、しばしば用いられる。

純粋な金属の中で、タングステンは最も高い融点（3,422 °C、6,192 °F）、最も低い蒸気圧（1,650 °C、3,000 °Fを超える温度）、そして最も高い引張強度を持っています。[27]炭素はタングステンよりも高温で固体のままですが、炭素は大気圧で溶融するのではなく昇華するため、融点はありません。さらに、タングステンの最も安定した結晶相は、少なくとも364ギガパスカルまでの圧力で高圧誘起構造変化を示しません。[28]タングステンは、純金属の中で最も低い熱膨張係数を持っています。タングステンの低い熱膨張と高い融点および引張強度は、 5d電子によってタングステン原子間に形成される強い共有結合に起因します。 [29]少量のタングステンを鋼と合金にすると、靭性が大幅に向上します。[18]

タングステンには、α と β という 2 つの主要な結晶形態があります。前者は体心立方構造を持ち、より安定した形態です。β相の構造はA15 立方晶系と呼ばれ、準安定ですが、非平衡合成または不純物による安定化により、常温で α 相と共存できます。等軸粒に結晶化する α 相とは異なり、β 形態は柱状の晶癖を示します。α 相の電気抵抗は 3 分の 1 であり[30] 、超伝導転移温度T C はβ 相に比べてはるかに低く、約 0.015 K 対 1～4 K です。2 つの相を混合すると、中間の T C値を得ることができます[31] [32] T C値は、タングステンを他の金属と合金化することによっても上げることができます(例: W- Tcの場合は 7.9 K )。[33]このようなタングステン合金は低温超伝導回路に使用されることがある。[34] [35] [36]

同位体

天然のタングステンは、4つの安定同位体（182 W、183 W、184 W、186 W）と、非常に長寿命の放射性同位体である180 Wで構成されています。理論的には、5つすべてがアルファ放出によって元素72（ハフニウム）の同位体に崩壊する可能性がありますが、180 Wのみがそのように崩壊することが観測されており、半減期は(1.8 ± 0.2) × 10 18年; [37] [38]平均すると、天然タングステン1グラムあたり年間約2回、 180 Wのアルファ崩壊が発生します。 [39]この崩壊率は、約63マイクロベクレル/キログラムの比放射能に相当します。この崩壊率は、地球上に存在する炭素やカリウムで観測される崩壊率よりも桁違いに低く、これらにも少量の長寿命放射性同位体が含まれています。ビスマスは長い間非放射性であると考えられていましたが、209
Bi（最も寿命の長い同位体）は実際には半減期が2.01 × 10 19年、つまり約 10 倍遅い180
W。しかし、天然のビスマスは100％209
Biの比放射能は、天然タングステンの3ミリベクレル/キログラムよりも高い。他の天然タングステン同位体は崩壊が観測されていないため、半減期は少なくとも4 × 10 21 年。

タングステンの人工放射性同位体は他に34種あり、最も安定しているのは半減期が121 .2日の181 W、半減期が75.1日の185 W、半減期が69.4日の188 W、半減期が21.6日の178 W、半減期が23.72時間の187 Wである[39] 。残りの放射性同位体はすべて半減期が3時間未満で、そのほとんどは8分未満の半減期である[39] 。タングステンには12の メタ状態もあり、最も安定しているのは179m W（t 1/2  6.4分）である。

化学的性質

タングステンは、ほとんど反応しない元素です。水とは反応せず、ほとんどの酸や塩基にも耐性があり、室温では酸素や空気とも反応しません。高温（すなわち赤熱状態）では、酸素と反応して三酸化物であるタングステン(VI)（WO 3 ）を生成します。しかし、室温ではフッ素（F 2 ）と直接反応して、無色の気体であるフッ化タングステン(VI)（WF 6）を生成します。約250℃では塩素または臭素と反応し、特定の高温条件下ではヨウ素と反応します。微細なタングステンは自然発火性です。[40] [41]

タングステンの最も一般的な正式な酸化状態は+6ですが、-2から+6までのすべての酸化状態を示します。[41] [42]タングステンは典型的には酸素と結合して黄色の酸化タングステンWO 3を形成し、これがアルカリ水溶液に溶解してタングステン酸イオンWOを形成します。2−4
​。

炭化タングステン（W 2 CおよびWC）は、粉末状のタングステンを炭素と加熱することによって製造されます。W 2 Cは化学的侵食に対して耐性がありますが、塩素と強く反応して六塩化タングステン（WCl 6 ）を形成します。[18]

水溶液中では、タングステン酸塩は中性および酸性条件下でヘテロポリ酸およびポリオキソメタレート アニオンを与える。タングステン酸塩を酸で処理していくと、まず可溶性で準安定な「パラタングステン酸A」アニオンWが生成する。
7お6−24
歳これは、時間の経過とともに、より溶解性の低い「パラタングステン酸B」陰イオン、Hに変換されます。
2W
12お10−42
​[ 43]さらに酸性化すると、非常に溶解性の高いメタタングステン酸アニオンH
2W
12お6〜40
歳、その後平衡に達する。メタタングステン酸イオンは、12個のタングステン-酸素八面体からなる対称的なクラスターとして存在し、 ケギン陰イオンとして知られる。他の多くのポリオキソメタレート陰イオンは準安定種として存在する。メタタングステン酸の中心にある2つの水素原子の代わりにリンなどの異なる原子を導入することで、リンタングステン酸H 3 PW 12 O 40のような多様なヘテロポリ酸が得られる。

三酸化タングステンはアルカリ金属と層間化合物を形成することがあります。これらはブロンズとして知られ、例えばナトリウムタングステンブロンズが挙げられます。

気体状態では、タングステンは二原子分子種W 2を形成します。これらの分子は、タングステン原子間の6重結合を特徴としており、これは安定原子の中で最も高い結合次数です。[44] [45]

歴史

1781年、カール・ヴィルヘルム・シェーレは、灰重石（当時はタングステンと呼ばれていた）から新しい酸、タングステン酸を生成できることを発見しました。 [46] [47]シェーレとトルベルン・ベルクマンは、この酸を還元することで新しい金属が得られるかもしれないと示唆しました。[48] 1783年、ホセ・エルフヤールとファウスト・エルフヤールは、タングステン酸と同一のウルフラマイトから得られる酸を発見しました。同年後半、スペイン、ベルガラの王立バスク協会で、兄弟はこの酸を木炭で還元することでタングステンを単離することに成功し、この元素（彼らはこれを「ウルフラム」または「ボルフラム」と呼んだ）の発見者として認められました。[49] [50] [51] [52] [53]

タングステンの戦略的価値が注目されるようになったのは20世紀初頭である。1912年に英国当局はカーロック鉱山をドイツ所有のカンブリア鉱山会社から解放し、第一次世界大戦中にはドイツ軍の他地域へのアクセスを制限した。[54]第二次世界大戦では、タングステンは裏の政治的駆け引きでより重要な役割を果たした。ヨーロッパにおけるタングステンの主要供給源であるポルトガルは、パナスケイラに鉄マンガン重石の鉱床があったため、両陣営から圧力を受けた。タングステンは耐熱性、硬度、密度、合金の強化といった望ましい特性から、兵器産業にとって重要な原料であった。[55] [56]兵器や装備の材料として、また例えば鋼鉄機械加工用の炭化タングステン切削工具などの製造にも使用された。現在、タングステンは、航空機やモータースポーツのバラストウェイト、ダーツ、防振ツール、スポーツ用具など、さまざまな用途に使用されています。

タングステンは、特許訴訟の対象となった元素の中では特異な存在です。1928年、米国裁判所はゼネラル・エレクトリック社による特許取得の試みを却下し、 1913年にウィリアム・D・クーリッジに付与された米国特許1,082,933号を無効としました。[57] [58] [59]

天文学者で錬金術師のティコ・ブラーエの庭だったと思われる場所で、タングステン鉄の残骸が発見されたと言われています。[60]

語源

タングステン(スウェーデン語で「重い石」を意味し、鉱物の灰重石および同様の密度の他の鉱物の古いスウェーデン語名) という 名前は、英語、フランス語、および他の多くの言語で元素の名前として使用されていますが、ウルフラム(またはボルフラム) はほとんどのヨーロッパ言語 (特にゲルマン語とスラブ語) で使用されており、化学記号Wの由来である鉱物ウルフラマイトに由来しています。[22]ウルフラマイトの名称は、ドイツ語のwolf rahm（「狼のすす、狼のクリーム」 ）に由来しており、1747年にヨハン・ゴットシャルク・ヴァレリウスがタングステンに付けた名称である。これはさらに、ラテン語のlupi spumaに由来しており、これは1546年にゲオルク・アグリコラが使用した名称である。これは英語で「狼の泡」と翻訳され、採掘中に大量の錫が消費されることを指し、まるで狼のように錫をむさぼり食うかのようだ。 [13]この命名は、エルツ山脈の鉱夫たちが様々な鉱物に付けた色とりどりの名前を付ける伝統に従っている。これは、当時知られていた貴重な金属を含んでいるように見える鉱物が、採掘されると何らかの「呪い」を受けるという迷信からである。コバルト（コボルド参照）、ピッチブレンド（ドイツ語のblenden 、 「盲目にする、欺く」参照）、ニッケル（オールド・ニック参照）は、同じ鉱夫の慣用句に由来する名前です。

発生

ウォルフラマイト鉱物（cm単位のスケール付き）

タングステンはこれまで、純粋な形で自然界に発見されていません。[61]タングステンは主に鉄マンガン重石と灰重石という鉱物中に存在します。[61]鉄マンガン重石は鉄マンガンタングステン酸塩(Fe,Mn)WO 4であり、鉄鉄鉱(FeWO 4 )とヒュブネライト(MnWO 4 )という2つの鉱物の固溶体です。一方、灰重石はタングステン酸カルシウム(CaWO 4 )です。その他のタングステン鉱物の存在量は中程度から非常に稀少であり、経済的価値はほとんどありません。

化合物

W 6 Cl 18（「三塩化タングステン」）の構造

タングステンは、酸化数-2から+6の化合物を形成する。より高い酸化数は常に酸化物として存在し、その地球上での存在と生物学的役割に関連している。中程度の酸化数は金属クラスターと関連していることが多く、非常に低い酸化数は通常CO錯体と関連している。タングステンとモリブデンの化学的性質は互いに強い類似性を示すが、より軽い同族元素であるクロムとは対照的である。例えば、タングステン(III)の相対的な希少性は、クロム(III)化合物の普及率とは対照的である。最も高い酸化数は、酸化タングステン(VI) (WO 3 )で見られる。[62]酸化タングステン(VI)は水性塩基に溶解し、タングステン酸塩(WO 4 2- )を形成する。このオキシアニオンはより低いpH値で凝縮し、ポリオキソタングステン酸塩を形成する。[63]

タングステンの幅広い酸化状態は、様々な塩化物に反映されている。 [62]

有機タングステン化合物は数多く存在し、様々な酸化状態をとっています。注目すべき例としては、三方晶系のW(CH 3 ) 6や八面体型のW(CO) 6などが挙げられます。

生産

ルワンダにおけるタングステン採掘は同国の経済の重要な部分を占めている。[64]
タングステン精鉱の生産、1946年

準備金

世界のタングステンの埋蔵量は320万トンで、その大部分は中国（180万トン）、カナダ（29万トン）[65] 、 ロシア（16万トン）、ベトナム（9万5000トン）、ボリビアにある。2017年現在、中国、ベトナム、ロシアがそれぞれ7万9000トン、7200トン、3100トンで主要な供給国となっている。カナダは唯一のタングステン鉱山の閉鎖により、2015年末に生産を停止した。一方、ベトナムは国内の精錬事業の大幅な最適化により、2010年代に生産量を大幅に増加させ、ロシアとボリビアを追い抜いた[66] 。

中国はタングステン製品の生産量だけでなく、輸出量と消費量においても依然として世界トップクラスです。需要の増加に伴い、中国国外でのタングステン生産量は徐々に増加しています。一方、中国からのタングステン供給は中国政府によって厳しく規制されており、違法採掘や採掘・精錬プロセスに起因する過度の汚染と闘っています。[67]

イギリスのダートムーアの端には、第一次世界大戦と第二次世界大戦中にヘマードン鉱山として採掘されたタングステン鉱床が大量に埋蔵されています。タングステン価格の高騰を受け、この鉱山は2014年に再開されましたが[68]、2018年に操業を停止しました[69]。

EU内では、オーストリアのフェルベルタール灰重石鉱床は数少ないタングステン鉱山の一つである。[70] ポルトガルはヨーロッパの主要タングステン生産国の一つであり、1910年から2020年までの鉱石精鉱には121ktのタングステンが含まれており、これは世界の生産量の約3.3%を占めている。[71]

タングステンはコンゴ民主共和国で観察される非倫理的な採掘慣行のために紛争鉱物とみなされています。[72] [73]

韓国のサンドン鉱山は、世界最大級のタングステン鉱山の一つで、789万トンの高品位タングステンが埋蔵されていると報告されているが、収益性の低さから1994年に閉鎖されたが、その後採掘権を再登録し、2024年に活動を再開する予定である。[74] [75]

抽出

タングステンは鉱石から数段階に分けて抽出されます。鉱石は最終的に酸化タングステン(VI)（WO 3 ）に変換され、これを水素または炭素と加熱することで粉末状のタングステンが製造されます。 [48]タングステンは融点が高いため、タングステンインゴットを鋳造することは商業的に実現可能ではありません。その代わりに、粉末状のタングステンを少量のニッケルまたは他の金属の粉末と混合し、焼結します。焼結の過程でニッケルがタングステンに拡散し、合金が生成されます。

タングステンはWF 6の水素還元によっても抽出できる。

WF 6 + 3 H 2 → W + 6 HF

または熱分解：[76]

WF 6 → W + 3 F 2 ( Δ H r = +)

タングステンは先物取引されておらず、ロンドン金属取引所のような取引所では追跡できません。タングステン業界では、契約の根拠として、Argus MediaやMetal Bulletinといった独立した価格指標を用いることが多いです。 [77]通常、タングステン精鉱またはWO 3の価格で提示​​されます。[66]

アプリケーション

ハロゲンランプ内のタングステンフィラメントのクローズアップ
タングステンカーバイドジュエリー

タングステンの約半分は硬質材料、特に炭化タングステンの製造に消費され、残りは合金や鋼鉄に主に使用されます。その他の化合物に使用されるのは10%未満です。[24]タングステンは延性脆性遷移温度が高いため、従来、粉末冶金、放電プラズマ焼結、化学蒸着、熱間静水圧プレス、熱可塑性プラスチック成形などの方法で製造されています。より柔軟な製造方法として、選択的レーザー溶融法があります。これは3Dプリンティングの一種であり、複雑な三次元形状を作成できます。[78]

産業

タングステンは主に、最も硬い炭化物の一つである炭化タングステン（WC）をベースとした硬質材料の製造に使用されます。WCは高導電性ですが、W₂Cはそれほど高導電性ではありません。WCは、耐摩耗性研磨材や、ナイフ、ドリル、丸鋸、ダイス、フライス加工工具、旋削工具などの「炭化物」切削工具の製造に使用され、金属加工、木工、鉱業、石油、建設業界で使用されています。[18]炭化工具は実際にはセラミックと金属の複合材料であり、金属コバルトがWC粒子を固定する結合材（マトリックス）として機能します。このタイプの産業用途は、現在のタングステン消費量の約60%を占めています。[79]

宝飾品業界では、焼結タングステンカーバイド、タングステンカーバイド/金属複合材、そして金属タングステン製のリングが製造されています。 [80] WC/金属複合リングは、コバルトの代わりにニッケルを金属マトリックスとして使用しています。これは、研磨するとより光沢が出るためです。製造業者や小売業者はタングステンカーバイドを金属と呼ぶことがありますが、実際にはセラミックです。[81]タングステンカーバイドは硬度が高いため、この素材で作られたリングは耐摩耗性が非常に高く、金属タングステン製のリングよりも光沢が長持ちします。しかし、タングステンカーバイド製のリングは脆く、強い衝撃を受けると割れることがあります。[82]

合金

タングステンの硬度と耐熱性は、有用な合金に貢献します。良い例は、18％ものタングステンを含むことができる高速度鋼です。 [83]タングステンは融点が高いため、UGM-27ポラリス潜水艦発射弾道ミサイルなどのロケットノズルなどの用途に適した材料です。[84]タングステン合金は、航空宇宙産業、自動車産業、放射線遮蔽など、幅広い用途で使用されています。[85]ハステロイやステライトなどのタングステンを含む超合金は、タービンブレードや耐摩耗部品やコーティングに使用されます。

タングステンは耐熱性に優れているため、銀や銅などの導電性の高い金属と組み合わせることでアーク溶接用途に有用です。銀や銅は必要な導電性を提供し、タングステンは溶接棒がアーク溶接環境の高温に耐えられるようにします。[86]

永久磁石

焼入れ（マルテンサイト）タングステン鋼（W約5.5～7.0%、C0.5～0.7%）は、その高い残留磁気と保磁力により、硬質永久磁石の製造に用いられました。これは、ジョン・ホプキンソン（1849～1898）が1886年という早い時期に指摘していた通りです。金属または合金の磁気特性は微細構造に非常に敏感です。例えば、タングステン元素自体は強磁性体ではありませんが（鉄は強磁性体です）、鋼中にこの割合でタングステンが存在すると、マルテンサイト相が安定化します。マルテンサイト相は、磁壁移動に対する抵抗が大きいため、フェライト（鉄）相よりも強磁性が強くなります。

軍隊

タングステンは、通常ニッケル、鉄、コバルトなどと合金にして重合金を作り、劣化ウランの代替として運動エネルギー貫通体に使用される。これは、劣化ウランの放射能が問題となる用途や、ウランの自然発火性が望ましくない場合（例えば、防弾チョッキを貫通するように設計された通常の小火器の弾丸）に用いられる。同様に、タングステン合金は砲弾、手榴弾、ミサイルにも使用され、超音速の榴散弾を生成してきた。ドイツは第二次世界大戦中、比較的小口径で軽量な野砲で非常に高い砲口速度と強化された装甲貫通力を達成するために、ゲーリッヒのスクイーズボア原理を用いた対戦車砲の設計にタングステンを使用した。この兵器は非常に効果的であったが、ヴォルフラム危機も一因となって砲弾の芯に使われるタングステンの不足により、その使用は制限された。[要出典]

タングステンは高密度不活性金属爆薬にも使用されており、高密度粉末として使用することで付随被害を軽減し、小半径内での爆薬の致死性を高めています。[87]

化学用途

硫化タングステン(IV)は高温潤滑剤であり、水素化脱硫触媒の成分である。[88]このような用途ではMoS2がより一般的に使用されている。[89]

酸化タングステンはセラミック釉薬に使用され、カルシウム/マグネシウムタングステン酸塩は蛍光灯に広く使用されています。結晶タングステン酸塩は、原子核物理学および核医学におけるシンチレーション検出器として使用されています。タングステンを含むその他の塩は、化学および日焼け産業で使用されています。[27]酸化タングステン（WO 3 ）は、石炭火力発電所にある選択接触還元（SCR）触媒に組み込まれています。これらの触媒は、アンモニア（NH 3 ）を使用して窒素酸化物（NO x）を窒素（N 2）と水（H 2 O）に変換します。酸化タングステンは、触媒の物理的強度を高め、触媒の寿命を延ばします。[90]タングステン含有触媒は、エポキシ化、 [91]酸化、[92]および水素化分解反応に有望です。[93]タングステンヘテロポリ酸は、多機能触媒の重要な成分です。[94] タングステン酸塩は光触媒として使用され、[95]硫化タングステンは電気触媒として使用されます。[96]

ニッチな用途

タングステンの高密度が求められる用途には、重り、カウンターウェイト、ヨットのバラストキール、民間航空機のテールバラスト、民間および軍用ヘリコプターのローターウェイト、NASCARやF1のレースカーのバラストなどがあります。[97]タングステンは密度が2倍弱であるため、鉛の釣り用おもりの代替品（ただし高価）と見なされています。劣化ウランも同様に高密度であるため、これらの目的に使用されます。2012年の火星探査機マーズ・サイエンス・ラボラトリーの突入部では、75kgのタングステンのブロックが「巡航バランスマス装置」として使用されました。タングステンはリベット留め用の台車として使用するには理想的な素材で、良好な結果を得るために必要な質量をコンパクトな棒で実現できます。タングステンとニッケル、銅、鉄などの高密度合金は、高品質のダーツ[98]（ダーツの直径を小さくし、より密集したダーツを製作するため）や人工フライ（タングステンビーズによりフライが素早く沈むため）に使用されている。タングステンは、 SWD M11/9サブマシンガンの発射速度を1300回転から700回転に落とすための重いボルトとしても使用されている。一部の弦楽器の弦にもタングステンが使用されている。[99] [100]タングステンは、 2機のボイジャー宇宙船の宇宙線システムの電子望遠鏡の吸収材として使用されている。[101]

金の代替

タングステンは密度が金に似ているため、金やプラチナの代わりとして宝飾品に使用することができます。[22] [102]金属タングステンは低アレルギー性で、金合金よりも硬い（炭化タングステンほど硬くはありませんが）ため、特にブラシ仕上げのデザインでは傷に強い指輪に適しています。

タングステンは密度が金と非常に似ており（タングステンは密度が金よりわずか0.36%低い）、価格も1000分の1程度であるため、金の延べ棒の偽造にも使用される。例えば、タングステン棒に金メッキを施す[103] [104] [105]。これは1980年代から観察されている[106]。また、既存の金の延べ棒に穴を開け、取り除いた金をタングステン棒に置き換える[107] 。密度は完全に同じではなく、金とタングステンのその他の特性も異なるが、金メッキされたタングステンは表面的な検査には合格する[103] 。

金メッキタングステンは、宝飾品や地金の形で中国（タングステンの主な供給源）から市販されている。[108]

エレクトロニクス

タングステンは高温でも強度を維持し、融点も高いため、白熱電球、ブラウン管、真空管のフィラメント、発熱体、ロケットエンジンのノズルなど、多くの高温用途に使用されています。[109]また、融点が高いため、タングステンは航空宇宙用途や、電気、加熱、溶接などの高温用途にも適しており、特にガスタングステンアーク溶接（タングステン不活性ガス（TIG）溶接とも呼ばれる）に適しています。[110]

ガスタングステンアーク溶接トーチで使用されるタングステン電極
タングステンフィラメントは白熱電球に使用され、加熱されて白熱する。

タングステンは導電性と比較的化学的に不活性であることから、電極や、電子顕微鏡などの電界放出銃を用いた電子ビーム機器のエミッタチップにも使用されています。電子機器では、集積回路において二酸化ケイ素誘電体とトランジスタ間の接続材料として使用されています。また、従来の電子機器で使用されている配線を、シリコン上にタングステン（またはモリブデン）をコーティングしたものに置き換える金属膜にも使用されています。[76]

タングステンの電子構造は、X線ターゲット[111] [112]の主要な材料の一つであり、また高エネルギー放射線の遮蔽（放射性医薬品産業におけるFDGの放射性サンプルの遮蔽など）にも用いられています。また、優れた遮蔽特性を有することから、ガンマイメージングにおけるコード化アパーチャの材料としても使用されています。タングステン粉末は、弾丸、散弾、放射線遮蔽体に使用される鉛の無毒な代替品として使用されるプラスチック複合材料の充填材として使用されています。この元素の熱膨張率はホウケイ酸ガラスに類似しているため、ガラスと金属のシール材の製造に使用されています。[27]タングステンの高い融点に加えて、カリウムをドープすると、ドープされていないタングステンと比較して形状安定性が向上します。これにより、フィラメントがたるむことなく、望ましくない変化も発生しません。[113]

タングステンは、振動モーター（モバイルバイブレーターとも呼ばれる）の製造に使用されます。[114] これらのモーターは、着信、メッセージ、通知などをユーザーに触覚的に知らせるための不可欠な部品です。[115]タングステンの高密度、高硬度、耐摩耗性は、これらのモーターが生成する高速回転振動に耐えるのに役立ちます。[116] [117]

ナノワイヤ

トップダウンナノファブリケーションプロセスを通じて、タングステンナノワイヤは2002年から製造・研究されてきました。[118]特に高い表面積対体積比、表面酸化層の形成、そしてこの材料の単結晶性のため、その機械的特性はバルクのタングステンとは根本的に異なります。[119]このようなタングステンナノワイヤは、ナノエレクトロニクス、特にpHプローブやガスセンサーへの応用が期待されています。 [120]シリコンナノワイヤと同様に、タングステンナノワイヤはバルクのタングステン前駆体から製造され、その後、熱酸化工程を経て長さやアスペクト比などの形態が制御されることがよくあります。[121]ディール・グローブモデルを用いることで、このような熱酸化プロセスによって製造されたナノワイヤの酸化速度を予測することができます。[122]

核融合発電

タングステンは、その高い融点と優れた耐侵食性から、核融合 炉のプラズマ対向内壁の最も露出した部分に使用するための有力な候補材料である。プラズマ対向構成材料としてのタングステンは、共蒸着や注入によるトリチウム保持量が非常に低いという特徴があり、放射性物質の蓄積を最小限に抑えることで安全性を高め、核融合反応に利用できる燃料を増やすことで燃料効率を改善し、表面から頻繁に燃料を除去する必要性を減らすことで運転の継続性をサポートする。[123] ITER炉のダイバータのプラズマ対向材料として使用され、[124]現在、 JET試験炉で使用されている。

生物学的役割

原子番号Z = 74のタングステンは、生物学的に機能することが知られている最も重い元素です。一部の細菌や古細菌によって利用されていますが[125]、真核生物では利用されていません。例えば、酸化還元酵素と呼ばれる酵素は、モリブデンと同様にタングステンをモリブドプテリンとのタングステン-プテリン複合体で利用します（モリブドプテリンは名前にもかかわらずモリブデンを含みませんが、生体内でモリブデンまたはタングステンと錯体を形成する可能性があります）。タングステンを利用する酵素は、通常、カルボン酸をアルデヒドに還元します。[126]タングステン酸化還元酵素は酸化も触媒する可能性があります。最初に発見されたタングステンを必要とする酵素はセレンも必要とし、この場合、タングステンとセレンのペアは、モリブドプテリンを必要とする一部の酵素におけるモリブデンと硫黄のペアと類似した機能を果たす可能性がある。[127]酸化還元酵素ファミリーに属する酵素の一つで、タングステンを利用することがあるもの（細菌性ギ酸脱水素酵素H）は、モリブドプテリンのセレン-モリブデンバージョンを利用することが知られている。[128]アセチレンヒドラターゼは、水和反応を触媒するという点で珍しい金属酵素である。2つの反応機構が提案されており、そのうちの1つはタングステン原子とC≡C三重結合が直接相互作用するものである。[129]細菌由来のタングステン含有キサンチン脱水素酵素にはタングステンモリブドプテリンと非タンパク質結合セレンが含まれていることが発見されているが、タングステン-セレンモリブドプテリン複合体については明確に説明されていない。[130]

土壌中では、金属タングステンは酸化されてタングステン酸アニオンとなる。タングステン酸は一部の原核生物によって選択的または非選択的に取り込まれ、特定の酵素においてモリブデン酸の代替物となる可能性がある。これらの酵素に対するタングステン酸の作用は、場合によっては阻害的であり、場合によっては正の影響を与える。[131]土壌の化学的性質はタングステンの重合反応の仕方を決定する。アルカリ性土壌では単量体タングステン酸が、酸性土壌では重合体タングステン酸が生成される。[132]

タングステン酸ナトリウムと鉛は、ミミズへの影響について研究されています。鉛は低濃度でも致死的であるのに対し、タングステン酸ナトリウムは毒性がはるかに低いものの、タングステン酸ナトリウムはミミズの生殖能力を完全に阻害しました。[133]

タングステンは、モリブデンと同様の作用を持つ、生物学的銅代謝拮抗剤として研究されてきました。テトラチオタングステン酸塩 [zh]は、テトラチオモリブデン酸塩と同様に、生物学的銅キレート化合物として使用できることが分かっています。[134]

古細菌では

タングステンは一部の古細菌にとって必須です。以下のタングステンを利用する酵素が知られています。

wtpシステムは古細菌においてタングステンを選択的に輸送することが知られている。

健康要因

タングステンは希少金属[136]であり、その化合物は一般的に不活性であるため、環境への影響は限定的です。[137]地殻中のタングステンの含有量は約1.5 ppmと考えられています。タングステンは地球上で58番目に豊富な元素です。[138]

当初は比較的不活性で毒性もわずかである金属だと考えられていたが、2000年以降、試験管内および生体内での実験により、タングステン合金、その粉塵、微粒子ががんや動物およびヒトへのその他の悪影響を引き起こす危険性が浮き彫りになった。[139] [140]半数致死量LD50は動物や投与方法に大きく依存し、59 mg/kg（静脈内、ウサギ）[141] [142]から5000 mg/kg（タングステン金属粉末、腹腔内、ラット）[143] [144]まで変化する。

職場では、吸入、摂取、皮膚接触、眼接触などによりタングステンに曝露される可能性があります。米国国立労働安全衛生研究所（NIOSH）は、8時間労働で5mg/m 3、短期労働で10mg/m 3の推奨曝露限界値を設定しています。[145]

参照

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  • 物件、写真、歴史、MSDS
  • CDC – NIOSH 化学物質の危険性に関するポケットガイド
  • 周期表のビデオにおけるタングステン（ノッティンガム大学）
  • Heinrich Pniok のコレクションの写真 ( Wayback Machineで 2010-03-18 にアーカイブ)
  • Peter van der Krogt著のElementymologyとElements Multidict – Tungsten
  • 国際タングステン産業協会の公式ウェブサイト
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