一、基本信息
1.1 基本参数
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
|---|---|---|---|
| 元素符号 | W | 原子序数 | 74 |
| 相对原子质量 | 183.84 | CAS号 | 7440-33-7 |
| 元素周期 | 第6周期 | 元素族 | VIB族 |
| 元素分区 | d区 | 晶体结构 | 体心立方(bcc) |
| 外观 | 银灰色金属光泽 | 莫氏硬度 | 7.5 |
1.2 电子构型
钨原子有74个电子，分布在6个电子层中。价电子为5d和6s轨道上的6个电子，这决定了钨的主要氧化态为+6、+5、+4、+3、+2等。
1.3 原子参数
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 原子半径（计算值） | 193 pm |
| 共价半径 | 162±7 pm |
| 范德华半径 | 未知 |
| 电负性（鲍林标度） | 2.36 |
| 第一电离能 | 770 kJ/mol |
| 第二电离能 | 1700 kJ/mol |
二、物理性质
2.1 热学性质
| 性质 | 数值 | 条件/备注 |
|---|---|---|
| 熔点 | 3422°C (3695 K) | 所有金属最高 |
| 沸点 | 5930°C (6203 K) | 所有元素第二高 |
| 熔化热 | 35.3 kJ/mol | — |
| 汽化热 | 774 kJ/mol | — |
| 比热容 | 24.27 J/(mol·K) | 25°C |
| 热导率 | 173 W/(m·K) | 300 K |
| 线膨胀系数 | 4.5×10⁻⁶ /K | 25°C |
2.2 力学性质
| 性质 | 数值 |
|---|---|
| 密度 | 19.25 g/cm³ (20°C) |
| 莫氏硬度 | 7.5 |
| 维氏硬度 | 3430 MPa |
| 布氏硬度 | 2570 MPa |
| 杨氏模量 | 411 GPa |
| 剪切模量 | 161 GPa |
| 体积模量 | 310 GPa |
| 泊松比 | 0.28 |
| 抗拉强度 | 1510 MPa |
2.3 电磁性质
| 性质 | 数值 |
|---|---|
| 电阻率 | 52.8 nΩ·m (20°C) |
| 电导率 | 1.89×10⁷ S/m |
| 磁化率 | +59×10⁻⁶ cm³/mol |
| 磁性 | 顺磁性 |
| 超导临界温度 | 0.015 K |
2.4 晶体结构
晶格常数 a=3.165Å
稳定相
晶格常数 a=5.05Å
亚稳态
三、化学性质
3.1 与氧气的反应
钨在常温下不与氧气反应，表面会形成一层薄的氧化膜。加热到400°C以上开始氧化，600°C以上剧烈氧化。
3.2 与卤素的反应
钨与卤素在加热条件下反应，生成卤化钨。
3.3 与酸的反应
钨在常温下不溶于盐酸、硫酸、硝酸等单一酸，但可溶于氢氟酸与硝酸的混合酸。
3.4 与碱的反应
钨不与稀碱反应，但在氧化性熔融碱中反应。
3.5 与其他非金属的反应
3.6 氧化态与价态
| 氧化态 | 代表化合物 | 颜色 |
|---|---|---|
| +6 | WO₃, WF₆, Na₂WO₄ | 黄色/无色/白色 |
| +5 | WCl₅, W₂O₅ | 深绿色/蓝色 |
| +4 | WO₂, WCl₄, WS₂ | 棕色/黑色/灰色 |
| +3 | WCl₃, WBr₃ | 红色 |
| +2 | WCl₂ | 黄色 |
| 0 | W(CO)₆ | 无色 |
| -2 | [W(CO)₅]²⁻ | — |
四、同位素
钨有5种天然稳定同位素和30多种人工放射性同位素。天然钨由以下同位素组成：
4.1 天然稳定同位素
半衰期: 1.8×10¹⁸年
稳定同位素
稳定同位素
稳定同位素
半衰期: >4.1×10¹⁸年
4.2 主要放射性同位素
| 同位素 | 半衰期 | 衰变方式 | 应用 |
|---|---|---|---|
| ¹⁷⁸W | 21.6天 | 电子俘获 | 示踪剂 |
| ¹⁸¹W | 121.2天 | 电子俘获 | 放射性标记 |
| ¹⁸⁵W | 75.1天 | β⁻衰变 | 医学研究 |
| ¹⁸⁷W | 23.72小时 | β⁻衰变 | 地质定年 |
| ¹⁸⁸W | 69.78天 | β⁻衰变 | 核医学 |
五、发现历史
德国矿物学家阿格里科拉（Georgius Agricola）在其著作中首次记载了含钨矿物，描述其干扰锡的冶炼过程，被矿工称为"狼沫"（Wolfram）。
瑞典化学家克朗斯泰特（Axel Fredrik Cronstedt）发现了白钨矿（钨酸钙矿物），称其为"tungsten"（重石）。
瑞典化学家舍勒（Carl Wilhelm Scheele）分析白钨矿，发现其中含有一种新的酸（钨酸），并推测存在一种新元素。
西班牙化学家德卢亚尔兄弟（Juan José and Fausto Elhuyar）首次从黑钨矿中还原出金属钨，正式发现钨元素。
英国人罗伯特·奥克斯兰（Robert Oxland）获得第一个钨酸钠、钨酸和钨金属生产专利。
美国通用电气公司的库利奇（William D. Coolidge）发明延性钨丝生产工艺。
德国克虏伯公司开始商业化生产碳化钨硬质合金。
"Tungsten"源自瑞典语"tung"（重）+"sten"（石），意为"重石"，因白钨矿密度大而得名。元素符号"W"来自德语"Wolfram"（狼沫），因为钨矿在冶炼锡时会消耗锡，如同狼吞噬羊一样。
六、自然分布
6.1 主要矿物
最重要的钨矿石，含WO₃ 60-75%，呈黑褐色，比重7.1-7.9
第二重要的钨矿石，含WO₃ 约80%，呈灰白色，有荧光性
黑钨矿的铁端员，含WO₃ 76.3%
黑钨矿的锰端员，含WO₃ 76.6%
6.2 全球储量分布
全球探明钨储量约330万吨（以金属钨计），主要分布在以下地区：
6.3 中国主要矿区
全国最大产区
第二大产区
重要产区
黑钨矿为主
七、提取与冶炼
7.1 矿石预处理
钨矿石首先经过选矿富集，将WO₃含量提高到65%以上。
7.2 碱分解法（工业主流）
黑钨矿碱分解：
白钨矿碱分解：
7.3 酸分解法
7.4 钨酸制备
7.5 三氧化钨制备
7.6 金属钨还原
氢还原法（主要方法）：
分步还原过程：
碳还原法：
金属热还原法：
7.7 碳化钨制备
八、重要化合物
8.1 氧化物
| 分子量 | 231.84 |
| 外观 | 黄色粉末 |
| 熔点 | 1473°C |
| 密度 | 7.16 g/cm³ |
WO₃是最重要的钨化合物，是制备金属钨和其他钨化合物的主要原料。
| 分子量 | 215.84 |
| 外观 | 棕色至紫色粉末 |
| 熔点 | 1500°C（分解） |
| 密度 | 10.8 g/cm³ |
8.2 钨酸及钨酸盐
| 分子量 | 249.85 |
| 外观 | 黄色粉末 |
| 分解温度 | 100°C开始脱水 |
钨酸是弱酸，pKa1=3.5, pKa2=4.6
| 分子量 | 293.82（无水） |
| 外观 | 白色结晶 |
| 熔点 | 698°C |
| 溶解度 | 74.2 g/100mL (25°C) |
工业上最重要的钨化合物之一，用于制备其他钨化合物。
钨能形成多种同多酸，如仲钨酸盐和偏钨酸盐：
仲钨酸铵 (NH₄)₁₀[H₂W₁₂O₄₂]·4H₂O 是制备钨粉的重要中间体。
8.3 卤化物
| 化合物 | 外观 | 熔点 | 沸点 |
|---|---|---|---|
| WF₆ | 无色气体 | 2.3°C | 17.1°C |
| WCl₆ | 深蓝色晶体 | 275°C | 346°C |
| WCl₅ | 深绿色 | 248°C | 275°C |
| WCl₄ | 黑色 | — | — |
| WBr₆ | 深蓝色 | — | — |
| WBr₅ | 褐色 | 276°C | 333°C |
六氟化钨制备：
8.4 硫化物
| 分子量 | 247.97 |
| 外观 | 灰黑色粉末 |
| 晶体结构 | 层状六方结构 |
| 密度 | 7.5 g/cm³ |
WS₂具有类似石墨的层状结构，是优秀的固体润滑剂。
8.5 碳化物
| 分子量 | 195.85 |
| 外观 | 黑色粉末 |
| 熔点 | 2870°C |
| 密度 | 15.63 g/cm³ |
| 莫氏硬度 | 9-9.5（接近金刚石） |
碳化钨是硬质合金的主要成分，硬度仅次于金刚石。
8.6 配合物
六羰基钨是无色晶体，熔点169°C，可升华，用于化学气相沉积。
九、工业应用
碳化钨与钴粉烧结制成的硬质合金，硬度高、耐磨性好，用于制造切削工具、钻头、模具等。占钨消费量的50%以上。
钨丝用于白炽灯、卤钨灯；钨电极用于氩弧焊；钨靶用于X射线管；钨触点用于电器开关。
高速钢(含W 12-18%)用于切削工具；工具钢、模具钢；耐热钢用于航空发动机。
火箭喷嘴、导弹部件；航空发动机叶片；卫星和空间站部件；再入飞行器热防护。
穿甲弹弹芯；坦克装甲；炮管内衬；核武器部件（替代贫铀）。
石油加氢脱硫催化剂（WS₂）；化学合成催化剂；环保催化剂。
X射线屏蔽；放射治疗准直器；医疗器械；钨酸盐用于药物研究。
飞镖、高尔夫球杆配重；手机振动马达；汽车配重；渔具坠子。
9.1 硬质合金详细应用
| 牌号 | 成分 | 硬度(HRA) | 用途 |
|---|---|---|---|
| YG8 | WC 92% + Co 8% | 89 | 粗加工、矿山钻头 |
| YG6 | WC 94% + Co 6% | 90 | 半精加工 |
| YG3 | WC 97% + Co 3% | 92 | 精加工、拉丝模 |
| YT15 | WC+TiC 85% + Co 15% | 91 | 钢材加工 |
9.2 钨在钢中的作用
| 钢种 | 钨含量 | 特性 | 应用 |
|---|---|---|---|
| 高速钢 W18 | 17-19% | 高硬度、红硬性 | 切削工具 |
| 高速钢 W6 | 5.5-7% | 韧性好 | 钻头、铣刀 |
| 热作模具钢 | 1-5% | 耐热疲劳 | 压铸模 |
| 耐热钢 | 1-3% | 高温强度 | 汽轮机叶片 |
十、市场与价格
钨精矿(65% WO₃)参考价格
价格随市场波动，仅供参考
10.1 主要产品价格范围
| 产品 | 规格 | 参考价格 |
|---|---|---|
| 钨精矿 | WO₃ ≥65% | ¥115,000-125,000/吨 |
| 仲钨酸铵(APT) | WO₃ ≥88.5% | ¥165,000-175,000/吨 |
| 三氧化钨 | WO₃ ≥99.95% | ¥170,000-180,000/吨 |
| 钨粉 | W ≥99.95% | ¥280,000-320,000/吨 |
| 碳化钨 | Fsss 1-3μm | ¥220,000-250,000/吨 |
| 钨条/钨棒 | W ≥99.95% | ¥350,000-400,000/吨 |
10.2 全球钨生产分布
全球钨矿产量约9万吨/年（以金属钨计），主要生产国：
10.3 战略意义
钨被各国列为战略性关键矿产资源。中国拥有全球最大的钨矿储量和产量，是全球钨产业链的核心。欧盟、美国、日本等将钨列入关键原材料清单。
十一、安全与健康
钨粉具有可燃性，细粉可能发生粉尘爆炸。钨化合物的毒性因化合物类型而异，应注意防护。
11.1 职业接触限值
| 物质 | TWA (mg/m³) | STEL (mg/m³) |
|---|---|---|
| 金属钨及不溶性化合物 | 5 | 10 |
| 可溶性钨化合物 | 1 | 3 |
| 碳化钨（不含钴） | 5 | 10 |
| 硬质合金粉尘（含钴） | 0.05（以Co计） | — |
11.2 健康影响
长期吸入钨粉尘可能导致肺纤维化。硬质合金粉尘（含钴）可引起"硬金属病"，症状包括咳嗽、呼吸困难、肺功能下降。
金属钨对皮肤刺激性小。可溶性钨化合物可能引起皮肤过敏反应。
钨的口服毒性较低。钨酸钠LD50(大鼠经口)约1190 mg/kg。大量摄入可能影响肝肾功能。
11.3 防护措施
| 防护类型 | 建议措施 |
|---|---|
| 呼吸防护 | 使用P100或更高级别防尘口罩 |
| 眼部防护 | 佩戴防护眼镜或面罩 |
| 皮肤防护 | 穿戴防护手套和工作服 |
| 工程控制 | 保持良好通风，安装除尘设备 |
11.4 环境影响
钨在环境中的迁移性较低。钨酸盐可溶于水，但在土壤中易被吸附。钨不是生物必需元素，过量会抑制植物生长。废钨需要回收利用，避免环境污染。