التنغستن

                                                       نسيم ناصر العلي

التنغستن Tungstenعنصر معدني عدده الذري 74، وهو أحد عناصر المعادن الانتقالية d، في الفصيلة VIB (الفصيلة 16) بالدور السادس في الجدول الدوري، يطلق عليه هذا الاسم في البلاد الأنغلوسكسونية واللاتينية، في حين يدعى في ألمانيا وفي الدول السلافية وُلْفرام Wolfram ومنها أتى رمزه الكيميائيW؛ وكلمة تنغستن من أصل سويدي مشتقة من كلمتي tung ومعناها ثقيل و stenومعناها حجر.

يعود تاريخ التنغستن إلى القرن الثامن عشر، ففي عام 1758 حين اكتشفه السويدي كرونىستد F. Cronstedt؛ وهو كيميائي مختص بالفلزات minerals. تمكن الكيميائي السويدي شيليه Carl Wilhelm Scheele عام 1781 من عزل ثلاثي أكسيد التنغستن Wo₃. استعمله  الكيميائي النمسوي F.Koller عام 1855 في صناعة أنواع خاصة من التنغستن. في عام 1868 بدأ صانع الفولاذ الإنكليزي موشيت Mushet R. F. بصناعة الفولاذ ذاتي التقسية الحاوي تنغستن بنسبة 5.5%، كما استطاع الكيميائي الفرنسي H. Moissan عام 1890- عندما كان يجري تجارب خاصة لإنتاج الألماس- الحصول على مركبات ذات قساوة عالية جداً لم يكن أي منها ألماساً، وكان أحد هذه المركبات كربيد التنغستن، وكان لهذا الاكتشاف أثر كبير في تطور تقانة صناعة التنغستن.

وجود التنغستن في الطبيعة

يعد معدن التنغستن من المعادن النادرة في الطبيعة، إذ تبلغ نسبته في القشرة الأرضية 0.01%. لا يوجد في الطبيعة حراً، وإنما يكون متحداً مع معادن أخرى. أهم خاماته الهوبنريتhubnerite  MnWO₄، والولفراميت  wolframite، والفربريت ferberite FeWO₄ ومن خاماته الثانوية ألوموتنغستيت   alumotungstiteAlW₂O₆(OH)₃، والكوبروشيليت  cuprosheelite(Ca,Cu)WO₄، والفرالونيت Farrallonite 2MgO.W₂O₅.SiO₂.nH₂O، والهدروتنغسيت  hydrotungstiteH₂WO₄ -H₂O، والميماسيت meymacite   WO₃.2H₂O. توجد فلزات التنغستن في الأوساط التكتونية التي تتضمن مناطق التداخل والانزياح القارية والأقواس البركانية والحواف القارية، وهي قديمة يتوضع أحدثها في كندا. تتميز الصين بوجود أكبر مصادر التنغستن في العالم بنسبة35.5%، يليها كل من كندا وروسيا بنسبة 13%. كما اكتُشفت مصادر جديدة للتنغستن في كل من أستراليا وفييتنام والبيرو.

استحصال التنغستن

إن تعدين التنغستن قليل نسبياً، وقد بلغ الإنتاج العالمي لمعدن التنغستن 61000 طن في عام 2010. تستخرج رواسب التنغستن إما من المناجم المفتوحة وإما من المناجم الباطنية (تحت الأرض)، ويعتمد ذلك على العوامل التالية:

- موقع الرواسب وخواصها الفيزيائية.

- السمات السطحية التفصيلية للموقع.

- تكلفة الإنتاج.

1- طريقة المنجم المفتوح:

تتميز هذه الطريقة ببساطتها ورخصها، وهي مناسبة عندما تتوضع الفلزات قرب سطح الأرض وتغطي منطقة واسعة في الأعلى أكثر منها في باطن الأرض، وتجري عملية الاستخراج وفق الخطوات التالية:

-إزالة الطبقة السطحية التي تغطي الفلزات.

-القيام بأعمال الحفر المناسبة.

-القيام بعمليات التفجير الضرورية .

2- الطريقة الجوفية (باطن الأرض):

تحتاج عملية استخراج خامات التنغستن من باطن الأرض إلى عمليات الحفر الأفقية والعمودية، وتكسير الفلزات واستخدام التجهيزات المناسبة لمنع انهيار الصخور والأتربة داخل المنجم.

بعد استخراج خامات التنغستن تبدأ عمليات استحصال معدن التنغستن بنقاوة مقبولة.

معالجة خامات التنغستن (عمليات تحسين الخام)

بعد الحصول على الفلز من مناجم التنغستن، تبدأ عمليات فصله عن المعادن الأخرى وتنقيته، يلي ذلك تشكيل التنغستن على شكل مسحوق أو قضبان أو صفائح، وتوجد عدة طرائق لمعالجة خاماته. تؤدي خواص الفلز دوراً مهماً في تحديد طريقة المعالجة، من أهمها تلك التي تأخذ في الحسبان نوع المعادن المرافقة لمعدن التنغستن وتركيزها ضمن الخامات المستخرجة، كما أن للحجم الحبيبي للفلز دوراً مهماً في تحديد درجة تحرر معدن التنغستن. تتكون بوجه عام عملية المعالجة من خطوتين رئيسيتين، وهما تفتيت المادة الخام وتجميع (تكديس) خامات المعدن. تتم عملية تفتيت المادة الخام أيضاً بمرحلتين، هما تكسيرها باستخدام كسارات ومناخل هزازة تعمل جميعها ضمن دارة مغلقة، يلي عمليةَ التكسير عمليةُ الطحن باستخدام مطاحن كروية مغلقة، ثم تفتيت الفلز بفصل المواد الغريبة (أو تجميع خامات المعدن)، يتم ذلك بطرائق مختلفة من أهمها الطريقة الكيميائية والمغنطيسية والكهرساكنة، وتحت تأثير الثقالة وبالتعويم.

تعد عملية تجميع الفلز الخام وفصل المواد الغريبة عنه باستخدام طريقة الثقالة من أقدم الطرق المستخدمة في معالجة خامات التنغستن، ومن أهم التجهيزات المستخدمة في هذه الطريقة مخاريط خاصة وطاولات هزازة ومغاطس لفصل الخام. يبين المخطط (1) مراحل معالجة خامات التنغستن باستخدام هذه الطريقة.

المخطط (1) مراحل تهذيب خامات التنغستن باستخدام طريقة الثقالة.

أما الفصل بالطريقة المغنطيسية فيتم بتمرير الفلز المطحون على سيور ناقلة، ثم تعريضه لحقل مغنطيسي يستطيع جذب الجسيمات المغنطيسية. إذا احتوى الفلز على البيريت (ثنائي كبريتيت الحديد pyrite) والعقيق الأحمر garnet والإبيدوت epidote (سليكات الكلسيوم والألمنيوم والحديد المميهة) والكاسترايت  cassiterite(حجر القصدير) فإن عملية الفصل المغنطيسي هي طريقة مفيدة جداً في تقنية الفصل بالتعويم في فصل  الولفرفايت wolframite (تنغستات الحديد والمنغنيز) من الكاسترايت التي تتمتع بخواص لا مغنطيسية. إن العقيق والإبيدوت هي فلزات من المعتاد وجودها في الرواسب المتحولة، ولا يمكن فصلها جيداً بطريقة الفصل تحت تأثير الثقالة، لكن بسبب تمتعها بخواص مغنطيسية عالية يمكن إزالتها بسهولة من الفلزات الجافة بالفصل المغنطيسي عالي الشدة.

إذا ما وجد أكسيد الحديد المغنطيسي والإلمنيت ilmenite (خام من أكاسيد الحديد والتيتانيوم) في الخامات فإنه يمكن إزالتهما بسهولة بهذا الأسلوب. يمكن إزالة المقادير الصغيرة من البيريت من خامات تنغستات الكلسيوم scheelite بالشواء السطحي الذي يغير السطح الخارجي للبيريت ويجعله مغنطيسياً.

تعدالطريقة الكيميائية  لمعالجة خامات التنغستن من الطرائق المهمة، إذ يتم استخدام عدد من المواد الكيميائية لفصل التنغستن عن باقي الشوائب، يوضح المخطط (2) مراحل المعالجة بالطريقة الكيميائية بإضافة كربونات الصوديوم والأكسدة وفقاً للمعادلتين (1) و(2) المذكورتين ضمن المخطط.

المخطط (2) العمليات التي تخضع لها خامات التنغستن بعد خروجها من المنجم باستخدام الطريقة الكيميائية.

الخواص الفيزيائية للتنغستن

يتميز معدن التنغستن النقي بالخواص الفيزيائية التالية:

- له أعلى نقطة انصهار بين المعادن جميعها، وتبلغ 3422° س، وأقل ضغط بخار (100 كيلو باسكال عند الدرجة 5549.85°س).

- وزن كتلة واحدة الحجوم  19.3 غ/سم3 .

- يتدرج لونه ما بين الفضي اللامع والرمادي.

- قابليته للسحب والطرق.

- ذو ناقلية كهربائية وحرارية عاليتين.

- حرارة الانصهار  35.3 كيلوجول/مول.

- حرارة التبخر 806.7 كيلوجول/مول.

- له خواص ممتازة عند درجات الحرارة العالية ولا سيما القساوة؛ وذلك لارتفاع درجة حرارة انصهاره.

- يعدالتنغستن من المعادن الثقيلة، وله أصغر معامل تمدد بين المعادن (4.5×10^-6سم/م).

-     له قوة شد tensile strength عاليةجداً فوق الدرجة 1650°س.

للتنغستن شكلان بلوريان رئيسيان: ألفا بنيته البلورية مكعب مركزي  body-centered cubic، وبيتابنيته البلورية مكعب مركزي الوجوه face-centered cubic، وله أربعة نظائرمستقرة في الطبيعة وهي ¹⁸²W, ¹⁸³W, ¹⁸⁴W,¹⁸⁶W، والنظير المشع ¹⁸⁰W الذي يعد مستقراً نظراً لطول عمر نصفه (عمر نصفهt_1/2 يساوي¹⁴10×3 سنة). كما أن له النظائر المشعة ¹⁷⁹W, ¹⁸¹W, ¹⁸⁵W, ¹⁸⁷W, ¹⁸⁸W, ¹⁷⁷W, ¹⁷⁶W. توزعه الإلكتروني في الحالة الأساسية . إن وجود أربعة إلكترونات في المدار 5d يجعل حالة الأكسدةIVعامة، لكن يمكن أن يأخذ التنغستن حالات الأكسدةII, III, IV, V, VI.

الخواص الكيميائية للتنغستن

تتميز أكاسيد التنغستن بحالة الأكسدة III (W₂O₃)  باللون الأصفر، وبحالة الأكسدة IV (WO₂) باللون البني، كما توجد أكاسيد أخرى مثل:

يمكن أن توجد هاليدات التنغستن في حالات أكسدة التنغستن التاليةII, III, IV, VI، ولهذه المركبات درجات غليان منخفضة، وتتميز بتأثرها بالرطوبة والهواء. من أهمها سداسي كلوريد التنغستن WCl₆، وثنائي كلوريد التنغستنWCl₂، وفي حالة بروميد التنغستن يوجد في حالات الأكسدة VI, V, II، أما في حالة يوديد التنغستن فإنه يوجد في حالات الأكسدة II, IV، أما فلوريد التنغستن فإنه يأخذ حالة الأكسدةIV.

لا يتأثر مسحوق التنغستن بالأكسجين عند درجة الحرارة العادية، أما عند تسخينه إلى درجة الاحمرار بوجود الهواء فإنه يتأكسد إلى ثلاثي أكسيد التنغستن Wo₃ (المعادلة 3).

يتفاعل التنغستن مع الفلور مباشرةً عند درجة الحرارة العادية ويشكل فلوريد التنغستن السداسي WF₆ (المعادلة4 ).

ويتفاعل التنغستن مع الكلور Cl₂ والبروم Br₂ عند الدرجة 250°س ويتشكل على التوالي كلوريد التنغستن السداسي WCl₆ (المعادلة 5) وبروميد التنغستن WBr₆ (المعادلة 6). وبتفاعله مع الكلور في شروط خاصة متحكم بها يمكن أن يتشكل كلوريد التنغستن الخماسي WCl₅ (المعادلة 7). ولا يتفاعل التنغستن مع اليود عند درجة حرارة الاحمرار.

 يتأكسد التنغستن بالتسخين في وسط ثنائي أكسيد الكربون CO₂ عند درجة حرارة قرابة 1200°س، أو في وسط من أحادي أكسيد الكربون عند درجة 1000°س . كما تستطيع غازات أخرى وعناصر أخرى التفاعل مع التنغستن وفق شروط خاصة مثلNO₂, CS₂, NO, S, B, C, Si. ويبين الجدول (1)  شروط تفاعل التنغستن مع اللامعادن.

الجدول (1)

لا يتأثر التنغستن بحمض كلور الماء وحمض الفسفور ومحاليل الأمونيا وهدروكسيد الصوديوم بغياب الأكسجين. في حال تعرض التنغستن لحمض كلور الماء الممدد عدة ساعات عند الدرجة 110°س تتشكل طبقة من الأكسيد. أما في حالة مزيج من  HCl وHF  فإنها سوف تهاجم التنغستن بشدة. في حال وضع التنغستن في مصهور هدروكسيد الصوديوم أو البوتاسيوم بوجود مؤكسد أو وسط من الأكسجين فإنه يتشكل أكسيد التنغستن. ويبين الجدول (2) تفاعل معدن التنغستن مع الحموض والأسس، كما يبين الجدول (3) أهم مركبات التنغستن وخواصها.

الجدول (3) أهم مركبات التنغستن وخواصها

المركب الصيغة الكيميائية المظهر نقطة الانصهار( °س) وزن واحدة الحجوم (غ/سم3) التنغستن  W لونه بين الأبيض والرمادي اللامع 3410 19.3 ثنائيأكسيد التنغستن WO2 أزرق صلب يتفكك ما بين 1500 و1700 10.82 أكسيد التنغستن (VI) Wo3  أصفر فاتح صلب 1472 7.2 كربيد التنغستن WC رمادي صلب 2785 15.6 كربيد التنغستن الثنائي  W2C صلب 2800 14.8 سداسي كربونيل التنغستن WC6O6 أبيض صلب يتفكك عند الدرجة 170 2.65 سداسي كلوريد التنغستن  WCl6 أرجواني صلب 275 3.52 تنغستات الصوديوم المائية     أبيض صلب يتفكك عند الدرجة 100 3.25 تنغستات الأمونيوم أبيض صلب - - سداسي فلوريد التنغستن WF6  سائل أصفر 2.3 12.173

استعمالات التنغستن

استُعمل التنغستن ومركباته الفريدة من نوعها في كثير من الصناعات والتطبيقات. فقد استطاع المهندسان الأمريكيان تيلور Taylor ووايت White إنتاج أدوات قص فولاذية عالية السرعة، عرضت لأول مرة في معرض باريس الدولي عام 1900.  وصنعت في عام 1903 أسلاك التنغستن المستخدمة في المصابيح الكهربائية، وفي عام 1935 أنتِجت السبائك (الخلائط) التنغستينية الثقيلة. ودخل معدن التنغستن حديثاً في كثير من الصناعات الدفاعية والتكنولوجية والمعلوماتية والبحثية، ومن أهمها:

  1.    الصناعات الإلكترونية والمصابيح الكهربائية والمصابيح المتفلورة (ذات الألق) fluorescence.

  2.    صناعة الأدوات الفولاذية المستعملة في السرع الدورانية العالية.

  3.     صناعة سبائك الفولاذ ذات الاستخدامات الخاصة عند درجات الحرارة العالية، إذ يستطيع التنغستن زيادة قساوة الفولاذ ومقاومته الحرارية عند درجات الحرارة المرتفعة. وهو يدخل في تكوين سبائك عديدة منها سبائكه مع التيتانيوم. ويكوّن مع النيكل والكوبلت سبائك تراوح نسبته فيها بين1.5 و25 بالمئة وزناً تستعمل في  حفر المناجم. كما يدخل في تركيب سبائك أساسها نيكل أو حديد أو مزيج من الحديد والنيكل (يضاف إليها أحياناً الموليبدنيوم) أو مع النحاس. ويستفاد في هذه السبائك جميعها من الخصائص المميزة للتنغستن.

  4.    يستخدم كربيد التنغستن في أدوات الحفر والقطع والتنقيب عن النفط وفي القذائف الخارقة للدروع وفي حفر الأسنان.

  5.    الأصبغة والأحبار.

  6.    صناعة بعض أنواع السيراميك.

  7.    صناعة الراديو والتلفاز والهاتف والرادار.

  8.    بعض الصناعات الكيميائية التي تستخدم حمض التنغستن.