W, un élément chimique du groupe VI du système périodique de Mendeleïev. Numéro atomique, 74; poids atomique, 183,85. C’est un métal lourd réfractaire de couleur gris clair. Le tungstène naturel se compose d’un mélange de cinq isotopes stables avec des nombres de masse 180, 182, 183, 184 et 186.

Le tungstène a été découvert et isolé sous forme d’oxyde tungstique (WO3) en 1781 par le chimiste suédois K. Scheele à partir du tungstène minéral, qui a ensuite été appelé scheelite. En 1783, les chimistes espagnols, les frères d’Elhuyar, ont préparé WO3 à partir du minéral wolframite et, en réduisant WO3 avec du carbone, ont été les premiers à obtenir le métal réel, qu’ils ont appelé tungstène. La wolframite minérale actuelle était également connue d’Agricola (XVIe siècle); il l’appelait spuma lupi (crème de loups) parce que le tungstène, qui accompagne toujours les minerais d’étain, interférait avec la fusion de l’étain, le transformant en mousse ou en écume de scories (« il dévore l’étain comme le loup dévore les moutons »). Aux États-Unis et dans d’autres pays, l’élément était également appelé tungstène (suédois, « pierre lourde »). Pendant longtemps, le tungstène n’a pas été utilisé industriellement. Ce n’est que dans la seconde moitié du 19ème siècle que les effets du tungstène sur les propriétés de l’acier ont été étudiés.

Le tungstène est peu distribué dans la nature; sa teneur en croûte terrestre est de 1 x 10 ~ 4% en poids. Il ne se trouve pas à l’état libre, mais forme ses propres minéraux, principalement des états tung, parmi lesquels la wolframite, (Fe, Mn) WO4, et la scheelite, CaWO4, sont d’importance industrielle.

Propriétés physiques et chimiques. Le tungstène cristallise dans un système de treillis cubique centré sur le corps de dimension a = 3,1647 angstroms. Densité, 19,3 g / cm3; point de fusion, 3410 ° + 20 ° C; point d’ébullition, 5900 ° C. Conductivité thermique (cal / cm-sec- ° C), 0,31 à 20 ° C et 0,26 à 1300 ° C; résistance électrique spécifique (ohms · cm x 10 ~ 6), 5,5 à 20 ° C et 90,4 à 2700 ° C; fonction de travail électronique, 7,21 x 10 ~ 19 joules (J), ou 4,55 volts d’électrons (Ev); coefficient de rayonnement à haute température (watts par cm carré), 18,0 à 1000 ° C, 64,0 à 2200 ° C, 153,0 à 2700 ° C et 255.0 à 3030 ° C. Les propriétés mécaniques du tungstène dépendent de son traitement précédent. La résistance à la traction (kilogrammes de force par mm carré) des lingots frittés est de 11 et celle des lingots traités sous pression de 100 à 430; le module élastique est de 35 000 à 38 000 dans le cas du fil et de 39 000 à 41 000 pour les fils monocristallins. La dureté brinell des lingots frittés est de 200 à 230 et celle des lingots forgés de 350 à 400 (1 kgf / mm2 ≈ 10 méganewtons par mètre carré). À température ambiante, la plasticité du tungstène est faible.

Dans des conditions ordinaires, le tungstène est chimiquement stable. À 400-500° C, le métal dense est sensiblement oxydé à l’air en WO3. Au-dessus de 600° C, la vapeur l’oxyde vigoureusement en WO2. Les halogènes, le soufre, le carbone, le silicium et le bore réagissent avec le tungstène à des températures élevées; le fluor réagit avec la poudre de tungstène à température ambiante. L’hydrogène ne réagit pas avec le tungstène à des températures allant jusqu’au point de fusion. Le tungstène forme un nitrure avec de l’azote au-dessus de 1500 ° C. Dans des conditions ordinaires, le tungstène résiste aux acides chlorhydrique, sulfurique, nitrique et fluorhydrique, ainsi qu’à l’eau régale; à 100 ° C, il réagit légèrement avec eux et se dissout rapidement dans un mélange d’acides fluorhydrique et nitrique. Lors du chauffage, le tungstène se dissout légèrement dans des solutions d’alcalis, et il se dissout rapidement dans des alcalis fondus avec l’ajout d’air ou d’agents oxydants; des tungstates se forment au cours de ce processus. Dans ses composants, le tungstène a une valence de 2 à 6; les composés de valence supérieure sont les plus stables.

Le tungstène forme quatre oxydes, dont le plus élevé est le trioxyde WO3 (trioxyde de tungstène) et le plus bas le dioxyde WO2, avec deux oxydes intermédiaires, W10O29 et W4O11. Le trioxyde de tungstène est une poudre jaune citron, qui se dissout dans des solutions d’alcalis avec la formation de tungstates. Lors de la réduction avec de l’hydrogène, il donne successivement les oxydes inférieurs et le tungstène. L’acide tungstique (H2WO4), une poudre jaune pratiquement insoluble dans l’eau et les acides, correspond au trioxyde de tungstène. Des solutions de tungstates se forment lors de sa réaction avec des solutions d’alcalis et d’ammoniac. À 188° C, H2WO4 perd de l’eau et forme WO3. Le tungstène forme une série de chlorures et d’oxychlorures avec le chlore. Les plus importants sont WC16 (point de fusion, 275 ° C; point d’ébullition, 348 ° C) et WO2Cl2 (point de fusion, 266 ° C; sublimés au-dessus de 300 ° C), qui sont produits par l’action du chlore sur le trioxyde de tungstène en présence de carbone. Le tungstène forme deux sulfures avec le soufre, WS2 et WS3. Les carbures de tungstène WC (point de fusion, 2900 ° C) et W2C (point de fusion, 2750 ° C) sont des composés réfractaires solides; ils sont produits à partir de tungstène et de carbone à 1000-1500 ° C.

Préparation et utilisation. Les concentrés de wolframite et de scheelite (50 à 60% de WO3) sont la matière première pour la préparation du tungstène. Le ferrotungsten (un alliage de fer contenant 65 à 80% de tungstène), qui est utilisé dans la production d’acier, est fondu directement à partir des concentrés; le trioxyde de tungstène est fondu pour obtenir du tungstène et ses alliages et composés. Plusieurs méthodes sont utilisées dans l’industrie pour obtenir WO3. Les concentrés de schéélite sont décomposés par une solution de soude à 180-200 ° C dans des autoclaves (pour produire une solution industrielle de tungstate de sodium) ou avec de l’acide chlorhydrique (pour produire de l’acide tungstique industriel):

(1)CaWO4 (solide) + Na2CO3 (liquide) = Na2WO4 (liquide) +CaCO3 (solide)

(2) CaWO4 (solide) + 2HC1 (liquide) = H2WO4 (solide) + CaCl2 (liquide)

Les concentrés de wolframite sont décomposés soit par frittage avec de la soude à 800-900 ° C, suivi d’une lixiviation du Na2WO4 avec eau, ou en chauffant avec une solution de soude caustique. La décomposition avec des réactifs alcalins (soude ou soude caustique) donne une solution de Na2WO4 qui contient des impuretés. Une fois les impuretés éliminées, H2WO4 est isolé de la solution. (Pour produire des précipités plus grossiers et plus faciles à filtrer et à laver, CaWO4 est d’abord précipité à partir de la solution de Na2WO4, puis décomposé avec de l’acide chlorhydrique.) Le H2WO4 séché contient 0,2 à 0,3% d’impuretés. La calcination de H2WO4 à 700-800 ° C donne WO3, à partir duquel des alliages durs peuvent être produits. Pour produire du tungstène métallique, H2WO4 est encore purifié par la méthode de l’ammoniac, c’est-à-dire en le dissolvant dans de l’ammoniac et en cristallisant le paratungstate d’ammonium, 5 (NH4) 2O · 12WO3 · »H2O. La calcination de ce sel donne du WO3 pur.

La poudre de tungstène est produite par réduction de WO3 par l’hydrogène (le carbone est également utilisé dans la fabrication de métaux durs) dans des fours à tubes électriques à 700-850 ° C. Le métal compact est fabriqué à partir de la poudre par la méthode de métallurgie des poudres, c’est—à-dire par compression dans des moules en acier à des pressions de 3-5 tonnes – force par cm2 et traitement thermique des billettes. La dernière étape du traitement thermique, le chauffage à environ 3000 ° C, est réalisée dans un appareil spécial, avec passage direct d’un courant électrique à travers les billettes dans une atmosphère d’hydrogène. Le tungstène qui se prête bien au traitement sous pression (forgeage, étirage et laminage) après chauffage est produit à la suite de ce processus. Les cristaux de tungstène simples sont obtenus à partir des billettes par la méthode de fusion de la zone de faisceau d’électrons sans creuset.

Dans la technologie moderne, le tungstène est largement utilisé à la fois comme métal pur et sous la forme d’un certain nombre d’alliages, dont les plus importants sont les aciers alliés, les alliages durs à base de carbure de tungstène et les alliages résistants à l’usure et à la température. Le tungstène est un composant d’un certain nombre d’alliages résistants à l’usure utilisés pour enduire les surfaces des pièces de machines (soupapes des moteurs d’avion, aubes de turbine, etc.). Des alliages de tungstène résistant à la température avec d’autres métaux réfractaires sont utilisés dans l’aviation et la fusée. Son point de fusion élevé et sa faible pression de vapeur à des températures élevées rendent le tungstène indispensable pour les filaments de lumière électrique, ainsi que pour la fabrication de pièces d’appareils électriques sous vide en radioélectronique et en technologie des rayons X. Plusieurs composés chimiques du tungstène sont utilisés dans différents domaines technologiques — par exemple, le Na2WO4 dans les industries de la peinture et du vernis et du textile, et le WS2 comme catalyseur dans la synthèse organique et lubrifiant solide efficace pour les pièces exposées au frottement.