Wolfram

Sifat fisika

Dalam bentuk mentahnya, wolfram adalah logam abu-abu keras yang sering rapuh dan sulit untuk diolah. Jika dibuat sangat murni, wolfram mempertahankan kekerasannya (yang melebihi kebanyakan baja), dan menjadi lunak cukup sehingga mudah diolah. Ia diolah melalui penempaan, penarikan, atau ekstrusi. Objek wolfram juga biasa dibentuk melalui sintering.
Dari seluruh logam dalam bentuk murni, wolfram memiliki titik leleh tertinggi (3422 °C (6192 °F)), tekanan uap terendah (pada suhu di atas 1650 °C (3000 °F)) dan kekuatan tarik tertinggi. Meskipun karbon tetap padat pada suhu yang lebih tinggi daripada wolfram, karbon menyublim pada tekanan atmosfer dan bukannya mencair, jadi tidak mempunyai titik lebur. Wolfram memiliki koefisien ekspansi termal terendah daripada logam murni manapun. Ekspansi termal yang rendah dan titik lebur yang tinggi dan kekuatan tarik wolfram berasal dari ikatan kovalen yang kuat yang terbentuk antara atom wolfram oleh elektron 5d. Memadu sejumlah kecil wolfram dengan baja sangat meningkatkan ketangguhannya.
Wolfram ada dalam dua bentuk kristal utama: α dan β. Bentuk pertama memiliki struktur kubus pusat badan dan bentuknya lebih stabil. Struktur fase β disebut A15 kubik; ia metastabil, namun dapat berdampingan dengan fasa α pada kondisi ambien karena sintesis atau stabilisasi non-ekuilibrium oleh ketakmurnian. Bertentangan dengan fase α yang mengkristal dalam butir isometrik, bentuk β menunjukkan perawakan kolumnar. Fasa α memiliki sepertiga resistivitas listrik dan suhu transisi superkonduksi TC yang jauh lebih rendah dibandingkan fase β: ca. 0,015 K vs 1-4 K; mencampur dua fase memungkinkan memperoleh nilai TC menengah. Nilai TC juga dapat dinaikkan dengan memadukan wolfram dengan logam lain (misalnya 7,9 K untuk W-Tc). Paduan wolfram semacam itu kadang-kadang digunakan pada sirkuit superkonduksi suhu rendah.

Isotop

Wolfram alami terdiri dari lima isotop dengan waktu paruh begitu lama sehingga bisa dianggap stabil. Secara teoretis, kelimanya dapat meluruh menjadi isotop unsur 72 (hafnium] melalui emisi alfa, namun hanya ¹⁸⁰W yang telah diamati dengan waktu paruh (1,8 ± 0,2)×10¹⁸ tahun; rata-rata, ini menghasilkan sekitar dua peluruhan alfa ¹⁸⁰W dalam satu gram wolfram alami per tahun. Isotop alami lainnya belum diamati peluruhannya, karena terkendala oleh waktu paruh mereka yang setidaknya 4×10²¹ tahun.
Sebanyak 30 radioisotop wolfram artifisial lainnya telah diidentifikasi, yang paling stabil adalah ¹⁸¹W dengan waktu paruh 121,2 hari, ¹⁸⁵W dengan waktu paruh 75,1 hari, ¹⁸⁸W dengan waktu paruh 69,4 hari, ¹⁷⁸W dengan waktu paruh 21,6 hari, dan ¹⁸⁷W dengan waktu paruh 23,72 jam. Semua isotop radioaktif yang tersisa memiliki waktu paruh kurang dari 3 jam, dan sebagian besar memiliki waktu paruh di bawah 8 menit. Wolfram juga memiliki 4 isotop metastabil, yang paling stabil adalah ¹⁷⁹ᵐW (t1/2 6,4 menit).

Sifat kimia

Unsur wolfram menahan serangan oleh oksigen, asam, dan alkali.
Bentuk keadaan oksidasi wolfram yang paling umum adalah +6, tetapi ia menunjukkan semua tingkat oksidasi mulai -2 hingga +6. Wolfram biasanya bergabung dengan oksigen membentuk wolframat oksida, WO₃, yang berwarna kuning dan larut dalam larutan alkali membentuk ion wolframat, WO2−4.
Wolfram karbida (W₂C dan WC) dibuat melalui pemanasan serbuk wolfram dengan karbon. W₂C tahan terhadap serangan bahan kimia, meskipun ia mudah bereaksi dengan klorin membentuk wolfram heksaklorida (WCl₆).
Dalam larutan akuatik, wolframat memberikan asam heteropoli dan anion polioksometalat pada kondisi netral dan asam. Oleh karena wolframat secara progresif diberi perlakuan dengan asam, ia pertama menghasilkan anion "parawolframat A" yang metastabil dan mudah larut, W₇O6–24, yang seiring berjalannya waktu berubah menjadi anion "parawolframat B" yang kurang dapat larut, H₂W₁₂O10−42. Asidifikasi lebih lanjut menghasilkan anion metawolframat, H₂W₁₂O6–40, yang sangat mudah larut setelah tercapai kesetimbangan. Ion metawolframat berada sebagai cluster simetris dari duabelas oktahedra wolfram-oksigen yan diketahui sebagai anion Keggin. Banyak anion polioksometalat lainnya berada sebagai spesies metastabil. Dimasukkannya atom yang berbeda seperti fosfor sebagai pengganti dua atom hidrogen utama dalam metawolframat menghasilkan berbagai macam asam heteropoli, seperti asam fosfowolframat H₃PW₁₂O₄₀.
Wolfram trioksida dapat membentuk senyawa interkalasi dengan logam alkali. Ini dikenal sebagai perunggu; contohnya adalah perunggu natrium wolfram.

History

Pada tahun 1781, Carl Wilhelm Scheele menemukan bahwa suatu asam baru, asam wolframat, dapat dibuat dari scheelit (saat itu bernama tungsten). Scheele dan Torbern Bergman menyarankan bahwa mungkin akan diperoleh logam baru dengan mereduksi asam ini. Pada tahun 1783, José dan Fausto Elhuyar menemukan suatu asam yang dibuat dari wolframit yang identik dengan asam wolframat. Pada akhir tahun tersebut, pada Royal Basque Society di kota Bergara, Spanyol, Elhuyar bersaudara sukses mengisolasi wolfram dengan mereduksi asam ini dengan arang, dan mereka dianugerahi sebagai penemu unsur wolfram.
Dalam Perang Dunia II, wolfram memainkan peran signifikan dalam urusan berlatar belakang politik. Portugal, sebagai sumber wolfram utama di Eropa, berada di bawah tekanan kedua belah pihak, karena deposit bijih wolframitnya di Panasqueira. Sifat wolfram yang diinginkan seperti ketahanannya terhadap suhu tinggi, kekrasan dan kepadatannya, dan sifatnya yang dapat menguatkan jika digunakan dalam logam paduan, membuat wolfram sebagai bahan mentah penting dalam industri senjata, baik sebagai konstituen senjata maupun peralatan yang digunakan untuk produksi senjata, misalnya alat pemotong wolfram karbida untuk mesin-mesin baja.

Etimologi

Nama "tungsten" (dari Swedia tung sten, "batu berat") digunakan di Inggris, Prancis, dan banyak bahasa lainnya sebagai nama unsur ini, tetapi tidak di negara-negara Nordik. Tungsten adalah nama Swedia kuno untuk mineral scheelit. Nama lain "wolfram" (atau "volfram") digunakan di sebagian besar bahasa Eropa (terutama Jerman dan Slavia), dan diturunkan dari mineral wolframit, yang merupakan asal-usul lambang kimia wolfram, W. Nama wolframit diturunkan dari bahasa Jerman "wolf rahm" ("jelaga serigala" atau "krim serigala"), namanya tungsten diberikan oleh Johan Gottschalk Wallerius pada tahun 1747. Ini, pada gilirannya, diturunkan dari "lupi spuma", nama yang digunakan oleh Georg Agricola untuk unsur ini pada tahun 1546, yang diterjemahkan ke bahasa Inggris sebagai "wolf's froth" (busa serigala), dan ini merujuk pada jumlah konsumsi besar timah oleh mineral ini selama ekstraksi.

Keterjadian

Wolfram ditemukan dalam wolframit (besi-mangan wolframat (Fe,Mn)WO₄ sebagai larutan padat mineral ferberit FeWO₄ dan hübnerite MnWO₄), dan scheelit (kalsium wolframat (CaWO₄). Mineral wolfram lainnya relatif langka dan tidak memiliki nilai ekonomis. Mereka mencakup wolfram alami yang baru saja disetujui.

Aplikasi

Sekitar setengah dari wolfram dikonsumsi untuk produksi bahan (material) keras – sebut saja wolfram karbida – dengan sisanya diutamakan dalam logam paduan dan baja. Hanya kurang dari 10% yang digunakan dalam senyawa kimia lainnya.

Material keras

Penggunaan utama wolfram adalah dalam produksi material keras berbasis wolfram karbida, salah satu karbida terkeras, dengan titik lebur 2770 °C (5020 °F). WC adalah penghantar listrik yang efisien, tetapi W₂C kurang. WC digunakan untuk membuat abrasif yang tahan aus, dan alat potong "karbida" seperti pisau, bor, gergai lingkar, mesin giling dan mesin bubut logam yang digunakan pada pengolahan besi, pengolahan kayu, pertambangan, industri minyak bumi dan konstruksi. Peralatan karbida sejatinya adalah komposit keramik/logam, dengan logam kobalt bertindak sebagai bahan pengikat (matriks) untuk menahan partikel WC tetap di tempatnya. Penggunaan industrial jenis ini menyumbang 60% konsumsi wolfram saat ini.
Industri perhiasan membuat cincin dari wolfram karbida yang disinter, komposit wolfram karbida/logam, dan juga logam wolfram. Cincin komposit WC/logam menggunakan nikel sebagai logam matriks untuk menahan kobalt karena ia menghasilkan kilau yang lebih tinggi jika dipoles. Kadang-kadang pabrikan atau retailer merujuk wolfram karbida sebagai logam, tetapi sejatinya ia adalah keramik. Cincin yang terbuat dari wolfram karbida sangat tahan abrasi (tahan gores), karena kekerasannya, dan akan memerlukan waktu penyelesaian lebih lama daripada cincin yang terbuat dari logam wolfram. Namun, cincin wolfram karbida bersifat rapuh, dan dapat retak di bawah pukulan tajam.

Logam paduan

Kekerasan dan kerapatan wolfram diterapkan dalam memperoleh paduan logam berat. Contoh yang bagus adalah baja kecepatan tinggi, yang mengandung wolfram sebanyak 18%. Tingginya titik leleh wolfram membuat wolfram bahan yang bagus untuk aplikasi seperti nosel roket, contohnya pada UGM-27 Polaris, suatu rudal balistik kapal selam. Paduan wolfram digunakan dalam beragam aplikasi yang berbeda, termasuk industri dirgantara dan otomotif serta pemerisaian radiasi. Superalloy yang mengandung wolfram, seperti Hastelloy dan Stellite, digunakan dalam bilah turbin dan bagian yang tahan aus dan bahan penyalut. Baja wolfram kuensil (martensit) (sekitar 5,5% sampai 7,0% W dengan 0,5% sampai 0,7% C) digunakan untuk membuat magnet permanen yang keras, karena tingginya remanensi dan koersivitas, seperti dinyatakan oleh John Hopkinson (1849 - 1898) di awal tahun 1886. Sifat magnet suatu logam atau paduan sangat sensitif terhadap struktur mikro. Contohnya, sementara unsur wolfram tidak feromagnetik (tetapi besi feromagnetik), ketika berada dalam baja sesuai proporsi masing-masing, ia akan menstabilkan fase martensitnya, yang memiliki feromagnetisme yang disempurnakan, sebagai bandingan dengan fasa ferit (besi), karena resistensi terhadap gerakan dinding domain magnetiknya yang tinggi.
Daya tahan panas wolfram membuatnya berguna dalam aplikasi las listrik ketika digabung dengan logam penghantar lainnya seperti perak atau tembaga. Perak atau tembaga memberikan hantaran yang diperlukan sedangkan wolfram memungkinkan batang las bertahan pada tingginya suhu lingkungan pengelasan.

Persenjataan

Wolfram, biasanya dibuat paduan dengan nikel dan besi atau kobalt untuk membuat paduan berat, digunakan dalam penetrator energi kinetik sebagai alternatif pada depleted uranium, dalam aplikasi yang mempermasalahkan radioaktivitas uranium meski dalam bentuk depleted sekalipun, atau yang tidak memerlukan sifat piroforik tambahan (misalnya, dalam proyektil kecil yang dirancang untuk menembus lapis baja). Demikian pula, paduan wolfram telah pula digunakan pada selongsong kanon, granat dan peluru kendali, untuk membuat pecahan peluru supersonik. Jerman menggunakan wolfram selama Perang Dunia II untuk membuat peluru senjata anti tank yang dirancang untuk menggunakan prinsip "remasan" Gerlich untuk meningkatkan kecepatan dan daya tembus dari artileri yang relatif ringan dan berkaliber kecil. Senjatanya sangat efektif, tetapi kekurangan wolfram yang digunakan dalam peluru membatasi efektivitasnya.
Wolfram juga telah digunakan dalam Bahan Peledak Logam Inert Rapat (bahasa Inggris: Dense Inert Metal Explosive, DIME), yang menggunakannya sebagai serbuk rapat untuk mengurangi kerusakan kolateral sementara letalitas ledakan dalam radius kecil ditingkatkan.

Aplikasi kimia

Wolfram(IV) sulfida adalah pelumas bersuhu tinggi dan merupakan komponen katalis untuk hidrodesulfurisasi. MoS₂ lebih umum digunakan untuk aplikasi semacam itu.
Wolfram oksida digunakan dalam glasir keramik dan kalsium/magnesium wolframat banyak digunakan secara luas dalam lampu pendar. Kristal wolframat digunakan sebagai detektor scintilasi dalam fisika nuklir dan pengobatan nuklir. Garam lain yang mengandung wolfram digunakan dalam industri kimia dan penyamakan.
Wolfram oksida (WO₃) dimasukkan ke dalam katalis reduksi katalitik selektif (SCR) yang ditemukan dalam pembangkit listrik tenaga batubara. Katalis ini mengubah nitrogen oksida (NOₓ) menjadi nitrogen (N₂) dan air (H₂O) menggunakan amonia (NH₃). Wolfram oksida membantu kekuatan fisika katalis dan memperpanjang umum katalis.

Penggunaan relung

Aplikasi yang membutuhkan kerapatan tinggi termasuk bobot, counterweights, balast baja untuk yacht, balast ekor untuk pesawat komersial, dan sebagai balast pada mobil balap untuk NASCAR dan Formula Satu; depleted uranium juga digunakan untuk tujuan ini, karena kepadatannya sama tingginya. Tujuh puluh lima kg blok wolfram digunakan sebagai "cruise balance mass devices" di bagian kendaraan masuk pesawat ruang angkasa Mars Science Laboratory 2012. Ini adalah bahan yang ideal untuk digunakan sebagai dolly untuk paku keling, di mana massa yang diperlukan untuk hasil yang baik dapat dicapai pada sebuah batang yang kompak. Paduan berkerapatan tinggi dari wolfram dengan nikel, tembaga atau besi digunakan dalam dart bermutu tinggi (untuk memungkinkan diameter yang lebih kecil dan pengelompokan yang lebih ketat) atau untuk umpan pancing (manik-manik wolfram yang memungkinkan lalat umpan tenggelam dengan cepat). Beberapa senar C cello dibalut dengan wolfram. Kepadatan ekstra memberikan senar ini proyeksi lebih banyak dan biasanya para pemain cello hanya akan membeli senar ini dan menggunakannya dengan tiga senar dari set yang berbeda. Wolfram digunakan sebagai penyerap pada teleskop elektron pada Sistem Sinar Kosmik dari dua pesawat ruang angkasa Voyager.
Natrium wolframat digunakan dalam pereaksi Folin-Ciocalteu, campuran berbagai bahan kimia yang digunakan dalam "Pengujian Lowry" untuk analisis kandungan protein.

Pengganti emas

Kepadatannya, mirip dengan emas, memungkinkan wolfram digunakan dalam perhiasan sebagai alternatif emas atau platina. Wolfram logam adalah hipoalergenik, dan lebih keras daripada paduan emas (meski tidak sekeras wolfram karbida), sehingga berguna untuk cincin yang akan menahan goresan, terutama pada penyelesaian desain dengan disikat.
Wolfram juga bisa digunakan untuk pemalsuan batang emas, karena kerapatannya sangat mirip dengan emas (wolfram hanya 0,36% kurang padat), seperti dengan melapisi batang wolfram menggunakan emas, yang telah diamati sejak tahun 1980an, atau mengambil batangan emas yang ada, dilubangi menggunakan bor, dan mengganti emas yang disingkirkan dengan batang wolfram. Kepadatannya tidak persis sama, dan sifat lain dari emas dan wolfram berbeda, namun wolfram berlapis emas akan melewati uji superfisial. Wolfram berlapis emas tersedia secara komersial dari China (sumber utama wolfram), baik perhiasan maupun batangan.

Elektronik

Wolfram elemental digunakan pada banyak aplikasi suhu tinggi, karena ia mempertahankan kekuatannya pada suhu tinggi dan memiliki titik lebur tinggi, seperti bola lampu, tabung sinar katoda, dan filamen tabung vakum, elemen pemanas, dan nosel mesin roket. Titik lelehnya yang tinggi juga membuat wolfram cocok untuk penggunaan dirgantara dan suhu tinggi seperti aplikasi elektrik, pemanasan, dan pengelasan, terutama pada proses pengelasan busur gas wolfram (juga disebut pengelasan tungsten inert gas (TIG)).
Karena sifat konduktif dan secara kimia relatif inert, wolfram juga digunakan pada elektrode, dan dalam ujung emitor pada instrumen berkas elektron yang menggunakan senjata emisi medan, seperti mikroskop elektron. Dalam elektronik, wolfram digunakan sebagai bahan interkoneksi pada sirkuit terpadu, antara material dielektrik silikon dioksida dan transistor. Ini digunakan dalam film logam, yang menggantikan kabel yang digunakan dalam elektronik konvensional dengan lapisan wolfram (atau molibdenum) pada silikon.
Struktur elektronik wolfram menjadikannya salah satu sumber utama target sinar-X, dan juga untuk melindungi dari radiasi energi tinggi (seperti dalam industri radiofarmaka untuk melindungi sampel radioaktif FDG). Ini juga digunakan dalam pencitraan gamma sebagai bahan pembuat apertur berkode, karena sifat perisai yang sangat baik. Serbuk wolfram digunakan sebagai bahan pengisi dalam komposit plastik, yang digunakan sebagai pengganti nontoksik untuk timbal pada peluru, dan perisai radiasi. Wolfram digunakan untuk membuat segel kaca-ke-logam, karena ekspansi termal unsur ini serupa dengan kaca borosilikat. Selain titik lelehnya yang tinggi, bila wolfram didoping dengan kalium, ia akan meningkatkan stabilitas bentuk (dibandingkan wolfram non-doping). Ini memastikan bahwa filamen tidak melorot, dan tidak ada perubahan yang tidak diinginkan terjadi.

Kawat nano

Melalui proses fabrikasi nano top-down, kawat nano wolfram telah dibuat dan dipelajari sejak tahun 2002. Karena rasio permukaan terhadap volume yang sangat tinggi, pembentukan lapisan oksida permukaan dan sifat kristal tunggal dari bahan semacam itu, sifat mekaniknya berbeda secara mendasar dari wolfram ruah. Kawat nano wolfram memiliki aplikasi potensial dalam bidang nanoelektronik dan yang terpenting adalah sebagai probe pH dan sensor gas. Kemiripannya dengan kawat nano silikon, kawat nano wolfram sering dibuat dari prekursor wolfram curah yang diikuti oleh tahap oksidasi termal untuk mengendalikan morfologi dalam hal panjang dan aspek rasio. Dengan menggunakan model Deal–Grove, dimungkinkan untuk memprediksi kinetika oksidasi kawat nano yang dibuat melalui proses oksidasi termal.

Peran biologis

Wolfram, dengan nomor atom 74, adalah unsur terberat yang diketahui memiliki fungsi biologis, dengan unsur terberat berikutnya adalah iodium (Z = 53). Ia digunakan oleh beberapa bakteri, tetapi tidak dalam eukariota. Sebagai contoh, enzim yang disebut oksidoreduktase menggunakan wolfram dengan cara yang mirip dengan molibdenum, dengan menggunakannya dalam kompleks wolfram-pterin dengan molibdopterin (molibdopterin, terlepas dari namanya, tidak mengandung molibdenum, tetapi mungkin membentuk kompleks dengan molibdenum atau wolfram yang digunakan oleh organisme hidup). Enzim yang menggunakan wolfram biasanya mereduksi asam karboksilat menjadi aldehida. Wolfram oksidoreduktase mungkin juga mengkatalisis oksidasi. Enzim pertama yang membutuhkan wolfram diketahui juga memerlukan selenium, dan dalam kasus ini pasangan wolfram-selenium mungkin berfungsi analog dengan pasangan molibdenum-belerang dari beberapa enzim yang memerlukan kofaktor molibdenum. Salah satu enzim dalam keluarga oksidoreduktase yang kadang-kadang menggunakan wolfram (bakteri format dehidrogenase H) diketahui menggunakan molibdopterin versi molibdenum-selenium. Asetilen hidratase adalah metaloenzim yang tidak biasa yang mengkatalisis reaksi hidrasi. Dua mekanisme reaksi telah diajukan, yang salah satunya terdapat interaksi langsung antara atom wolfram dan ikatan rangkap tiga C≡C. Meskipun xantin dehidrogenase yang mengandung wolfram dari bakteri telah ditemukan mengandung wolfram-molibdopterin, dan juga selenium berikatan non-protein, kompleks molibdopterin wolfram-selenium belum dijelaskan secara lengkap.
Dalam tanah, logam wolfram teroksidasi menjadi anion wolframat. Ia dapat secara selektif maupun tidak diimpor oleh beberapa organisme porkariotik dan mungkin mengganti molibdat dalam enzim tertentu. Pengaruhnya pada aksi enzim ini dalam beberapa kasus menghambat, dan beberapa lainnya positif. Kimia tanah menetukan cara wolfram berpolimerisasi; tanah alkalis menyebabkan wolframat monomer; tanah asam menyebabkan wolframat polimer.
Natrium wolframat dan timbal telah diteliti pengaruhnya terhadap cacing tanah. Timbal ditemukan mematikan pada dosis rendah sementara natrium wolframat kurang beracun, tetapi wolframat menghambat total kemampuan reproduksi mereka.
Wolfram telah dipelajari sebagai antagonis metabolik tembaga biologis, dalam peran yang serupa dengan aksi molibdenum. Telah ditemukan bahwa tetratiowolframat dapat digunakan sebagai bahan kimia pengkhelat tembaga biologis, serupa dengan tetratiomolibdat.

Tindakan pencegahan

Efek wolfram pada lingkungan adalah terbatas, karena kelangkaannya dan senyawanya umumnya inert. Median dosis letal LD₅₀ sangat bergantung pada hewan dan metode administrasi serta bervariasi antara 59 mg/kg (intravena, kelinci) dan 5000 mg/kg (serbuk logam wolfram, intraperitoneal, tikus).
Orang dapat terpapar wolfram di tempat kerja melalui pernapasan, pencernaan, kontak dengan kulit dan mata. National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) telah menetapkan batas paparan yang direkomendasikan (REL) sebagai 5 mg/m³ selama 8 jam kerja dan batas jangka pendek 10 mg/m³.

Klaim paten

Keunikan wolfram di antara unsur-unsur telah menjadikannya subyek proses paten. Pada tahun 1928, pengadilan AS menolak usaha General Electric untuk mematenkannya, menjungkirbalikkan U.S. Patent 1.082.933 yang diberikan pada tahun 1913 kepada William D. Coolidge.