¿Qué es el tungsteno?
El tungsteno, wolframio o volframio, es un metal de transición pesado cuyo símbolo químico es W. Se ubica en el período 6 con grupo 6 de la tabla periódica, y su número atómico es 74. Su nombre tiene dos significados etimológicos: piedra dura y espuma de lobo. Del segundo se debe a que se conozca como wolframio.
Es un metal grisáceo plateado y, aunque sea frágil, posee una gran dureza, densidad y altos puntos de fusión y ebullición. Por lo tanto, se ha usado en aplicaciones que involucran altas temperaturas, presiones o fuerzas mecánicas, como en los taladros, proyectiles o filamentos emisores de radiaciones.
El uso más conocido para este metal, a nivel cultural y popular, es en los filamentos de las bombillas eléctricas. Quien las haya manipulado se dará cuenta de lo frágiles que son. Sin embargo, no están hechas de tungsteno puro, que es maleable y dúctil. Además, en matrices metálicas como las aleaciones, brinda excelentes resistencias y durezas.
Se caracteriza y distingue por ser el metal con el punto de fusión más elevado, y por ser más denso que el mismo plomo, superado únicamente por otros metales, como el osmio e iridio. Es el metal más pesado que se conozca que cumple con algún rol biológico en el organismo.
En la mayoría de sus compuestos iónicos participa el anión tungstato, WO42-, que puede polimerizarse para originar clusters en medio ácido. Por otro lado, puede formar compuestos intermetálicos, o sinterizarse con metales o sales inorgánicas para que sus sólidos adquieran distintas formas o consistencias.
No es muy abundante en la corteza terrestre (1,5 gramos de tungsteno por tonelada de corteza terrestre). Además, por ser un elemento pesado, su procedencia es intergaláctica, específicamente de las explosiones de las supernovas, las cuales debieron arrojar “chorros” de átomos de tungsteno hasta nuestro planeta durante su formación.
Historia del tungsteno
Etimología
La historia del tungsteno o wolframio tiene dos versiones: una suiza, y la otra alemana. En el siglo XVII, en regiones actualmente ocupadas por Alemania y Austria, los mineros trabajaban en las extracciones de cobre y estaño para producir bronces.
Para entonces, los mineros se encontraron con un mineral sumamente difícil de fundir, que consistía en wolframita (Fe, Mn, Mg)WO4), que retenía o “devoraba” el estaño como si fuera un lobo.
De ahí deriva la etimología para este elemento, wolf, lobo en español, un lobo que comía estaño, y ram, de espuma o crema, cuyos cristales semejaban un largo pelaje negro. Fue así que el nombre wolfram, o wolframio, surgió en honor a estas primeras observaciones.
En 1758, por el lado suizo, a un mineral parecido, la scheelita, CaWO4, se le nombró tung sten, que significa “piedra dura”.
Ambos nombres, wolframio y tungsteno, son intercambiables, dependiendo únicamente de la cultura. En España, por ejemplo, y en el oeste europeo, se conoce más como wolframio, mientras que en el continente americano predomina tungsteno.
Reconocimiento y descubrimiento
Entre los siglos XVII y XVIII se conocían estos dos minerales: la wolframita y la scheelita. Pero en 1779 el químico irlandés Peter Woulfe analizó cuidadosamente la wolframita y dedujo la existencia del wolframio.
Por el lado suizo, nuevamente, Carl Wilhelm Scheele, en 1781, pudo aislar el tungsteno como WO3; y aún más, obtuvo el ácido túngstico (o wolfrámico), H2WO4 y otros compuestos.
Sin embargo, no era suficiente para llegar al metal puro, pues hacía falta reducir este ácido, esto es, someterlo a un proceso tal que se desenlazara del oxígeno y cristalizara como metal. Carl Wilhelm Scheele no disponía de los hornos ni la metodología apropiados para esta reacción química de reducción.
Aquí entraron en acción los hermanos españoles d’Elhuyar, Fausto y Juan José, quienes redujeron ambos minerales (wolframita y scheelita) con carbón, en Bergara. A ellos dos se les conceden el mérito y honor de ser los descubridores del wolframio o tungsteno metálico (W).
Aceros y bombillas
Al igual que otros metales, sus usos definen su historia. Entre los más destacados para finales del siglo XIX, estaban las aleaciones acero-tungsteno, y los filamentos de tungsteno para reemplazar a los de carbono dentro de las bombillas eléctricas. Se puede decir que las primeras bombillas, tal como las conocemos, fueron comercializadas en 1903-1904.
Propiedades del tungsteno
- Apariencia física. Metal grisáceo plateado y lustroso. Frágil pero de gran dureza (no confundir con tenacidad). Si la pieza es de elevada pureza se torna maleable y dura, tanto o más como varios aceros.
- Número atómico. 74.
- Masa molar. 183,85 g/mol.
- Punto de fusión. 3.422 ºC.
- Punto de ebullición. 5.930 ºC.
- Densidad. 19,3 g/mL.
- Calor de fusión. 52,31 kJ/mol.
- Calor de vaporización. 774 kJ/mol.
- Capacidad calorífica molar. 24,27 kJ/mol.
- Dureza de Moh. 7,5.
- Electronegatividad. 2,36 en la escala de Pauling.
- Radio atómico. 139 pm.
- Resistividad eléctrica. 52.8 nΩ·m a 20 ºC.
- Isótopos. Se presenta predominantemente en la naturaleza como cinco isótopos: 182W, 183W, 184W, 186W y 180W. De acuerdo a la masa molar de 183 g/mol, la cual promedia las masas atómicas de estos isótopos (y los otros treinta radioisótopos), cada átomo de tungsteno o wolframio tiene alrededor de ciento diez neutrones (74 + 110 = 184).
- Química. Es un metal altamente resistente a la corrosión, pues su fina capa de WO3 lo protege contra el ataque del oxígeno, ácido y álcalis. Una vez disuelto y precipitado con otros reactivos, se obtienen sus sales, a las cuales se les llaman wolframatos o tungstatos. En ellas usualmente el tungsteno tiene un estado de oxidación de +6 (asumiendo que hay cationes W6+).
- Clustering ácida. Químicamente, el tungsteno es bastante particular porque sus iones tienden a agruparse (clustering, en inglés) para formar heteropoliácidos o polioxometalatos. Son grupos o clusters de átomos que se unen para definir un cuerpo tridimensional. Principalmente, uno con estructura tipo jaula esférica, en la cual “encierran” otro átomo. Todo empieza a partir del anión tungstato, WO42-, el cual en medio ácido rápidamente se protona (HWO4–) y se enlaza con un anión vecino para formar [W2O7(OH)2]2-; y este a su vez se une con otro [W2O7(OH)2]2- para originar el [W4O12(OH)4]4-. Así sucesivamente hasta que en solución haya varios politungstatos. Los paratungstatos A y B, [W7O24]6- y H2W12O4210-, respectivamente, son uno de los más resaltantes de estos polianiones. Puede llegar a ser un desafío plantearse su bosquejo y estructuras de Lewis, pero basta en principio visualizarlos como conjuntos de octaedros WO6 (imagen superior). Nótese que estos octaedros grisáceos terminan por definir el decatungstato, un politungstato. Si en su interior encerrara un heteroátomo (por ejemplo, fósforo), se trataría entonces de un polioxometalato.
Estructura y configuración electrónica del tungsteno
- Fases cristalinas. Los átomos de tungsteno definen un cristal con estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc, por body-centered cubic). A esta forma cristalina se le conoce como fase α, mientras que la fase β también es cúbica, pero un poco más densa. Ambas fases o formas cristalinas, α y β, pueden coexistir en equilibrio en condiciones normales. Los granos cristalinos de la fase α son isométricos, y los de la fase β semejan columnas. Sin importar cómo sea el cristal, en este gobiernan los enlaces metálicos que mantienen fuertemente unidos los átomos W. De otro modo, no podría explicarse los altos puntos de fusión y ebullición, o la alta dureza y densidad del tungsteno.
- Enlace metálico. Los átomos de tungsteno de algún modo tienen que estar muy unidos. Para arriesgar una conjetura, debe observarse antes la configuración electrónica de este metal: [Xe]4f145d46s2 . Los orbitales 5d son muy grandes y difuminados, lo que implicaría que entre dos átomos cercanos W haya solapamientos orbitales efectivos. Asimismo, los orbitales 6s contribuyen a las bandas resultantes, pero en menor grado. Mientras que los orbitales 4f se hayan “muy en el fondo” y su contribución al enlace metálico es menor. Esto, el tamaño de los átomos, y los granos cristalinos, son las variables que determinan la dureza del tungsteno y su densidad.
- Estados de oxidación. En el tungsteno o wolframio metálico los átomos W tienen estado de oxidación cero (W0). Regresando a la configuración electrónica, los orbitales 5d y 6s pueden “vaciarse” de electrones dependiendo si W está en compañía de átomos muy electronegativos, como el oxígeno o flúor. Cuando se pierden los dos electrones 6s, el tungsteno tiene estado de oxidación +2 (W2+), lo que genera que se contraiga su átomo. Si pierde además todos los electrones de sus orbitales 5d, su estado de oxidación pasará a ser +6 (W6+). Desde aquí no puede tornarse más positivo (en teoría), ya que los orbitales 4f, por ser internos, requerirían de grandes energías para remover sus electrones. Es decir, que el estado de oxidación más positivo es +6, donde el tungsteno se halla más pequeño todavía. Este tungsteno (VI) es muy estable en condiciones ácidas o en muchos compuestos oxigenados o halogenados. Otros estados de oxidación positivos y posibles son: +1, +2, +3, +4, +5 y +6. El tungsteno también puede ganar electrones si se combina con átomos menos electronegativos que él. En este caso, se vuelven más grandes sus átomos. Puede llegar a ganar un máximo de cuatro electrones, es decir, tener un estado de oxidación de -4 (W4-).
Obtención del tungsteno
Ya se mencionó que el tungsteno se halla en los minerales wolframita y scheelita. Dependiendo del proceso, se obtienen de ellos dos compuestos: óxido de tungsteno, WO3, o paratungstato de amonio (NH4)10(H2W12O42)·4H2O (o ATP). Cualquiera de ellos dos puede reducirse a W metálico con carbón por encima de los 1.050 ºC.
No es económicamente rentable producir lingotes de tungsteno, pues necesitarían de mucho calor (y dinero) para fundirlos. Por eso se prefiere producirlo en forma de polvo para de una vez tratarlo con otros metales y obtener aleaciones.
Cabe mencionar que a nivel mundial China es el mayor productor de tungsteno. Y en el continente americano, Canadá, Bolivia y Brasil, ocupan también la lista de los mayores productores de este metal.
Usos del tungsteno
- Coloración textil. Sus sales se llegaron a utilizar para colorear algodones de viejos atuendos de teatro.
- Con acero. Combinado con el acero, lo endurece todavía más, siendo capaz incluso de resistir cortes mecánicos a altas velocidades.
- Para bombillas. Los filamentos de tungsteno sinterizado se han utilizado desde hace más de cien años en las bombillas eléctricas y en las lámparas halogenadas.
- Tubos de rayos catódicos. Debido a su alto punto de fusión ha servido como material para tubos de rayos catódicos, y para las boquillas de los motores de cohetes.
- Sustitución del plomo. Reemplaza al plomo en la fabricación de los proyectiles y en escudos radiactivos.
- Nanotecnología. Los nanocables de tungsteno pueden utilizarse en nanodispositivos sensibles al pH y los gases.
- Industria petrolera. Catalizadores de tungsteno se utilizaron para lidiar con la producción de azufre en la industria petrolera.
- Carburo de tungsteno. De todos sus compuestos, es el que abarca más usos. Desde el fortalecimiento de herramientas de cortes y perforación, o la fabricación de piezas de armamentos militares, hasta para mecanizar maderas, plásticos y cerámicas.
Riesgos y precauciones del tungsteno
- Biológicos. Por ser un metal relativamente raro en la corteza terrestre, sus efectos negativos son escasos. En suelos ácidos, los politungstatos puede que no afecten las enzimas que utilicen los aniones molibdatos, pero en suelos básicos, el WO42- sí interviene (positiva o negativamente) en los procesos metabólicos del MoO42- y del cobre.
- Las plantas pueden absorber compuestos solubles de tungsteno, y al comerlas un animal y tras consumir su carne, los átomos de W ingresan a nuestros organismos. La mayoría son expulsados en la orina y heces, y poco se sabe qué sucede con el resto.
- Estudios en animales demostraron que cuando inhalan altas concentraciones de tungsteno en polvo desarrollan síntomas parecidos a los de cáncer de pulmón.
- En humanos. Por ingestión, un humano adulto necesitaría beber miles de galones de agua enriquecida con sales de tungsteno para mostrar inhibición apreciable de las enzimas colinesterasa y fosfatasa.
- Físicos. En términos generales, el tungsteno es un elemento poco tóxico, y existen por lo tanto pocos riesgos en torno a daños en la salud. Respecto al tungsteno metálico, debe evitarse respirar su polvo, y si la muestra es maciza, debe tenerse en cuenta que es muy densa y que puede ocasionar daños físicos si se cae o golpea otras superficies.
Referencias
- Tungsten (Wolfram): Properties, Production, Applications & Alloys. Recuperado de thebalance.com.
- Tungsten. Recuperado de en.wikipedia.org.
- Tungsten. Recuperado de lenntech.com.
- Tungsten Element Facts. Recuperado de chemicool.com.
- Helmenstine, A.M. Tungsten or Wolfram Facts. Recuperado de thoughtco.com.