Av John Brennan
Uppdaterad 24 mars 2022
Volfram (atomnummer 74) är en tät, grå metall känd för sin exceptionellt höga smältpunkt och utmärkta mekaniska egenskaper. Även om dess mest välbekanta roll är i glödlampsglödtrådar, kommer dess industriella betydelse till stor del från produktionen av volframkarbid och dess användning i högtemperaturlegeringar. Kärnan i dessa tillämpningar ligger karaktären hos de bindningar som håller ihop volframatomer.
I sitt isolerade grundtillstånd har en volframatom den elektroniska konfigurationen [Xe]4f 14 5d 4 6s 2 . Men när atomer packas in i ett kristallgitter ändras energinivåerna:5d-underskalet blir helt upptaget (fem elektroner) medan 6s-underskalet rymmer en enda elektron. 5D-elektronerna kan bilda riktade, kovalenta interaktioner som är relativt lokaliserade mellan angränsande atomer, medan 6s-elektronerna delokaliseras över gittret.
I fast tillstånd beter sig de delokaliserade 6s-elektronerna som ett "hav" av mobil laddning som genomsyrar metallen. Denna elektrongas binder ihop de positivt laddade volframkärnorna, vilket ger materialet dess karakteristiska metalliska bindning. Överlappningen av många atomära orbitaler skapar ett tätt band av energinivåer som elektroner kan uppta, vilket förklarar volframs höga elektriska ledningsförmåga och dess motstånd mot deformation.
Volfram kristalliseras i flera allotroper:den vanligaste är den kroppscentrerade kubiska alfafasen, som är den mest termodynamiskt stabila. Det finns också en betafas med hög temperatur; vid kylning omvandlas betastrukturen till alfa. Den metalliska bindningen, i kombination med en tät packning av atomer, resulterar i en metall som är både formbar och formbar – typiska egenskaper hos metaller där atomer inte är låsta i ett styvt gitter som diamant.
När volfram reagerar med icke-metalliska element eller ligander, bildar det koordinationskomplex och kovalenta föreningar. Den delade elektronnaturen hos dessa bindningar står i kontrast till den metalliska bindningen i den elementära metallen. Volframs oxidationstillstånd i sådana föreningar sträcker sig från –2 till +6, vilket återspeglar mångfalden av dess kemi. Vid förhöjda temperaturer oxiderar volfram lätt; det är därför glödlampor är fyllda med inerta gaser – för att förhindra nedbrytning av glödtråden.
