Wolfram wird in Sternen hauptsächlich durch den s-Prozess (langsame Neutroneneinfang) gebildet, der in AGB-Sternen (asymptotische Riesenäste) mit niedriger bis mittlerer Masse stattfindet. Als schweres Element mit gerader Ordnungszahl (Z=74) wird es effizient durch diesen Prozess produziert. Wolfram zeigt auch einen signifikanten Beitrag des r-Prozesses (schneller Neutroneneinfang) während explosiver Ereignisse wie Supernovae und Neutronensternverschmelzungen. Modelle schätzen, dass etwa 50-60% des solaren Wolframs aus dem s-Prozess und 40-50% aus dem r-Prozess stammen. Diese gemischte Produktion macht es zu einem interessanten Tracer für beide Nukleosyntheseprozesse.
Die kosmische Häufigkeit von Wolfram beträgt etwa 8,0×10⁻¹³ mal die von Wasserstoff in Atomzahl, was es etwas häufiger als Tantal (Z=73), aber weniger häufig als Hafnium (Z=72) macht. Wolfram besitzt fünf natürliche stabile Isotope (180, 182, 183, 184, 186), was für ein so schweres Element ungewöhnlich ist. Das Isotop W-184 ist mit 30,64% am häufigsten, gefolgt von W-186 (28,43%). Die isotopischen Häufigkeiten von Wolfram werden in Geochemie und Kosmochemie als Tracer für Prozesse verwendet.
Das isotopische Hafnium-Wolfram-System (¹⁸²Hf → ¹⁸²W) ist eines der wichtigsten Chronometer zur Datierung der frühesten Ereignisse im Sonnensystem. Hafnium-182 ist ein kurzlebiges radioaktives Isotop (Halbwertszeit von 8,9 Millionen Jahren), das zu Wolfram-182 zerfällt. Die Bedeutung dieses Systems liegt im grundlegenden geochemischen Unterschied zwischen diesen beiden Elementen: Hafnium ist lithophil (konzentriert sich in Silikaten), während Wolfram siderophil (konzentriert sich in Metall) ist. Während der Bildung eines planetaren Metallkerns wird Wolfram aus dem Silikatmantel extrahiert und in den Kern eingebaut.
Durch die Messung von Wolfram-182-Anomalien in Meteoriten sowie Mond- und Erdproben können Kosmochemiker die Bildung des Erdkerns und die Differenzierung planetarer Körper datieren. Die Daten deuten darauf hin, dass sich der Erdkern innerhalb der ersten 30 bis 50 Millionen Jahre des Sonnensystems bildete und dass die Differenzierung des Mondes kurz nach dem gigantischen Einschlag, der ihn formte, stattfand. Das Hf-W-System wurde auch zur Datierung der Bildung von Mars, Vesta und anderen Körpern des Sonnensystems verwendet.
Wolfram hat zwei Namen unterschiedlichen Ursprungs. Der Name "Wolfram" (und das Symbol W) stammt vom deutschen "Wolf Rahm" (Wolfsschaum), ein Begriff, der von deutschen Bergleuten im Mittelalter verwendet wurde, die bemerkten, dass Wolframit die Zinnschmelze störte, indem es das Zinn "wie ein Wolf seine Beute verschlang". Der Name "Tungsten" kommt vom schwedischen "tung sten" (schwerer Stein) und bezieht sich auf die hohe Dichte des Wolframitminerals. Heute wird "Wolfram" im Deutschen und in mehreren anderen Sprachen verwendet, während "Tungsten" im Englischen und Französischen gebräuchlich ist.
Wolfram wurde 1783 von den spanischen Brüdern Fausto Elhuyar (1755-1833) und Juan José Elhuyar (1754-1796) am Patriotic Seminary of Vergara im spanischen Baskenland entdeckt. Sie reduzierten Wolframoxid (WO₃) mit Holzkohle, um das unreine Metall zu erhalten. Ihre Entdeckung war unabhängig von den früheren Arbeiten des schwedischen Chemikers Carl Wilhelm Scheele, der 1781 Wolframsäure aus Scheelit (CaWO₄) entdeckt hatte, aber das Metall nicht isolierte. Den Brüdern Elhuyar wird daher die erste Isolierung von metallischem Wolfram zugeschrieben.
Die frühen Anwendungen von Wolfram waren aufgrund der Schwierigkeiten bei der Verarbeitung begrenzt. Erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden Pulvermetallurgiemethoden entwickelt, um duktiles Wolfram herzustellen. Ein wichtiger Durchbruch gelang 1903 dem österreichischen Chemiker Alexander Just und dem deutschen Physiker Franz Skaupy, die ein Verfahren zur Herstellung von duktilem Wolframdraht durch Sintern mit Zusatzmetallen entwickelten. Diese Entwicklung ermöglichte die Verwendung von Wolfram in Glühfäden von elektrischen Glühbirnen und revolutionierte die Beleuchtung.
Wolfram kommt in der Erdkruste mit einer durchschnittlichen Konzentration von etwa 1,25 ppm (parts per million) vor, was es so häufig wie Zinn oder Molybdän macht. Die wichtigsten Wolframerze sind:
Die weltweite Wolframproduktion beträgt etwa 85.000 bis 90.000 Tonnen pro Jahr (in WO₃-Äquivalent). China dominiert die Produktion mit etwa 80% des weltweiten Gesamtvolumens, gefolgt von Vietnam, Russland, Bolivien und Ruanda. Wolfram gilt aufgrund seiner Bedeutung für Verteidigung und Industrie in vielen Ländern als strategisches und kritisches Metall. Die Preise liegen in der Regel zwischen 25 und 50 Dollar pro Kilogramm für WO₃-Konzentrat.
Wolfram (Symbol W, Ordnungszahl 74) ist ein Übergangsmetall der 6. Periode, das in der Gruppe 6 (früher VIB) des Periodensystems zusammen mit Chrom und Molybdän steht. Sein Atom hat 74 Protonen, in der Regel 110 Neutronen (für das häufigste Isotop \(\,^{184}\mathrm{W}\)) und 74 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s². Diese Konfiguration weist vier Elektronen in der 5d-Unterschale und zwei in der 6s-Unterschale auf, was für Übergangsmetalle der Gruppe 6 charakteristisch ist.
Wolfram ist ein stahlgraues, glänzendes, sehr dichtes (19,25 g/cm³), hartes Metall mit dem höchsten Schmelzpunkt aller Metalle (3422 °C). Es hat eine kubisch-raumzentrierte (krz) Kristallstruktur bei Raumtemperatur. Wolfram hat einen sehr hohen Elastizitätsmodul (etwa 411 GPa), was es sehr steif macht. Seine elektrische Leitfähigkeit ist gut (etwa 30% der von Kupfer) und seine Wärmeleitfähigkeit ist moderat. Wolfram behält seine mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen besser als fast alle anderen Metalle.
Wolfram schmilzt bei 3422 °C (3695 K) - dem höchsten Schmelzpunkt aller Metalle - und siedet bei 5555 °C (5828 K). Es hat den niedrigsten Dampfdruck aller Metalle bei hohen Temperaturen, was es ideal für Hochtemperatur-Vakuumanwendungen macht. Wolfram zeigt keine allotropen Umwandlungen unterhalb seines Schmelzpunkts und behält seine kubisch-raumzentrierte Struktur bis zum Schmelzen bei.
Bei Raumtemperatur ist Wolfram relativ inert und korrosionsbeständig dank einer dünnen schützenden Oxidschicht. Es reagiert bei hohen Temperaturen mit Sauerstoff zu WO₃. Wolfram widersteht den meisten Säuren, wird aber von Gemischen aus Salpetersäure und Flusssäure angegriffen. Es reagiert bei hohen Temperaturen mit Halogenen, Kohlenstoff, Bor, Stickstoff und Schwefel unter Bildung verschiedener Verbindungen.
Schmelzpunkt von Wolfram: 3695 K (3422 °C) - der höchste aller Metalle.
Siedepunkt von Wolfram: 5828 K (5555 °C).
Dichte: 19,25 g/cm³ - sehr dicht, vergleichbar mit Gold.
Kristallstruktur bei Raumtemperatur: Kubisch-raumzentriert (krz).
Elastizitätsmodul: 411 GPa - sehr steif.
Härte: 7,5 auf der Mohs-Skala (rein).
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Wolfram-180 — \(\,^{180}\mathrm{W}\,\) | 74 | 106 | 179,946704 u | ≈ 0,12 % | 1,8×10¹⁸ Jahre | Alpha-radioaktiv mit extrem langer Halbwertszeit. Für die meisten Anwendungen als stabil betrachtet. |
| Wolfram-182 — \(\,^{182}\mathrm{W}\,\) | 74 | 108 | 181,948204 u | ≈ 26,50 % | Stabil | Stabiles Isotop, Endprodukt des Zerfalls von Hafnium-182 (Hf-W-Datierungssystem). |
| Wolfram-183 — \(\,^{183}\mathrm{W}\,\) | 74 | 109 | 182,950223 u | ≈ 14,31 % | Stabil | Stabiles Isotop mit Kernspin 1/2, in der NMR-Spektroskopie verwendet. |
| Wolfram-184 — \(\,^{184}\mathrm{W}\,\) | 74 | 110 | 183,950931 u | ≈ 30,64 % | Stabil | Häufigstes stabiles Isotop in der Natur. |
| Wolfram-186 — \(\,^{186}\mathrm{W}\,\) | 74 | 112 | 185,954364 u | ≈ 28,43 % | Stabil | Stabiles Isotop, zweit häufigstes in der natürlichen Mischung. |
Hinweis:
Elektronenschalen: Wie Elektronen um den Kern angeordnet sind.
Wolfram hat 74 Elektronen, die auf sechs Elektronenschalen verteilt sind. Seine Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s² weist eine vollständig gefüllte 4f-Unterschale (14 Elektronen) und vier Elektronen in der 5d-Unterschale auf. Diese Konfiguration kann auch als K(2) L(8) M(18) N(18) O(32) P(6) oder vollständig als 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d⁴ 6s² geschrieben werden.
K-Schale (n=1): enthält 2 Elektronen in der 1s-Unterschale. Diese innere Schale ist vollständig und sehr stabil.
L-Schale (n=2): enthält 8 Elektronen, verteilt auf 2s² 2p⁶. Diese Schale ist vollständig und bildet eine Edelgaskonfiguration (Neon).
M-Schale (n=3): enthält 18 Elektronen, verteilt auf 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Diese vollständige Schale trägt zur Elektronenabschirmung bei.
N-Schale (n=4): enthält 18 Elektronen, verteilt auf 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Diese Schale bildet eine stabile Struktur.
O-Schale (n=5): enthält 32 Elektronen, verteilt auf 5s² 5p⁶ 4f¹⁴ 5d⁴. Die vollständig gefüllte 4f-Unterschale und die vier 5d-Elektronen verleihen Wolfram seine Übergangsmetalleigenschaften.
P-Schale (n=6): enthält 6 Elektronen in den 6s²- und 5d⁴-Unterschalen.
Wolfram hat effektiv 6 Valenzelektronen: zwei 6s²-Elektronen und vier 5d⁴-Elektronen. Wolfram zeigt mehrere Oxidationszustände von -2 bis +6, wobei die Zustände +6 und +4 am stabilsten und häufigsten sind.
Im Oxidationszustand +6 verliert Wolfram seine beiden 6s-Elektronen und vier 5d-Elektronen, um das W⁶⁺-Ion mit der Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹⁴ zu bilden. Dieses Ion ist diamagnetisch und kommt in Verbindungen wie WO₃ (Wolframtrioxid) und Wolframaten (WO₄²⁻) vor. Im Zustand +4 bildet Wolfram Verbindungen wie WO₂ (Wolframdioxid) und WCl₄ (Wolframtetrachlorid).
Wolfram zeigt auch eine reiche Chemie der niedrigeren Zustände und Cluster. Zum Beispiel ist in Clusterverbindungen wie [W₆Cl₈]Cl₄ Wolfram im durchschnittlichen Oxidationszustand +2. Wolfram(0) existiert in Carbonylkomplexen wie W(CO)₆. Diese Vielfalt an Oxidationszuständen, kombiniert mit der Fähigkeit von Wolfram, multiple Bindungen mit Sauerstoff und anderen Elementen zu bilden, macht es zu einem chemisch sehr reichen und nützlichen Element in der Katalyse.
Bei Raumtemperatur ist Wolfram aufgrund einer dünnen schützenden Oxidschicht an der Luft stabil. Bei hohen Temperaturen (über 400 °C) oxidiert es allmählich: 2W + 3O₂ → 2WO₃. Die Oxidation wird oberhalb von 800 °C schnell. Wolfram(VI)-oxid (WO₃) ist ein gelb-grüner Feststoff, der bei 1700 °C sublimiert. Um Wolfram bei hohen Temperaturen vor Oxidation zu schützen, wird es oft mit Wolframsilicid (WSi₂) beschichtet oder in inerter Atmosphäre oder im Vakuum verwendet.
Wolfram widersteht Wasser und Wasserdampf bis zu mäßigen Temperaturen. Es widersteht den meisten kalten Säuren, wird aber angegriffen von:
Wolfram löst sich in starken Basen in Gegenwart von Oxidationsmitteln unter Bildung löslicher Wolframate.
Wolfram reagiert bei hohen Temperaturen mit Halogenen zu Hexahalogeniden: W + 3F₂ → WF₆ (farbloses Gas); W + 3Cl₂ → WCl₆ (blau-schwarzer Feststoff). Es reagiert bei hohen Temperaturen (>1400 °C) mit Kohlenstoff zu Wolframcarbid WC (Schmelzpunkt 2870 °C) oder W₂C, mit Stickstoff zu Wolframnitrid WN, mit Bor zu Wolframborid WB und mit Schwefel zu Wolframsulfid WS₂ (schichtartige Struktur ähnlich Graphit, als Festschmierstoff verwendet).
Die bemerkenswerteste Eigenschaft von Wolfram ist sein extrem hoher Schmelzpunkt (3422 °C), der höchste aller Metalle. Diese Eigenschaft ist auf die starke metallische Bindung zurückzuführen, die durch den Beitrag der 5d-Elektronen zum Leitungsband und die kompakte kubisch-raumzentrierte Struktur entsteht. Wolfram behält auch seine mechanische Festigkeit bei hohen Temperaturen besser als die meisten anderen Materialien. Diese Eigenschaften machen es zum Material der Wahl für Anwendungen bei sehr hohen Temperaturen.
Wolfram revolutionierte die Beleuchtung zu Beginn des 20. Jahrhunderts, als es die Kohlenstoff- und Osmiumfäden in Glühbirnen ersetzte. Vor Wolfram hatten Glühfäden eine sehr begrenzte Lebensdauer und eine geringe Lichtausbeute. Die Einführung des duktilen Wolframfadens 1910 durch William D. Coolidge von General Electric ermöglichte die Herstellung haltbarerer, heller und effizienterer Glühbirnen. Diese Innovation war so bedeutend, dass Wolfram fast ein Jahrhundert lang mit elektrischer Beleuchtung gleichgesetzt wurde.
Wolframglühfadenlampen dominierten die Beleuchtung während des größten Teils des 20. Jahrhunderts. Fortschrittliche Verbesserungen umfassten Fäden mit kontrollierter Kristallstruktur, die Einführung von Halogengasen (Halogenlampen), um die Wolframverdampfung zu reduzieren, und reflektierende Beschichtungen zur Steigerung der Effizienz. Im 21. Jahrhundert wurden Glühbirnen jedoch weitgehend durch effizientere Technologien (LED, Leuchtstofflampen) aus Gründen der Energieeffizienz ersetzt. Dennoch verwenden einige spezielle Anwendungen (Projektoren, Öfen, wissenschaftliche Geräte) weiterhin Wolframfäden.
Die wichtigste aktuelle Anwendung von Wolfram ist Wolframcarbid (WC), oft als "Hartmetall" bezeichnet. Wolframcarbid macht etwa 60% des weltweiten Wolframverbrauchs aus. Es kombiniert die Härte und Verschleißfestigkeit von Carbiden mit einer gewissen Zähigkeit und schafft so ein ideales Material für Schneid- und Bearbeitungswerkzeuge.
Wolframcarbid wird durch Pulvermetallurgie hergestellt: Wolfram- und Kohlenstoffpulver werden gemischt, in die gewünschte Form gepresst und bei hoher Temperatur (1400-1600 °C) gesintert. Oft wird ein metallisches Bindemittel (normalerweise 5-15% Kobalt) hinzugefügt, um die Zähigkeit zu verbessern. Das resultierende Material hat außergewöhnliche Eigenschaften:
Schwere Wolframlegierungen (WHA), die typischerweise 90-97% Wolfram mit Nickel und Eisen oder Kupfer als Bindemittel enthalten, werden als kinetische Penetratoren in panzerbrechenden Munitionen verwendet. Diese Geschosse nutzen ihre sehr hohe Dichte (17-19 g/cm³) und mechanische Festigkeit, um Panzerungen zu durchdringen. Die Vorteile gegenüber abgereichertem Uran-Penetratoren sind das Fehlen von Radioaktivität und Umweltkontroversen.
Wolfram wird auch in Verbundpanzerungen verwendet, um gegen Geschosse und Splitter zu schützen. Seine hohe Dichte ermöglicht eine effiziente Absorption der kinetischen Energie. Wolframlegierungen und -verbundwerkstoffe werden in kugelsicheren Westen, Fahrzeugpanzerungen und Schutzvorrichtungen für strategische Einrichtungen eingesetzt.
Wolfram ist das Standardmaterial für Elektroden beim WIG-Schweißen (Wolfram-Inertgas-Schweißen). Wolframelektroden, oft dotiert mit Thorium, Cer, Lanthan oder Zirkonium, haben einen hohen Schmelzpunkt, geringen Verschleiß und eine gute Elektronenemission. Sie ermöglichen die Erzeugung und Aufrechterhaltung eines stabilen Lichtbogens bei sehr hohen Temperaturen (bis zu 10.000 °C) ohne zu schmelzen.
Elektrische Kontakte aus Wolfram oder Wolfram-Kupfer-/Wolfram-Silber-Legierungen werden in Schaltern, Sicherungen und anderen Hochleistungs-Elektrogeräten verwendet. Wolfram bietet Widerstand gegen Lichtbögen und Erosion, während Kupfer oder Silber für die elektrische Leitfähigkeit sorgen.
Wolfram wird in Halbleitern als Barrierematerial (Diffusionsbarriere) und für Verbindungen verwendet. Sein hoher Schmelzpunkt und seine geringe Diffusionsfähigkeit in Silizium machen es zu einem idealen Material, um die Diffusion von Metallen in Halbleiterbauelementen zu verhindern. Wolfram wird auch als Gate-Material in Transistoren und als Kontaktmaterial verwendet.
Aufgrund seiner hohen Dichte und hohen Ordnungszahl (Z=74) ist Wolfram ein ausgezeichneter Absorber für Röntgen- und Gammastrahlen. Es wird in Strahlenschutzschirmen in medizinischen (Radiologie), industriellen (Gammagraphie) und nuklearen Anwendungen eingesetzt. Wolframlegierungen werden für Behälter radioaktiver Materialien und Reaktorschutzschilde verwendet.
In experimentellen Fusionsreaktoren (Tokamaks) wird Wolfram als Material für den Divertor verwendet, den Teil des Reaktors, der den intensivsten Wärme- und Teilchenflüssen standhalten muss. Sein hoher Schmelzpunkt, die geringe Tritiumretention und die gute Wärmeleitfähigkeit machen es zum Material der Wahl für diese extreme Anwendung.
Metallisches Wolfram und seine unlöslichen Verbindungen weisen eine geringe chemische Toxizität auf. Metallisches Wolfram gilt als biologisch inert. Einige lösliche Wolframverbindungen, insbesondere Wolframate, zeigen jedoch eine mäßige Toxizität. Aktuelle Studien deuten darauf hin, dass Wolfram aufgrund seiner chemischen Ähnlichkeit mit dem essentiellen Element Molybdän in dessen Stoffwechsel eingreifen könnte.
Der Abbau und die Verarbeitung von Wolfram können Umweltauswirkungen haben:
Wolfram wird weitläufig recycelt, mit einer geschätzten Rate von 30-40%. Die Recyclingquellen umfassen:
Recycling ist wirtschaftlich attraktiv aufgrund des Wertes von Wolfram und hilft, den Druck auf die Bergbauressourcen zu verringern. Die Recyclingmethoden umfassen chemische Prozesse (Säureangriff, alkalische Schmelze) und pyrometallurgische Prozesse.
Die berufliche Exposition gegenüber Wolfram erfolgt in Bergwerken, Verarbeitungsanlagen, Werkzeug- und Geräteherstellern. Die Hauptexpositionswege sind das Einatmen von Staub und Dämpfen. Studien an Arbeitern, die Wolfram und Wolframcarbid ausgesetzt waren, haben mögliche Lungeneffekte gezeigt, die oft mit dem in Carbiden verwendeten Kobalt in Verbindung stehen. Daher sind Belüftungs- und Atemschutzvorkehrungen erforderlich.
Das Atom in all seinen Formen: Von der antiken Intuition zur Quantenmechanik 
