Le tungstène est synthétisé dans les étoiles principalement par le processus s (capture lente de neutrons) qui se produit dans les étoiles AGB (géantes asymptotiques) de faible à moyenne masse. En tant qu'élément lourd avec un numéro atomique pair (Z=74), il est produit efficacement par ce processus. Le tungstène présente également une contribution significative du processus r (capture rapide de neutrons) lors d'événements explosifs comme les supernovae et les fusions d'étoiles à neutrons. Les modèles estiment qu'environ 50-60% du tungstène solaire provient du processus s, et 40-50% du processus r. Cette production mixte en fait un traceur intéressant des deux processus de nucléosynthèse.
L'abondance cosmique du tungstène est d'environ 8,0×10⁻¹³ fois celle de l'hydrogène en nombre d'atomes, ce qui le rend légèrement plus abondant que le tantale (Z=73) mais moins abondant que l'hafnium (Z=72). Le tungstène possède cinq isotopes naturels stables (180, 182, 183, 184, 186), ce qui est inhabituel pour un élément aussi lourd. L'isotope W-184 est le plus abondant (30,64%), suivi de W-186 (28,43%). Les abondances isotopiques du tungstène sont utilisées en géochimie et cosmochimie comme traceurs de processus.
Le système isotopique hafnium-tungstène (¹⁸²Hf → ¹⁸²W) est l'un des chronomètres les plus importants pour dater les événements les plus précoces du système solaire. Le hafnium-182 est un isotope radioactif à courte durée de vie (demi-vie de 8,9 millions d'années) qui se désintègre en tungstène-182. L'importance de ce système vient de la différence géochimique fondamentale entre ces deux éléments : le hafnium est lithophile (se concentre dans les silicates) tandis que le tungstène est sidérophile (se concentre dans le métal). Ainsi, lors de la formation du noyau métallique d'une planète, le tungstène est extrait du manteau silicaté et incorporé dans le noyau.
En mesurant les anomalies en tungstène-182 dans les météorites et les échantillons lunaires et terrestres, les cosmochimistes peuvent dater la formation du noyau terrestre et la différenciation des corps planétaires. Les données suggèrent que le noyau terrestre s'est formé dans les 30 à 50 premiers millions d'années du système solaire, et que la différenciation de la Lune s'est produite peu de temps après l'impact géant qui l'a formée. Le système Hf-W a également été utilisé pour dater la formation de Mars, de Vesta et d'autres corps du système solaire.
Le tungstène possède deux noms d'origine différente. Le nom "tungstène" vient du suédois "tung sten" qui signifie "pierre lourde", faisant référence à la densité élevée du minéral de wolframite. Le nom "wolfram" (et le symbole W) vient de l'allemand "Wolf Rahm" signifiant "écume de loup", terme utilisé par les mineurs allemands du Moyen Âge qui remarquaient que la wolframite interférait avec la fusion de l'étain, "dévorant" l'étain comme un loup dévore sa proie. Aujourd'hui, "tungstène" est utilisé en français et en anglais, tandis que "wolfram" est utilisé en allemand et dans plusieurs autres langues.
Le tungstène fut découvert en 1783 par les frères espagnols Fausto Elhuyar (1755-1833) et Juan José Elhuyar (1754-1796) au Séminaire Patriótico de Vergara au Pays Basque espagnol. Ils réduisirent l'oxyde de tungstène (WO₃) avec du charbon de bois pour obtenir le métal impur. Leur découverte fut indépendante des travaux antérieurs du chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele qui, en 1781, avait découvert l'acide tungstique à partir de la scheelite (CaWO₄) mais n'avait pas isolé le métal. Les frères Elhuyar sont donc crédités de la première isolation du tungstène métallique.
Les premières applications du tungstène furent limitées en raison des difficultés à le travailler. Ce n'est qu'au début du 20ème siècle que des méthodes de métallurgie des poudres furent développées pour produire du tungstène ductile. Une percée majeure fut réalisée en 1903 par le chimiste autrichien Alexander Just et le physicien allemand Franz Skaupy qui développèrent un procédé pour produire du fil de tungstène ductile par frittage en présence de métaux d'addition. Ce développement permit l'utilisation du tungstène dans les filaments d'ampoules électriques, révolutionnant l'éclairage.
Le tungstène est présent dans la croûte terrestre à une concentration moyenne d'environ 1,25 ppm (parties par million), ce qui le rend aussi abondant que l'étain ou le molybdène. Les principaux minerais de tungstène sont :
La production mondiale de tungstène est d'environ 85 000 à 90 000 tonnes par an (en équivalent WO₃). La Chine domine largement la production avec environ 80% du total mondial, suivie par le Vietnam, la Russie, la Bolivie et le Rwanda. Le tungstène est considéré comme un métal stratégique et critique par de nombreux pays en raison de son importance pour la défense et l'industrie. Les prix varient généralement entre 25 et 50 dollars par kilogramme pour le concentré de WO₃.
Le tungstène (symbole W, numéro atomique 74) est un métal de transition de la 6ème période, situé dans le groupe 6 (anciennement VIB) du tableau périodique, avec le chrome et le molybdène. Son atome possède 74 protons, généralement 110 neutrons (pour l'isotope le plus abondant \(\,^{184}\mathrm{W}\)) et 74 électrons avec la configuration électronique [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s². Cette configuration présente quatre électrons dans la sous-couche 5d et deux dans la 6s, caractéristique des métaux de transition du groupe 6.
Le tungstène est un métal gris acier, brillant, très dense (19,25 g/cm³), dur et possédant le point de fusion le plus élevé de tous les métaux (3422 °C). Il présente une structure cristalline cubique centrée (CC) à température ambiante. Le tungstène a un module d'élasticité très élevé (environ 411 GPa), le rendant très rigide. Sa conductivité électrique est bonne (environ 30% de celle du cuivre) et sa conductivité thermique est modérée. Le tungstène conserve ses propriétés mécaniques à haute température mieux que presque tous les autres métaux.
Le tungstène fond à 3422 °C (3695 K) - le point de fusion le plus élevé de tous les métaux - et bout à 5555 °C (5828 K). Il présente la plus faible pression de vapeur de tous les métaux à haute température, ce qui le rend idéal pour les applications sous vide à haute température. Le tungstène ne présente pas de transformations allotropiques en dessous de son point de fusion, conservant sa structure cubique centrée jusqu'à fusion.
À température ambiante, le tungstène est relativement inerte et résiste à la corrosion grâce à une fine couche d'oxyde protectrice. Il réagit avec l'oxygène à température élevée pour former l'oxyde WO₃. Le tungstène résiste à la plupart des acides, mais est attaqué par les mélanges d'acides nitrique et fluorhydrique. Il réagit avec les halogènes, le carbone, le bore, l'azote et le soufre à haute température pour former divers composés.
Le point de fusion du tungstène : 3695 K (3422 °C) - le plus élevé de tous les métaux.
Le point d'ébullition du tungstène : 5828 K (5555 °C).
Densité : 19,25 g/cm³ - très dense, comparable à l'or.
Structure cristalline à température ambiante : Cubique centrée (CC).
Module d'élasticité : 411 GPa - très rigide.
Dureté : 7,5 sur l'échelle de Mohs (pur).
| Isotope / Notation | Protons (Z) | Neutrons (N) | Masse atomique (u) | Abondance naturelle | Demi-vie / Stabilité | Désintégration / Remarques |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Tungstène-180 — \(\,^{180}\mathrm{W}\,\) | 74 | 106 | 179,946704 u | ≈ 0,12 % | 1,8×10¹⁸ ans | Radioactif alpha avec demi-vie extrêmement longue. Considéré comme stable pour la plupart des applications. |
| Tungstène-182 — \(\,^{182}\mathrm{W}\,\) | 74 | 108 | 181,948204 u | ≈ 26,50 % | Stable | Isotope stable, produit final de la désintégration du hafnium-182 (système Hf-W pour la datation). |
| Tungstène-183 — \(\,^{183}\mathrm{W}\,\) | 74 | 109 | 182,950223 u | ≈ 14,31 % | Stable | Isotope stable avec spin nucléaire 1/2, utilisé en spectroscopie RMN. |
| Tungstène-184 — \(\,^{184}\mathrm{W}\,\) | 74 | 110 | 183,950931 u | ≈ 30,64 % | Stable | Isotope stable le plus abondant dans la nature. |
| Tungstène-186 — \(\,^{186}\mathrm{W}\,\) | 74 | 112 | 185,954364 u | ≈ 28,43 % | Stable | Isotope stable, deuxième plus abondant dans le mélange naturel. |
N.B. :
Couches électroniques : Comment les électrons sont organisés autour du noyau.
Le tungstène possède 74 électrons répartis sur six couches électroniques. Sa configuration électronique [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s² présente une sous-couche 4f complètement remplie (14 électrons) et quatre électrons dans la sous-couche 5d. Cette configuration peut également s'écrire : K(2) L(8) M(18) N(18) O(32) P(6), ou de manière complète : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d⁴ 6s².
Couche K (n=1) : contient 2 électrons dans la sous-couche 1s. Cette couche interne est complète et très stable.
Couche L (n=2) : contient 8 électrons répartis en 2s² 2p⁶. Cette couche est complète, formant une configuration de gaz noble (néon).
Couche M (n=3) : contient 18 électrons répartis en 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Cette couche complète contribue à l'écran électronique.
Couche N (n=4) : contient 18 électrons répartis en 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Cette couche forme une structure stable.
Couche O (n=5) : contient 32 électrons répartis en 5s² 5p⁶ 4f¹⁴ 5d⁴. La sous-couche 4f complètement remplie et les quatre électrons 5d confèrent au tungstène ses propriétés de métal de transition.
Couche P (n=6) : contient 6 électrons dans les sous-couches 6s² et 5d⁴.
Le tungstène possède effectivement 6 électrons de valence : deux électrons 6s² et quatre électrons 5d⁴. Le tungstène présente plusieurs états d'oxydation, du -2 au +6, avec les états +6 et +4 étant les plus stables et les plus courants.
Dans l'état d'oxydation +6, le tungstène perd ses deux électrons 6s et ses quatre électrons 5d pour former l'ion W⁶⁺ avec la configuration électronique [Xe] 4f¹⁴. Cet ion est diamagnétique et se trouve dans des composés comme WO₃ (trioxyde de tungstène) et les tungstates (WO₄²⁻). Dans l'état +4, le tungstène forme des composés comme WO₂ (dioxyde de tungstène) et WCl₄ (tétrachlorure de tungstène).
Le tungstène présente également une riche chimie des états inférieurs et des clusters. Par exemple, dans les composés en grappes comme [W₆Cl₈]Cl₄, le tungstène est à l'état moyen d'oxydation +2. Le tungstène(0) existe dans des complexes carbonyle comme W(CO)₆. Cette diversité d'états d'oxydation, combinée à la capacité du tungstène à former de multiples liaisons avec l'oxygène et d'autres éléments, en fait un élément chimiquement très riche et utile en catalyse.
À température ambiante, le tungstène est stable à l'air grâce à une fine couche d'oxyde protectrice. À haute température (au-dessus de 400 °C), il s'oxyde progressivement : 2W + 3O₂ → 2WO₃. L'oxydation devient rapide au-dessus de 800 °C. L'oxyde de tungstène(VI) (WO₃) est un solide jaune-vert qui sublime à 1700 °C. Pour protéger le tungstène de l'oxydation à haute température, il est souvent revêtu de siliciure de tungstène (WSi₂) ou utilisé en atmosphère inerte ou sous vide.
Le tungstène résiste à l'eau et à la vapeur d'eau jusqu'à des températures modérées. Il résiste à la plupart des acides à froid, mais est attaqué par :
Le tungstène se dissout dans les bases fortes en présence d'oxydants pour former des tungstates solubles.
Le tungstène réagit avec les halogènes à température élevée pour former des hexahalogénures : W + 3F₂ → WF₆ (hexafluorure, gaz incolore) ; W + 3Cl₂ → WCl₆ (hexachlorure, solide bleu-noir). Il réagit avec le carbone à haute température (>1400 °C) pour former le carbure de tungstène WC (point de fusion 2870 °C) ou W₂C, avec l'azote pour former le nitrure WN, avec le bore pour former le borure WB, et avec le soufre pour former le sulfure WS₂ (structure lamellaire similaire au graphite, utilisée comme lubrifiant solide).
La propriété la plus remarquable du tungstène est son point de fusion extrêmement élevé (3422 °C), le plus élevé de tous les métaux. Cette propriété est due à la forte liaison métallique résultant de la contribution des électrons 5d à la bande de conduction et à la structure cubique centrée compacte. Le tungstène conserve également sa résistance mécanique à haute température mieux que la plupart des autres matériaux. Ces propriétés en font le matériau de choix pour les applications à très haute température.
Le tungstène révolutionna l'éclairage au début du 20ème siècle lorsqu'il remplaça les filaments en carbone et en osmium dans les ampoules à incandescence. Avant le tungstène, les filaments avaient une durée de vie très limitée et une efficacité lumineuse faible. L'introduction du filament de tungstène ductile en 1910 par William D. Coolidge de General Electric permit de produire des ampoules plus durables, plus brillantes et plus efficaces. Cette innovation fut si importante que le tungstène devint synonyme d'éclairage électrique pendant près d'un siècle.
Les ampoules à filament de tungstène dominèrent l'éclairage pendant la majeure partie du 20ème siècle. Des améliorations successives inclurent les filaments à structure cristalline contrôlée, l'introduction de gaz halogénés (ampoules halogènes) pour réduire l'évaporation du tungstène, et les revêtements réfléchissants pour améliorer l'efficacité. Cependant, au 21ème siècle, les ampoules à incandescence ont été largement remplacées par les technologies plus efficaces (LED, fluorescentes) pour des raisons d'efficacité énergétique. Néanmoins, certaines applications spécialisées (projecteurs, fours, équipements scientifiques) continuent d'utiliser des filaments de tungstène.
La plus importante application actuelle du tungstène est le carbure de tungstène (WC), souvent appelé "métal dur" (hardmetal en anglais). Le carbure de tungstène représente environ 60% de la consommation mondiale de tungstène. Il combine la dureté et la résistance à l'usure des carbures avec une certaine ténacité, créant un matériau idéal pour les outils de coupe et d'usinage.
Le carbure de tungstène est produit par métallurgie des poudres : de la poudre de tungstène et de carbone sont mélangées, pressées dans la forme désirée, et frittées à haute température (1400-1600 °C). Souvent, un liant métallique (généralement du cobalt à 5-15%) est ajouté pour améliorer la ténacité. Le matériau résultant a des propriétés exceptionnelles :
Les alliages lourds de tungstène (WHA - Tungsten Heavy Alloys), contenant typiquement 90-97% de tungstène avec du nickel et du fer ou du cuivre comme liants, sont utilisés comme pénétrateurs cinétiques dans les munitions antichars. Ces projectiles utilisent leur densité très élevée (17-19 g/cm³) et leur résistance mécanique pour percer les blindages. Les avantages par rapport aux pénétrateurs à l'uranium appauvri incluent l'absence de toxicité radioactive et de controverses environnementales.
Le tungstène est également utilisé dans les blindages composites pour protéger contre les projectiles et les éclats. Sa haute densité permet d'absorber efficacement l'énergie cinétique. Des alliages et composites à base de tungstène sont utilisés dans les gilets pare-balles, les blindages de véhicules, et les protections pour installations stratégiques.
Le tungstène est le matériau standard pour les électrodes dans le soudage TIG (Tungsten Inert Gas). Les électrodes en tungstène, souvent dopées avec du thorium, du cérium, du lanthane ou du zirconium, ont un point de fusion élevé, une faible usure, et une bonne émission électronique. Elles permettent de créer et de maintenir un arc électrique stable à très haute température (jusqu'à 10 000 °C) sans fondre.
Les contacts électriques en tungstène ou en alliages tungstène-cuivre/tungstène-argent sont utilisés dans les disjoncteurs, interrupteurs, et autres équipements électriques haute performance. Le tungstène apporte la résistance à l'arc électrique et à l'érosion, tandis que le cuivre ou l'argent assurent la conductivité électrique.
Le tungstène est utilisé dans les semi-conducteurs comme matériau de barrière (barrière de diffusion) et pour les interconnexions. Sa haute température de fusion et sa faible diffusivité dans le silicium en font un matériau idéal pour empêcher la diffusion des métaux dans les dispositifs à semi-conducteurs. Le tungstène est également utilisé comme matériau de porte dans les transistors et comme matériau de contact.
En raison de sa haute densité et de son numéro atomique élevé (Z=74), le tungstène est un excellent absorbeur de rayons X et gamma. Il est utilisé dans les écrans de protection contre les radiations dans les applications médicales (radiologie), industrielles (gammagraphie), et nucléaires. Des alliages de tungstène sont utilisés pour les conteneurs de matières radioactives et les boucliers de réacteurs nucléaires.
Dans les réacteurs à fusion expérimentaux (tokamaks), le tungstène est utilisé comme matériau pour le divertor, la partie du réacteur qui doit résister aux flux de chaleur et de particules les plus intenses. Sa haute température de fusion, sa faible rétention de tritium, et sa bonne conductivité thermique en font le matériau de choix pour cette application extrême.
Le tungstène métallique et ses composés insolubles présentent une toxicité chimique faible. Le tungstène métallique est considéré comme biologiquement inerte. Cependant, certains composés solubles du tungstène, en particulier les tungstates, présentent une toxicité modérée. Des études récentes suggèrent que le tungstène pourrait interférer avec le métabolisme du molybdène (un élément essentiel) en raison de leurs similarités chimiques.
L'extraction et le traitement du tungstène peuvent générer des impacts environnementaux :
Le tungstène est largement recyclé, avec un taux estimé à 30-40%. Les sources de recyclage incluent :
Le recyclage est économiquement intéressant en raison de la valeur du tungstène et permet de réduire la pression sur les ressources minières. Les méthodes de recyclage incluent les procédés chimiques (attaque acide, fusion alcaline) et les procédés pyrométallurgiques.
L'exposition professionnelle au tungstène se produit dans les mines, les usines de traitement, les fabricants d'outils et d'équipements. Les principales voies d'exposition sont l'inhalation de poussières et de fumées. Des études sur les travailleurs exposés au tungstène et au carbure de tungstène ont montré des effets pulmonaires potentiels, souvent associés au cobalt utilisé comme liant dans les carbures. Des précautions de ventilation et de protection respiratoire sont donc nécessaires.
L’atome sous toutes ses formes : de l’intuition antique à la mécanique quantique 
