O tungstênio é sintetizado nas estrelas principalmente pelo processo s (captura lenta de nêutrons) que ocorre em estrelas AGB (gigantes assintóticas) de baixa a média massa. Como elemento pesado com número atômico par (Z=74), é produzido eficientemente por esse processo. O tungstênio também apresenta contribuição significativa do processo r (captura rápida de nêutrons) durante eventos explosivos como supernovas e fusões de estrelas de nêutrons. Modelos estimam que cerca de 50-60% do tungstênio solar provém do processo s, e 40-50% do processo r. Essa produção mista torna-o um traçador interessante de ambos os processos de nucleossíntese.
A abundância cósmica do tungstênio é de cerca de 8,0×10⁻¹³ vezes a do hidrogênio em número de átomos, tornando-o ligeiramente mais abundante que o tântalo (Z=73) mas menos abundante que o háfnio (Z=72). O tungstênio possui cinco isótopos naturais estáveis (180, 182, 183, 184, 186), o que é incomum para um elemento tão pesado. O isótopo W-184 é o mais abundante (30,64%), seguido pelo W-186 (28,43%). As abundâncias isotópicas do tungstênio são usadas em geoquímica e cosmoquímica como traçadores de processos.
O sistema isotópico háfnio-tungstênio (¹⁸²Hf → ¹⁸²W) é um dos cronômetros mais importantes para datar os eventos mais precoces do sistema solar. O háfnio-182 é um isótopo radioativo de curta duração (meia-vida de 8,9 milhões de anos) que decai em tungstênio-182. A importância desse sistema reside na diferença geoquímica fundamental entre esses dois elementos: o háfnio é litófilo (concentra-se nos silicatos) enquanto o tungstênio é siderófilo (concentra-se no metal). Assim, durante a formação do núcleo metálico de um planeta, o tungstênio é extraído do manto silicatado e incorporado ao núcleo.
Medindo as anomalias de tungstênio-182 em meteoritos e amostras lunares e terrestres, os cosmoquímicos podem datar a formação do núcleo terrestre e a diferenciação dos corpos planetários. Os dados sugerem que o núcleo terrestre se formou nos primeiros 30 a 50 milhões de anos do sistema solar, e que a diferenciação da Lua ocorreu pouco depois do impacto gigante que a formou. O sistema Hf-W também foi usado para datar a formação de Marte, Vesta e outros corpos do sistema solar.
O tungstênio possui dois nomes de origem diferente. O nome "tungstênio" vem do sueco "tung sten" que significa "pedra pesada", referindo-se à alta densidade do mineral wolframita. O nome "wolfram" (e o símbolo W) vem do alemão "Wolf Rahm" que significa "espuma de lobo", termo usado por mineiros alemães da Idade Média que notavam que a wolframita interferia na fusão do estanho, "devorando" o estanho como um lobo devora sua presa. Hoje, "tungstênio" é usado em português e inglês, enquanto "wolfram" é usado em alemão e em vários outros idiomas.
O tungstênio foi descoberto em 1783 pelos irmãos espanhóis Fausto Elhuyar (1755-1833) e Juan José Elhuyar (1754-1796) no Seminário Patriótico de Vergara, no País Basco espanhol. Eles reduziram o óxido de tungstênio (WO₃) com carvão vegetal para obter o metal impuro. Sua descoberta foi independente dos trabalhos anteriores do químico sueco Carl Wilhelm Scheele, que em 1781 havia descoberto o ácido túngstico a partir da scheelita (CaWO₄) mas não havia isolado o metal. Os irmãos Elhuyar são, portanto, creditados com o primeiro isolamento do tungstênio metálico.
As primeiras aplicações do tungstênio foram limitadas devido às dificuldades em trabalhá-lo. Só no início do século XX é que métodos de metalurgia do pó foram desenvolvidos para produzir tungstênio dúctil. Um grande avanço foi realizado em 1903 pelo químico austríaco Alexander Just e pelo físico alemão Franz Skaupy, que desenvolveram um processo para produzir fio de tungstênio dúctil por sinterização na presença de metais de adição. Esse desenvolvimento permitiu o uso do tungstênio em filamentos de lâmpadas elétricas, revolucionando a iluminação.
O tungstênio está presente na crosta terrestre em uma concentração média de cerca de 1,25 ppm (partes por milhão), tornando-o tão abundante quanto o estanho ou o molibdênio. Os principais minérios de tungstênio são:
A produção mundial de tungstênio é de cerca de 85.000 a 90.000 toneladas por ano (em equivalente WO₃). A China domina amplamente a produção com cerca de 80% do total mundial, seguida por Vietnã, Rússia, Bolívia e Ruanda. O tungstênio é considerado um metal estratégico e crítico por muitos países devido à sua importância para a defesa e a indústria. Os preços geralmente variam entre 25 e 50 dólares por quilograma para o concentrado de WO₃.
O tungstênio (símbolo W, número atômico 74) é um metal de transição do 6º período, localizado no grupo 6 (antigamente VIB) da tabela periódica, junto com o cromo e o molibdênio. Seu átomo possui 74 prótons, geralmente 110 nêutrons (para o isótopo mais abundante \(\,^{184}\mathrm{W}\)) e 74 elétrons com a configuração eletrônica [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s². Essa configuração apresenta quatro elétrons na subcamada 5d e dois na 6s, característica dos metais de transição do grupo 6.
O tungstênio é um metal cinza-aço, brilhante, muito denso (19,25 g/cm³), duro e com o ponto de fusão mais alto de todos os metais (3422 °C). Apresenta uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC) à temperatura ambiente. O tungstênio tem um módulo de elasticidade muito alto (cerca de 411 GPa), tornando-o muito rígido. Sua condutividade elétrica é boa (cerca de 30% da do cobre) e sua condutividade térmica é moderada. O tungstênio conserva suas propriedades mecânicas em alta temperatura melhor do que quase todos os outros metais.
O tungstênio funde a 3422 °C (3695 K) - o ponto de fusão mais alto de todos os metais - e ferve a 5555 °C (5828 K). Apresenta a menor pressão de vapor de todos os metais em alta temperatura, tornando-o ideal para aplicações a vácuo em alta temperatura. O tungstênio não apresenta transformações alotrópicas abaixo de seu ponto de fusão, conservando sua estrutura cúbica de corpo centrado até a fusão.
À temperatura ambiente, o tungstênio é relativamente inerte e resistente à corrosão graças a uma fina camada de óxido protetora. Reage com o oxigênio em alta temperatura para formar o óxido WO₃. O tungstênio resiste à maioria dos ácidos, mas é atacado por misturas de ácido nítrico e fluorídrico. Reage com halogênios, carbono, boro, nitrogênio e enxofre em alta temperatura para formar diversos compostos.
Ponto de fusão do tungstênio: 3695 K (3422 °C) - o mais alto de todos os metais.
Ponto de ebulição do tungstênio: 5828 K (5555 °C).
Densidade: 19,25 g/cm³ - muito denso, comparável ao ouro.
Estrutura cristalina à temperatura ambiente: Cúbica de corpo centrado (CCC).
Módulo de elasticidade: 411 GPa - muito rígido.
Dureza: 7,5 na escala de Mohs (puro).
| Isótopo / Notação | Prótons (Z) | Nêutrons (N) | Massa atômica (u) | Abundância natural | Meia-vida / Estabilidade | Decaimento / Observações |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Tungstênio-180 — \(\,^{180}\mathrm{W}\,\) | 74 | 106 | 179,946704 u | ≈ 0,12 % | 1,8×10¹⁸ anos | Radioativo alfa com meia-vida extremamente longa. Considerado estável para a maioria das aplicações. |
| Tungstênio-182 — \(\,^{182}\mathrm{W}\,\) | 74 | 108 | 181,948204 u | ≈ 26,50 % | Estável | Isótopo estável, produto final do decaimento do háfnio-182 (sistema Hf-W para datação). |
| Tungstênio-183 — \(\,^{183}\mathrm{W}\,\) | 74 | 109 | 182,950223 u | ≈ 14,31 % | Estável | Isótopo estável com spin nuclear 1/2, usado em espectroscopia de RMN. |
| Tungstênio-184 — \(\,^{184}\mathrm{W}\,\) | 74 | 110 | 183,950931 u | ≈ 30,64 % | Estável | Isótopo estável mais abundante na natureza. |
| Tungstênio-186 — \(\,^{186}\mathrm{W}\,\) | 74 | 112 | 185,954364 u | ≈ 28,43 % | Estável | Isótopo estável, segundo mais abundante na mistura natural. |
N.B.:
Camadas eletrônicas: Como os elétrons estão organizados ao redor do núcleo.
O tungstênio possui 74 elétrons distribuídos em seis camadas eletrônicas. Sua configuração eletrônica [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s² apresenta uma subcamada 4f completamente preenchida (14 elétrons) e quatro elétrons na subcamada 5d. Essa configuração também pode ser escrita como: K(2) L(8) M(18) N(18) O(32) P(6), ou de forma completa: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d⁴ 6s².
Camada K (n=1): contém 2 elétrons na subcamada 1s. Essa camada interna está completa e é muito estável.
Camada L (n=2): contém 8 elétrons distribuídos em 2s² 2p⁶. Essa camada está completa, formando uma configuração de gás nobre (neônio).
Camada M (n=3): contém 18 elétrons distribuídos em 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Essa camada completa contribui para o blindagem eletrônica.
Camada N (n=4): contém 18 elétrons distribuídos em 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Essa camada forma uma estrutura estável.
Camada O (n=5): contém 32 elétrons distribuídos em 5s² 5p⁶ 4f¹⁴ 5d⁴. A subcamada 4f completamente preenchida e os quatro elétrons 5d conferem ao tungstênio suas propriedades de metal de transição.
Camada P (n=6): contém 6 elétrons nas subcamadas 6s² e 5d⁴.
O tungstênio possui efetivamente 6 elétrons de valência: dois elétrons 6s² e quatro elétrons 5d⁴. O tungstênio apresenta vários estados de oxidação, de -2 a +6, sendo os estados +6 e +4 os mais estáveis e comuns.
No estado de oxidação +6, o tungstênio perde seus dois elétrons 6s e seus quatro elétrons 5d para formar o íon W⁶⁺ com a configuração eletrônica [Xe] 4f¹⁴. Esse íon é diamagnético e é encontrado em compostos como WO₃ (trióxido de tungstênio) e tungstatos (WO₄²⁻). No estado +4, o tungstênio forma compostos como WO₂ (dióxido de tungstênio) e WCl₄ (tetracloreto de tungstênio).
O tungstênio também apresenta uma rica química de estados inferiores e clusters. Por exemplo, em compostos de cluster como [W₆Cl₈]Cl₄, o tungstênio está em um estado de oxidação médio de +2. O tungstênio(0) existe em complexos carbonila como W(CO)₆. Essa diversidade de estados de oxidação, combinada com a capacidade do tungstênio de formar múltiplas ligações com o oxigênio e outros elementos, torna-o um elemento quimicamente muito rico e útil em catálise.
À temperatura ambiente, o tungstênio é estável ao ar graças a uma fina camada de óxido protetora. Em alta temperatura (acima de 400 °C), oxida-se gradualmente: 2W + 3O₂ → 2WO₃. A oxidação torna-se rápida acima de 800 °C. O óxido de tungstênio(VI) (WO₃) é um sólido amarelo-esverdeado que sublima a 1700 °C. Para proteger o tungstênio da oxidação em alta temperatura, ele é frequentemente revestido com silicieto de tungstênio (WSi₂) ou usado em atmosfera inerte ou a vácuo.
O tungstênio resiste à água e ao vapor d'água até temperaturas moderadas. Resiste à maioria dos ácidos a frio, mas é atacado por:
O tungstênio dissolve-se em bases fortes na presença de oxidantes para formar tungstatos solúveis.
O tungstênio reage com halogênios em alta temperatura para formar hexahaletos: W + 3F₂ → WF₆ (gás incolor); W + 3Cl₂ → WCl₆ (sólido azul-escuro). Reage com carbono em alta temperatura (>1400 °C) para formar carbeto de tungstênio WC (ponto de fusão 2870 °C) ou W₂C, com nitrogênio para formar nitreto WN, com boro para formar boreto WB, e com enxofre para formar sulfeto WS₂ (estrutura lamelar semelhante ao grafite, usada como lubrificante sólido).
A propriedade mais notável do tungstênio é seu ponto de fusão extremamente alto (3422 °C), o mais alto de todos os metais. Essa propriedade deve-se à forte ligação metálica resultante da contribuição dos elétrons 5d para a banda de condução e à estrutura cúbica de corpo centrado compacta. O tungstênio também conserva sua resistência mecânica em alta temperatura melhor do que a maioria dos outros materiais. Essas propriedades tornam-no o material de escolha para aplicações em temperaturas muito altas.
O tungstênio revolucionou a iluminação no início do século XX quando substituiu os filamentos de carbono e ósmio nas lâmpadas incandescentes. Antes do tungstênio, os filamentos tinham vida útil muito limitada e baixa eficiência luminosa. A introdução do filamento de tungstênio dúctil em 1910 por William D. Coolidge, da General Electric, permitiu produzir lâmpadas mais duráveis, mais brilhantes e mais eficientes. Essa inovação foi tão importante que o tungstênio tornou-se sinônimo de iluminação elétrica por quase um século.
As lâmpadas com filamento de tungstênio dominaram a iluminação durante a maior parte do século XX. Melhorias sucessivas incluíram filamentos com estrutura cristalina controlada, a introdução de gases halogênios (lâmpadas halógenas) para reduzir a evaporação do tungstênio, e revestimentos refletivos para melhorar a eficiência. No entanto, no século XXI, as lâmpadas incandescentes foram amplamente substituídas por tecnologias mais eficientes (LED, fluorescentes) por razões de eficiência energética. Ainda assim, algumas aplicações especializadas (projetores, fornos, equipamentos científicos) continuam a usar filamentos de tungstênio.
A aplicação atual mais importante do tungstênio é o carbeto de tungstênio (WC), muitas vezes chamado de "metal duro". O carbeto de tungstênio representa cerca de 60% do consumo mundial de tungstênio. Ele combina a dureza e a resistência ao desgaste dos carbonetos com certa tenacidade, criando um material ideal para ferramentas de corte e usinagem.
O carbeto de tungstênio é produzido por metalurgia do pó: pó de tungstênio e carbono são misturados, prensados na forma desejada e sinterizados em alta temperatura (1400-1600 °C). Frequentemente, um ligante metálico (geralmente 5-15% de cobalto) é adicionado para melhorar a tenacidade. O material resultante possui propriedades excepcionais:
As ligas pesadas de tungstênio (WHA), contendo tipicamente 90-97% de tungstênio com níquel e ferro ou cobre como ligantes, são usadas como penetradores cinéticos em munições antitanque. Esses projéteis utilizam sua densidade muito alta (17-19 g/cm³) e resistência mecânica para perfurar blindagens. As vantagens em relação aos penetradores de urânio empobrecido incluem a ausência de toxicidade radioativa e controvérsias ambientais.
O tungstênio também é usado em blindagens compostas para proteger contra projéteis e estilhaços. Sua alta densidade permite absorver eficientemente a energia cinética. Ligas e compostos à base de tungstênio são usados em coletes à prova de balas, blindagens de veículos e proteções para instalações estratégicas.
O tungstênio é o material padrão para eletrodos na soldagem TIG (Tungsten Inert Gas). Os eletrodos de tungstênio, muitas vezes dopados com tório, cério, lantânio ou zircônio, têm um ponto de fusão alto, baixo desgaste e boa emissão eletrônica. Eles permitem criar e manter um arco elétrico estável em temperaturas muito altas (até 10.000 °C) sem fundir.
Contatos elétricos de tungstênio ou de ligas de tungstênio-cobre/tungstênio-prata são usados em disjuntores, interruptores e outros equipamentos elétricos de alto desempenho. O tungstênio proporciona resistência ao arco elétrico e à erosão, enquanto o cobre ou a prata garantem a condutividade elétrica.
O tungstênio é usado em semicondutores como material de barreira (barreira de difusão) e para interconexões. Sua alta temperatura de fusão e baixa difusividade no silício o tornam um material ideal para evitar a difusão de metais em dispositivos semicondutores. O tungstênio também é usado como material de porta em transistores e como material de contato.
Devido à sua alta densidade e alto número atômico (Z=74), o tungstênio é um excelente absorvedor de raios X e gama. É usado em escudos de proteção contra radiações em aplicações médicas (radiologia), industriais (gamagrafia) e nucleares. Ligas de tungstênio são usadas para recipientes de materiais radioativos e blindagens de reatores nucleares.
Em reatores de fusão experimentais (tokamaks), o tungstênio é usado como material para o divertor, a parte do reator que deve resistir aos fluxos de calor e partículas mais intensos. Sua alta temperatura de fusão, baixa retenção de trítio e boa condutividade térmica o tornam o material de escolha para essa aplicação extrema.
O tungstênio metálico e seus compostos insolúveis apresentam baixa toxicidade química. O tungstênio metálico é considerado biologicamente inerte. No entanto, alguns compostos solúveis de tungstênio, em particular os tungstatos, apresentam toxicidade moderada. Estudos recentes sugerem que o tungstênio poderia interferir no metabolismo do molibdênio (um elemento essencial) devido às suas semelhanças químicas.
A extração e o processamento do tungstênio podem gerar impactos ambientais:
O tungstênio é amplamente reciclado, com uma taxa estimada de 30-40%. As fontes de reciclagem incluem:
A reciclagem é economicamente atraente devido ao valor do tungstênio e ajuda a reduzir a pressão sobre os recursos minerais. Os métodos de reciclagem incluem processos químicos (ataque ácido, fusão alcalina) e processos pirometalúrgicos.
A exposição ocupacional ao tungstênio ocorre em minas, usinas de processamento, fabricantes de ferramentas e equipamentos. As principais vias de exposição são a inalação de poeira e fumos. Estudos com trabalhadores expostos ao tungstênio e ao carbeto de tungstênio mostraram possíveis efeitos pulmonares, muitas vezes associados ao cobalto usado como ligante nos carbonetos. Portanto, são necessárias precauções de ventilação e proteção respiratória.
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