टंगस्टन (W) अभ्यास मार्गदर्शक - गुणधर्म, अभिक्रिया आणि उपयोग

परिचय: टंगस्टनचे महत्त्व

टंगस्टन (W), हे “टंग स्तेन” या स्वीडिश शब्दांवरून आले आहे, ज्याचा अर्थ “जड दगड” असा होतो. हे एक उल्लेखनीय संक्रमण धातू आहे, जे त्याच्या असाधारण गुणधर्मांसाठी ओळखले जाते. ज्ञात धातूंमध्ये याचा वितळणबिंदू (melting point) सर्वाधिक आहे, उच्च तापमानावर याची तन्य शक्ती (tensile strength) उत्कृष्ट असते आणि याला उत्कृष्ट गंज प्रतिरोधक क्षमता (corrosion resistance) आहे. या वैशिष्ट्यांमुळे, तापदीप्त दिव्यांच्या फिलामेंट्सपासून ते उच्च-वेगाच्या कटिंग टूल्स आणि विशेष मिश्रधातूंपर्यंत (alloys) अनेक उच्च-कार्यक्षम अनुप्रयोगांमध्ये (applications) ते अपरिहार्य बनले आहे.

CBSE/JEE जलद उजळणी नोट्स

चिन्ह: W
अणुक्रमांक: 74
अणुवस्तुमान: 183.84 u
गट: 6
आवर्त: 6
खंड: d-खंड (संक्रमण धातू)
स्वरूप: कठीण, ठिसूळ, चमकदार-पांढरा धातू
वितळणबिंदू: 3422 °C (सर्व धातूंमध्ये सर्वाधिक)
उत्कलनांक: 5930 °C
घनता: 19.25 g/cm³ (अत्यंत उच्च)
सामान्य ऑक्सिडीकरण अवस्था: +2, +3, +4, +5, +6 (सर्वात स्थिर आणि सामान्य +6 आहे)
स्फटिक संरचना: बॉडी-सेंटर्ड क्यूबिक (BCC)

इलेक्ट्रॉन संरूपण आणि बंध वर्तन

इलेक्ट्रॉन संरूपण

टंगस्टनचे इलेक्ट्रॉन संरूपण असे आहे: [Xe] 4f^14 5d^4 6s^2

बंध वर्तन

टंगस्टनमध्ये संक्रमण धातूंशी संबंधित बदलणाऱ्या ऑक्सिडीकरण अवस्था (variable oxidation states) दिसून येतात, ज्यापैकी +6 ही सर्वात सामान्य आणि स्थिर अवस्था आहे. उच्च ऑक्सिडीकरण अवस्था 5d आणि 6s या दोन्ही इलेक्ट्रॉन्सच्या बंधातील सहभागामुळे उद्भवतात. टंगस्टनची संयुगे, विशेषतः उच्च ऑक्सिडीकरण अवस्थांमधील संयुगे, महत्त्वपूर्ण सहसंयुज (covalent) वैशिष्ट्ये दर्शवतात. ते स्थिर ऑक्साईड (उदा. WO₃), हॅलाईड (उदा. WF₆) आणि टंगस्टेट्स (टंगस्टिक ऍसिडची H₂WO₄ लवणे) तयार करतात. त्याच्या मजबूत धात्विक बंधांमुळे त्याचा वितळणबिंदू अत्यंत उच्च असतो.

महत्त्वाच्या रासायनिक अभिक्रिया

टंगस्टन सामान्य तापमानावर तुलनेने कमी क्रियाशील असते, परंतु उच्च तापमानावर ते अभिक्रिया करते.

ऑक्सिजनसोबत अभिक्रिया

उच्च तापमानावर टंगस्टन ऑक्सिजनमध्ये जळून टंगस्टन(VI) ऑक्साईड (टंगस्टन ट्रायऑक्साइड) तयार करते. 2W(s) + 3O₂(g) --(heat)--> 2WO₃(s)

हॅलोजन्ससोबत अभिक्रिया

टंगस्टन हॅलोजन्ससोबत अभिक्रिया करून विविध टंगस्टन हॅलाईड्स तयार करते. उदाहरणार्थ, फ्लोरीनसोबत ते टंगस्टन(VI) फ्लोराईड, एक अस्थिर संयुग तयार करते. W(s) + 3F₂(g) --(heat)--> WF₆(g) क्लोरीनसोबत ते टंगस्टन(VI) क्लोराईड तयार करू शकते: 2W(s) + 6Cl₂(g) --(heat)--> 2WCl₆(s)

ऍसिडस्सोबत अभिक्रिया

टंगस्टन सामान्यतः खोलीच्या तापमानावर बहुतेक ऍसिडस्च्या हल्ल्यास प्रतिरोधक असते.

अनॉक्सिडीकरण करणारे ऍसिडस् (उदा. HCl, विरल H₂SO₄): टंगस्टन मोठ्या प्रमाणात अक्रियाशील असते.
प्रबळ ऑक्सिडीकरण करणारे ऍसिडस् (उदा. उष्ण संहत HNO₃): टंगस्टन अभिक्रिया करून टंगस्टिक ऍसिड (H₂WO₄) तयार करते, जे अविद्राव्य (insoluble) आहे. W(s) + 6HNO₃(conc) --(heat)--> H₂WO₄(s) + 6NO₂(g) + 2H₂O(l)
हायड्रोफ्लोरिक आणि नायट्रिक ऍसिडचे मिश्रण (HF/HNO₃): हे मिश्रण टंगस्टन विरघळवू शकते, ज्यामुळे हेक्साफ्लोरोटंगस्टिक ऍसिड तयार होते. W(s) + 10HF(aq) + 2HNO₃(aq) --> H₂[WF₆](aq) + 2NO(g) + 6H₂O(l)

बेससोबत अभिक्रिया

टंगस्टन सामान्यतः अल्कली द्रावणांना प्रतिरोधक असते, परंतु ते वितळलेल्या अल्कलीमध्ये हळूहळू विरघळून टंगस्टेट्स तयार करू शकते. WO₃(s) + 2NaOH(l) --(heat)--> Na₂WO₄(l) + H₂O(g)

औद्योगिक आणि जैविक महत्त्व

औद्योगिक महत्त्व

टंगस्टनचे अद्वितीय गुणधर्म अनेक औद्योगिक अनुप्रयोगांसाठी महत्त्वाचे आहेत:

फिलामेंट्स: त्याचा उच्च वितळणबिंदू आणि सामर्थ्य यामुळे ते तापदीप्त दिव्यांच्या फिलामेंट्स, व्हॅक्यूम ट्यूब फिलामेंट्स आणि एक्स-रे ट्यूब लक्ष्यांसाठी आदर्श आहे.
मिश्रधातू: टंगस्टनचा उपयोग कठीण, उष्णता-प्रतिरोधक मिश्रधातू बनवण्यासाठी मोठ्या प्रमाणात केला जातो.
- उच्च-वेग पोलाद (High-Speed Steel): ते कडकपणा, सामर्थ्य आणि झीज प्रतिरोध (wear resistance) सुधारते, तसेच उच्च तापमानावर हे गुणधर्म टिकवून ठेवते (उदा. कटिंग टूल्ससाठी).
- सुपरअलॉईज (Superalloys): जेट इंजिनचे घटक, रॉकेट नोजल आणि इतर उच्च-तापमानातील अनुप्रयोगांमध्ये वापरले जाते.
टंगस्टन कार्बाइड (WC): एक अत्यंत कठीण पदार्थ, जो सहसा कोबाल्ट (सिमेंटेड कार्बाइड) सोबत मिश्रित केला जातो, कटिंग टूल्स (ड्रिल, मिलिंग कटर), अपघर्षक (abrasives), आर्मर-भेदन दारुगोळा (armor-piercing ammunition) आणि खाणकाम उपकरणांसाठी वापरला जातो.
इलेक्ट्रोड्स: त्याच्या उच्च वितळणबिंदू आणि विद्युत चालकतेमुळे TIG (Tungsten Inert Gas) वेल्डिंगमध्ये वापरले जाते.
इलेक्ट्रिकल संपर्क (Electrical Contacts): स्विचेस आणि सर्किट ब्रेकरमध्ये वापरले जाते.
काउंटरवेट्स आणि बॅलस्ट्स (Counterweights and Ballasts): त्याच्या उच्च घनतेमुळे ते विमानांमध्ये, गोल्फ क्लबमध्ये आणि रेडिएशन शील्डिंगमध्ये काउंटरवेट्ससाठी योग्य आहे.
रासायनिक उद्योग (Chemical Industry): टंगस्टन ऑक्साईड आणि सल्फाईड विविध रासायनिक अभिक्रियांमध्ये उत्प्रेरक (catalysts) म्हणून काम करतात.

जैविक महत्त्व

टंगस्टन काही सूक्ष्मजीवांसाठी (काही जीवाणू आणि आर्किया) एक आवश्यक सूक्ष्म-घटक (trace element) आहे, जिथे ते विशिष्ट एन्झाईम्समध्ये, विशेषतः ऑक्सिडोरेडक्टेसमध्ये (उदा. ॲल्डिहाइड फेरेडॉक्सिन ऑक्सिडोरेडक्टेस), सहकारक (cofactor) म्हणून कार्य करते. तथापि, ते मानवांसाठी किंवा उच्च प्राण्यांसाठी आवश्यक घटक मानले जात नाही. सामान्यतः कमी विषारी असले तरी, त्यांच्या रासायनिक समानतेमुळे उच्च एकाग्रता मॉलिब्डेनम चयापचयामध्ये (molybdenum metabolism) अडथळा आणू शकते.