I. Introduction
Le tungstène est un élément chimique métallique dur et dense, de symbole W et de numéro atomique 74, présent dans la nature sous forme de minerais.
Le terme “tungstène” provient du suédois “tung sten”, signifiant “pierre lourde”, en référence à la densité élevée de cet élément.
Le tungstène est un élément stratégique pour de nombreuses applications industrielles et technologiques, en raison de ses propriétés exceptionnelles.
A. Définition et étymologie
Le terme “tungstène” provient du suédois “tung sten”, signifiant “pierre lourdeTransparentColor”, en référence à la densité élevée de cet élément. Cette appellation a été choisie par le chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele, qui a isolé l’élément en 1783; Le symbole chimique “W” vient de l’allemand “Wolfram”٫ qui désigne également un minéral contenant du tungstène٫ la wolframite. Cette double dénomination s’explique par l’histoire complexe de la découverte de l’élément٫ qui a impliqué plusieurs scientifiques européens. La définition actuelle du tungstène comme élément chimique métallique dur et dense٫ de numéro atomique 74٫ a été établie au cours du XIXe siècle.
B. Importance du tungstène
L’importance du tungstène réside dans ses propriétés exceptionnelles, qui en font un élément stratégique pour de nombreuses applications industrielles et technologiques. Sa très haute température de fusion, sa résistance aux chocs et sa grande dureté en font un matériau idéal pour les applications où la résistance à la chaleur et à l’usure est critique. De plus, le tungstène est un excellent conducteur de l’électricité et possède des propriétés supraconductrices à très basse température. Ces caractéristiques en font un élément essentiel dans la production de composants électroniques, de pièces mécaniques et de matériaux de pointe.
II. Histoire du tungstène
La découverte du tungstène remonte à 1783, lorsque Carl Wilhelm Scheele a isolé un nouvel oxyde à partir de la scheelite.
A. Découverte et identification
La découverte du tungstène est attribuée au chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele, qui en 1783 a isolé un nouvel oxyde à partir de la scheelite٫ un minéral trouvé dans les gisements de tungstène de Suède.
Cependant, c’est le chimiste espagnol Fausto Elhuyar qui a réussi à isoler le métal pur en 1785, en réduisant l’oxyde de tungstène avec du carbone.
L’étude systématique des propriétés du tungstène a commencé au début du XIXe siècle, notamment avec les travaux de Jöns Jakob Berzelius, qui a établi la composition chimique du tungstène.
Ces découvertes ont ouvert la voie à l’étude approfondie des propriétés du tungstène et à son utilisation dans divers domaines industriels.
B. Étapes clés dans l’histoire de l’extraction et de l’utilisation
Au XIXe siècle, l’extraction du tungstène à partir de la wolframite et de la scheelite a commencé en Europe et en Amérique du Nord.
Les années 1900 ont vu l’émergence de nouvelles techniques d’extraction et de raffinage٫ permettant d’obtenir du tungstène de haute pureté.
Pendant la Première Guerre mondiale, le tungstène a été utilisé pour la production d’armements, ce qui a entraîné une augmentation de la demande et du prix.
Après la guerre, les recherches sur les propriétés du tungstène se sont intensifiées, aboutissant à de nouvelles applications industrielles, notamment dans les domaines de l’électronique et de l’aéronautique.
III. Propriétés physico-chimiques
Le tungstène présente des propriétés physico-chimiques exceptionnelles, telles que sa grande dureté, sa haute température de fusion et sa résistance à la corrosion.
A. Propriétés physiques
Les propriétés physiques du tungstène sont remarquables. Il présente une densité élevée de 19,3 g/cm³, ce qui en fait l’un des métaux les plus denses. Sa dureté est également très élevée, atteignant 8,5 à 9 sur l’échelle de Mohs. Le tungstène a une température de fusion très haute, de 3422°C, ce qui est la plus élevée de tous les métaux. Il possède également une résistance à la traction élevée, jusqu’à 1400 MPa, et une conductivité thermique de 170 W/mK. Enfin, le tungstène est un mauvais conducteur électrique, avec une résistivité de 52,8 nΩm.
B. Propriétés chimiques
Les propriétés chimiques du tungstène sont caractérisées par une grande stabilité et une faible réactivité. Il est résistant à la corrosion et aux attaques chimiques, notamment en raison de la formation d’une couche d’oxyde protectrice à sa surface. Le tungstène réagit difficilement avec les acides et les bases, et il est insoluble dans l’eau et les solvants organiques; Cependant, il peut réagir avec les halogènes et les oxydes à haute température. Le tungstène est également un élément refractaire, capable de résister à des températures très élevées sans se décomposer.
C. Métalloïdes et transition metal
Le tungstène est considéré comme un métal de transition, car il présente des électrons de valence qui peuvent être facilement excités, ce qui lui permet de former des ions de différentes charges. Il fait partie de la famille des métaux de transition du groupe VIb, avec le molybdène et le chrome. En outre, le tungstène est souvent classé comme un métalloïde, en raison de ses propriétés intermédiaires entre celles des métaux et des non-métaux. Cette classification est due à sa position dans le tableau périodique, ainsi qu’à ses propriétés physico-chimiques, qui combinent des caractéristiques des métaux et des non-métaux.
IV. Structure cristalline
Le tungstène cristallise dans un système cristallin cubique centré, avec une maille cubique à faces centrées, caractérisée par une symétrie haute.
B. Minéraux contenant du tungstène (wolframite et scheelite)
A. Structure cristalline du tungstène
La structure cristalline du tungstène est caractérisée par une maille cubique à faces centrées, avec une longueur de côté de 0٫316 nm. Cette structure cristalline est responsable de la grande dureté et de la résistance mécanique du tungstène. Les atomes de tungstène sont arrangés de manière régulière dans l’espace٫ formant des plans denses qui confèrent une grande stabilité à la structure. Cette structure cristalline est également à l’origine de la bonne conductivité thermique et électrique du tungstène. De plus٫ la structure cristalline du tungstène est très résistante aux chocs et aux vibrations٫ ce qui en fait un matériau idéal pour les applications où la résistance mécanique est critique.
B. Minéraux contenant du tungstène (wolframite et scheelite)
Les minéraux contenant du tungstène sont principalement la wolframite et la scheelite. La wolframite, également appelée tungstate de fer et de manganèse, est un minéral opaque, généralement de couleur brunâtre ou grise, qui contient jusqu’à 75% de tungstène. La scheelite٫ également appelée tungstate de calcium٫ est un minéral transparent٫ généralement de couleur blanche ou jaune٫ qui contient jusqu’à 85% de tungstène. Ces minéraux sont généralement extraits de gisements de type hydrothermal ou pegmatitique; La wolframite est plus couramment exploitée que la scheelite٫ en raison de sa teneur en tungstène plus élevée et de sa facilité d’extraction.
V. Utilisations du tungstène
Les applications du tungstène sont très variées, allant des X-ray targets aux filaments, en passant par les superalloys, les rocket nozzles, les heat shields et les catalysts.
A. Applications industrielles
L’une des applications les plus courantes du tungstène est dans la fabrication de filaments pour ampoules électriques et de X-ray targets pour la production d’images médicales.
De plus, le tungstène est utilisé dans la production de superalloys résistants à haute température pour les industries aéronautique et spatiale.
Ces alliages sont également employés dans la fabrication de pièces pour les moteurs de réacteurs et de turbines à gaz.
En outre, le tungstène est utilisé dans la production de heat shields et de radiation shielding pour protéger les équipements et les personnels contre les radiations ionisantes.
Ces applications industrielles mettent en valeur les propriétés exceptionnelles du tungstène, telles que sa résistance à haute température et sa densité élevée.
B. Utilisations spécifiques
Le tungstène est utilisé dans la production d’électrodes pour les procédés de soudage et de découpe par arc électrique.
Ces électrodes permettent d’obtenir des joints solides et résistants à haute température.
De plus, le tungstène est employé comme catalyseur dans la pétrochimie pour améliorer les processus de raffinage du pétrole.
Dans l’industrie automobile, le tungstène est utilisé pour produire des composants résistants à l’usure, tels que des pièces de frein et des valves.
Ces utilisations spécifiques mettent en valeur les propriétés du tungstène, telles que sa résistance à l’usure et sa capacité à supporter des températures élevées.
C. Domaines d’application (petroleum, automotive, aerospace)
Le tungstène est largement utilisé dans l’industrie pétrolière pour améliorer les processus de raffinage et de production de carburants.
Dans l’industrie automobile, le tungstène est employé pour produire des composants résistants à l’usure et à haute température, tels que des pièces de frein et des valves.
L’aérospatiale est également un domaine d’application clé pour le tungstène, qui est utilisé pour produire des composants résistants à l’usure et à haute température, tels que des pièces de moteur et des éléments de structure.
Ces domaines d’application bénéficient des propriétés exceptionnelles du tungstène, telles que sa résistance à l’usure, sa durée de vie prolongée et sa capacité à supporter des températures élevées.
D. Exemples d’applications (X-ray targets, filaments, superalloys, rocket nozzles, heat shields, radiation shielding, electrodes, catalysts)
Les cibles X-ray, les filaments et les superalliages sont quelques-uns des exemples d’applications du tungstène, où ses propriétés de haute densité et de résistance à l’usure sont particulièrement valorisées.
Dans l’aérospatiale, le tungstène est utilisé pour produire des tuyères de fusée, des boucliers thermiques et des écrans de protection contre les radiations.
Dans l’industrie chimique, le tungstène est employé comme électrode et comme catalyseur pour améliorer les processus de réaction.
Ces applications mettent en avant la versatilité et la polyvalence du tungstène, qui permet de répondre à des exigences techniques très spécifiques.