Pantserdoorborende kogels, raketmotorstraalpijpen en boren om door massief gesteente te snijden zijn slechts enkele van de producten gemaakt met wolfraam, een van de hardste en meest hittebestendige elementen in het universum.

Wolfraam, zoals de meeste andere metalen elementen, wordt in de natuur niet gevonden als een glanzend stuk metaal. Het moet chemisch worden geïsoleerd van andere verbindingen, in dit geval het natuurlijk voorkomende mineraal wolframiet. Daarom is het wolfraamsymbool op het periodiek systeem niet T maar W, wat een afkorting is voor 'wolfram'. De naam wolfraam is Zweeds voor 'zware steen', een verwijzing naar de griezelige dichtheid en het gewicht van het element. Het atoomnummer (het aantal protonen in de kern van het atoom) is 74 en het atoomgewicht (gewogen gemiddelde van de natuurlijk voorkomende isotopen) is 183,84.

Een paar Spaanse scheikundigen (en broers), Juan José en Fausto Elhuyar, wordt gecrediteerd met de ontdekking van wolfraam in 1783 toen ze voor het eerst het grijswitte metaal uit wolframiet isoleerden.

Het hoogste smeltpunt van alle metalen

Een van de meest indrukwekkende en nuttige eigenschappen van wolfraam is het hoge smeltpunt, het hoogste van alle metalen elementen. Zuiver wolfraam smelt bij maar liefst 6.192 graden F (3.422 graden C) en kookt pas als de temperatuur 10.030 F (5.555 C) bereikt, wat dezelfde temperatuur is als de fotosfeer van de zon.

Ter vergelijking:ijzer heeft een smeltpunt van 2.800 graden F (1.538 graden C) en goud wordt vloeibaar bij slechts 1.947,52 graden F (1.064,18 graden C).

Alle metalen hebben een relatief hoog smeltpunt omdat hun atomen bij elkaar worden gehouden in strakke metaalbindingen, zegt John Newsam, een chemicus en materiaalwetenschapper waarmee we contact hebben opgenomen via de American Chemical Society. Metaalbindingen zijn zo sterk omdat ze elektronen delen over een hele driedimensionale reeks atomen. Newsam zegt dat wolfraam langer meegaat dan andere metalen vanwege de ongebruikelijke sterkte en gerichtheid van de metaalbindingen.

"Waarom is dat belangrijk?" vraagt ​​Newsam. "Denk aan Edison die werkt aan filamenten voor de gloeilamp. Hij had een materiaal nodig dat niet alleen licht uitstraalde, maar ook niet zou smelten door de hitte."

Edison experimenteerde met veel verschillende filamentmaterialen, waaronder platina, iridium en bamboe, maar het was een andere Amerikaanse uitvinder, William Coolidge, die wordt gecrediteerd voor het maken van de wolfraamfilamenten die in de meeste gloeilampen in de 20e eeuw worden gebruikt.

Het hoge smeltpunt van wolfraam heeft nog andere voordelen, zoals wanneer het als een legering wordt gemengd met materialen zoals staal. Wolfraamlegeringen zijn geplateerd op delen van raketten en raketten die enorme hitte moeten weerstaan, inclusief de motorsproeiers die explosieve stromen raketbrandstof uitstoten.

Waarom wolfraam zo zwaar is

De dichtheid van verschillende elementen is een weerspiegeling van de grootte van hun samenstellende atomen. Hoe lager je op het periodiek systeem komt, hoe groter en zwaarder de atomen.

"De zwaardere elementen, zoals wolfraam, hebben meer protonen en neutronen in de kern en meer elektronen in een baan rond de kern", zegt Newsam. "Dat betekent dat het gewicht van één atoom aanzienlijk toeneemt als je naar beneden gaat in het periodiek systeem."

In praktische termen, als je een homp wolfraam in de ene hand zou houden en hetzelfde volume zilver of ijzer in de andere hand, zou het wolfraam een ​​stuk zwaarder aanvoelen. In het bijzonder is de dichtheid van wolfraam 19,3 gram per kubieke centimeter. Ter vergelijking:zilver is ongeveer half zo dicht als wolfraam (10,5 g/cm ³ ), en ijzer heeft een dichtheid van bijna een derde (7,9 g/cm ³ ).

Het hoge gewicht van wolfraam kan in bepaalde toepassingen een voordeel zijn. Het wordt bijvoorbeeld vaak gebruikt in pantserdoorborende kogels vanwege de dichtheid en hardheid. Het leger gebruikt ook wolfraam om zogenaamde "kinetische bombardement"-wapens te maken die een staaf van wolfraam afschieten als een stormram in de lucht om door muren en tankpantser te breken.

Tijdens de Koude Oorlog zou de luchtmacht geëxperimenteerd hebben met een idee genaamd Project Thor dat een bundel wolfraamstaven van 20 voet (6 meter) vanuit een baan op vijandelijke doelen zou hebben laten vallen. Deze zogenaamde "staven van God" zouden hebben ingeslagen met de vernietigende kracht van een nucleair wapen, maar zonder de nucleaire fall-out. Het bleek dat de kosten om de zware staven de ruimte in te schieten onbetaalbaar waren.

Alleen diamanten zijn harder dan wolfraamcarbide

Zuiver wolfraam is niet zo moeilijk - je kunt er met een handzaag doorheen snijden - maar wanneer wolfraam wordt gecombineerd met kleine hoeveelheden koolstof, wordt het wolfraamcarbide, een van de hardste en taaiste stoffen op aarde.

"Als je kleine hoeveelheden koolstof of andere metalen in wolfraam stopt, fixeert het de structuur en voorkomt het dat het gemakkelijk vervormt", zegt Newsam.

Wolfraamcarbide is zo hard dat het alleen door diamanten kan worden geslepen, en zelfs dan werken diamanten alleen als het wolfraamcarbide niet volledig is uitgehard. Wolfraamcarbide is tot drie keer zo stijf als staal, kan tot 100 keer langer meegaan dan staal onder zeer schurende omstandigheden, en heeft de grootste druksterkte van alle gesmede metalen, wat betekent dat het niet zal deuken of vervormen wanneer het onder enorme kracht wordt geperst .

Het meest voorkomende gebruik voor wolfraamcarbide - en de eindbestemming van het grootste deel van het gedolven wolfraam op de planeet - is gespecialiseerd gereedschap, met name boren. Elke soort boor voor het snijden van metaal of massief gesteente moet bestand zijn tegen zware wrijvingen zonder bot te worden of te breken. Alleen diamantboren zijn harder dan wolfraamcarbide, maar ze zijn ook veel duurder.

Andere coole toepassingen voor wolfraam

De hardheid, dichtheid en hittebestendigheid van wolfraam maken het ideaal voor veel nichetoepassingen:

• Elektronenmicroscopen schieten een stroom elektronen uit een speciale emittertip gemaakt van wolfraam.
• De meeste lassen tussen metaal en glas zijn gemaakt van wolfraam, omdat wolfraam even snel uitzet en krimpt als borosilicaatglas, de meest voorkomende glassoort.
• De spikes op sneeuwscootersporen zijn gemaakt van wolfraamlegeringen.
• Professionele darts zijn gemaakt met wolfraam (de "Wolfram Infinity" is voor 97 procent wolfraam).
• Bij balpennen is de eigenlijke bal vaak gemaakt van wolfraamcarbide.
• De sieradenindustrie maakt ringen van wolfraamcarbide.

Vervalsers kwamen er lang geleden achter dat wolfraam bijna net zo dicht is als goud, en proberen soms vergulde staven van wolfraam voor puur goud te laten doorgaan.