Priče o elementima #31: volfram – metal koji je proslavio Hrvatsku

Volfram je hrvatski metal. Malo sam pretjerao, pa ipak: hrvatski kemičar Franjo Hanaman u suradnji s Austrijancem Aleksanderom Justom napravio je prvu žarulju s volframovom žarnom niti. Njihova žarulja nije bila prva žarulja takve vrste, električna svjetiljka sa žarnom niti – Edison je upotrijebio ugljenu nit, a već su gorjele žarulje s metalnom, platinskom niti – no upravo je Hanaman uveo električno svjetlo u svaku kuću jer se s volframom ništa nije moglo mjeriti. To govorim zato što je volfram metal s najvišim talištem (3410 ^oC), mnogo višim od tališta platine (1772 ^oC), a usto mnogo jeftiniji od nje.

Hanamanova je metoda izrade niti od volframa bila posve kemijska. Reakcijom para volframovih spojeva sa žarnom niti od ugljena, ugljik bi se postepeno zamjenjivao metalom. Lijepo zvuči, ali… Problem je bio da se reakcijom hlapljivih volframovih spojeva, WOCl₄ i WO₂Cl₂, s ugljenom niti ne uklanja sav ugljik, a usto se dio ugljika spaja s izlučenim metalom u karbide, WC i W₂C. Da bi se ti problemi riješili, trebalo je iskušati a nakon iskušavanja patentirati mnoge postupke, da bi konačno,1906. godine, tvornica u mađarskom gradu Ujpestu proizvela prvu volframovu žarulju. Novi je proizvod bio toliko uspješan da je tvrtka 1909. godine promijenila ime u Tungsram. Zašto baš tako? To je ime, i nova riječ, nastala stapanjem dvaju imena istog kemijskog elementa – njemačkog Wolfram i engleskog tungsten. No tajna Hanaman-Justovog postupka ostala je i dalje tajnom.

Ostala je tajnom zbog toga što je nedugo nakon europskih kemičara Amerikanac William David Coolidge patentirao mnogo bolju metodu proizvodnje volframovih niti, pa je postupak dvojice podanika Austrougarske monarhije napušten. Njime se više nitko, pa ni Hanaman nije htio baviti, pa stoga više nikoga nisu zanimale reakcije redukcije volframovih oksiklorida ugljikom. Kemijske jednadžbe koje je pisao Hanaman bile su doduše kemijski smislene, ali sve što je smisleno ne mora biti istinito. Današnje metode kemijske analize bacile bi novo svjetlo na te reakcije, ali tko da se njima bavi?

No vratimo se junaku naše priče, stanovniku 74. „kućice“ periodnog sustava, kemijskom elementu kojem je simbol W, a ime volfram ili – ipak! – tungsten. I jedno i drugo ime međutim ukazuje na jedan mineral, mineral koji se zvao tungsten, a danas se zove šelit. Po kemijskom sastavu šelit (tungsten) je kalcijev volframat, CaWO₄. Tungsten znači na švedskom „težak kamen“ (tung = težak + sten = kamen). I doista je težak: gustoća mu iznosi čak 6,1 g/cm³ – teži je od barita, BaSO₄ (4,5 g/cm³), minerala koji je dobio ime upravo po velikoj specifičnoj težini. Gustoća šelita jednaka je gustoći vanadija i ne mnogo manja o gustoće željeza (7,9 g/cm³). No što je s drugim, opće prihvaćenim imenom – volfram?

To je ime još čudnije od prvo navedenog, jer bi se Wolfram moglo prevesti kao „vukova troska“ (njem. Wolf = vuk, Rahm = skorup). To su mu ime dali metalurzi koji su primijetili da ako se u kositrenoj rudi nalazi težak kamen žućkaste boje, on stvara trosku koja „proždire kositar kao vuk ovce“. Tajnu teškog kamena koji proždire kositar riješio je švedski kemičar Carl Wilhelm Scheele, kojeg poznajemo kao suotkrivača kisika, kada je 1781. iz njega izdvojio oksid novog metala, volframov trioksid, WO₃. Nije trebalo dugo čekati da dvojica španjolskih kemičara, braća José i Fausto Elhuyar 1783. godine iz tog oksida, redukcijom drvenim ugljenom, dobiju novi metal. Danas se međutim volframov oksid puno elegantnije reducira vodikom (pri 1200 ^oC). Unatoč uspjehu braće Elhuyar, ipak se Scheele smatra otkrivačem volframa, pa se mineral koji je zadavao tolike muke metalurzima zove po njemu (šelit, scheelite).

Volfram gotovo cijelo stoljeće nije bio ništa drugo nego kuriozitet kemijskog laboratorija. Bio je jedan od mnogih novih metala što su ga kemičari, posebice švedski, otkrili u mnogovrsnim mineralima kojima obiluje njihova zemlja. A onda se 1864. godine sve promijenilo kada je engleski metalurg i poduzetnik Robert Forester Mushet otkrio da dodatak 5 % volframa čeliku povećava njegovu otpornost na temperaturu. Za razliku od drugih vrsta čelika koji grijanjem omekšaju, volframov čelik grijanjem postaje tvrđi. Time je volfram otvorio put prema brzorezućim čelicima, čelicima koji služe za izradu tokarskih alata. Dok su ondašnji čelici mogli rezati brzinom od 5 metara u minuti, Mushetov je čelik postigao brzinu od 7,5 m/min. Današnji pak rezni čelici – koji također sadrže volfram – postižu brzine i do 2000 m/min.

Što na kraju reći? Volfram je metal u kojem se ujedinjuje visoko talište, velika gustoća (19,25 g/m³) i kovkost: od 250 grama volframa može se izvući 100 kilometra žice. Volframov karbid, WC, je pak priča za sebe. Riječ o izuzetno čvrstom i tvrdom materijalu, tvrdom poput korunda (tvrdoća 8,5–9 na Mohsovoj ljestvici), a usto vrlo otpornom na temperaturu – tali se uz raspad tek pri 2600–2900 ^oC. Stoga je priča o žarnoj niti od volframa samo epizoda u sagi o tom doista jedinstvenom kemijskom elementu.

Nenad Raos, rođen u Zagrebu 1951., je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik časopisa Priroda i urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Piše za časopis Čovjek i svemir, te mrežne stranice Panopticum i, naravno, Bug-online. Autor je 16 znanstveno-popularnih knjiga, od kojih treba izvojiti „Kemijski leksikon u stripu“, „Metali života – metali smrti“ te „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“.