주요 텅스텐 화합물 > 기술정보

텅스텐은 주로 +6가 상태의 화합물을 만드나, -2~+5가 상태의 화합물들도 알려져 있다. 가장 중요한 화합물은 탄화텅스텐(WC)이며, 흔히 제조되어 판매되는 형태는 삼산화텅스텐(WO₃)과 파라텅스텐산암모늄(ammonium paratungstate, APT: (NH₄)₁₀W₁₂O₄₁·5H₂O)이다. 이외에도 몇 가지 할로겐화물들이 중요하게 사용된다.

 

 

텅스텐 탄화물에는 보통 탄화텅스텐(tungsten carbide)이라 부르는 WC와 세미탄화텅스텐(tungsten semicarbide)이라 부르는 W₂C가 있다. 이들은 고온에서 금속 텅스텐과 탄소 간의 반응, WO₃와 흑연의 반응, 텅스텐과 메테인(CH₄) 또는 기타 탄화수소와의 반응 등으로 만들어지는데, 이때 W₃C, W₃C₄도 생성된다. WC는 녹는점(2870^oC)과 밀도(15.63 g/cm³)가 높고, 전기를 잘 통하며(비저항 약 200nΩ·m), 모스 경도가 약 9인 아주 단단한 물질이다. 물에 녹지 않으며, 실온에서 산(HF/HNO₃ 혼합물 제외)에도 침식되지 않는다. 초경합금으로 만들어져 경질물질로 사용되며, 전체 텅스텐 용도의 50%이상이 여기에 사용된다(용도 항 참조). WC는 높은 온도에서 W₂C와 C로 분해되는데, W₂C는 WC보다 전기전도도가 낮다.

 

산화물과 폴리옥소메탈레이트(polyoxometalate) 음이온 

 

텅스텐의 주된 산화물은 삼산화텅스텐(WO₃)과 이산화텅스텐(WO₂)이며, 이들의 중간체인 W₄₉O₁₁₀, W₅₀O₁₄₈, W₂₀O₅₈, W₄₉O₁₁₀, W₁₈O₅₉등도 알려져 있다. WO₃는 광석에서 텅스텐을 생산할 때 중간체로 얻거나, 파라텅스텐산암모늄의 열 분해로 얻는다.

(NH₄)₁₀W₁₂O₄₁·5H₂O → 12 WO₃ + 10 NH₃ + 10 H₂O

WO₃는 녹는점이 1473^oC이고 끓는점이 1700^oC인 노란색 고체로, 물에는 녹지 않고 HF에 약간 녹는다. 수소나 탄소로 환원시켜 금속 텅스텐 분말을 얻는데 사용되며, 도자기와 페인트의 노란색 안료, 섬유의 내화처리, X-선 화면 형광체의 제조에 사용된다. 또한 화학 촉매 성분으로도 사용되며, 최근에는 전기변색(electrochromic: 전압을 걸면 색이 변하는 것) 창의 제조에도 사용된다. WO₃를 텅스텐 분말과 섞고 고온에서 장시간 가열하면 WO₂가 얻어진다.

WO₃를 알칼리 수용액에 녹이면 텅스텐산 이온 WO₄^2-가 된다. 여기에 산을 가해 용액의 pH를 낮추면 산도에 따라 여러 행태의 폴리옥소메탈레이트 음이온이 되는데, pH 9-5에서는 [W₇O₂₄]^6-와 [H₂W₁₂O₄₂]^10-, pH 4-2에서는 [H₂W₁₂O₄₀]^6-, pH 2-1에서는 [W₁₀O₃₂]^4-가 된다. 강한 산성에서는 WO₃∙2H₂O로 침전된다.

텅스텐산의 알칼리 금속염(M₂WO₄)을 환원(예로 금속 텅스텐과 함께 가열)시키면 화학식이 M_xWO₃ (x<1)인 텅스텐 브론즈(bronze)가 얻어진다. 텅스텐 브론즈는 금속 광택이나, 전도성을 보이며 뜨거운 산과 알칼리에도 안정하다. 텅스텐의 산화수는 +5와 +6 사이이며, 알칼리 금속 대신 알칼리 토금속과 란타넘족 금속으로도 만들어진다. 색은 금속의 종류와 x값에 따라 다른데, 소듐(M=Na)의 경우, x ~ 0.9이면 황금색이고, x ~ 0.3이면 검푸른 색이다.

 

텅스텐의 표준원자량은 183.84g/mol이고, 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁶4f¹⁴5d⁴6s²([Xe]4f¹⁴5d⁴6s²)이며, 화합물에서 주된 산화 수는 +6이나, -2~+5가 상태의 여러 화합물들도 있다. 지각에서의 존재 비는 약 1ppm(0.0001%)으로, 대략 58번째로 풍부한 원소이다. 1기압에서 녹는점은 금속 원소 중에서 가장 높은 3422^oC이고 끓는점은 5550^oC이며, 25^oC에서의 밀도는 19.25g/cm³(비교: 금, 19.30g/cm³)이고 녹는점에서의 액체 밀도는 17.62g/cm³이다. 녹음열과 증발열은 각각 35.3 kJ/mol과 806.7 kJ/mol이다, 20^oC에서의 전기비저항은 52.8 nΩ·m(비교: 금, 23.5 nΩ·m)이다. 첫 번째와 두 번째 이온화 에너지는 각각 770과 1700 kJ/mol이며, 폴링의 전기 음성도는 대략 2.36이다. 원자 반경은 139pm(비교: Mo, 139pm)이고, 6배위체의 W⁶⁺ 이온 반경은 60pm(비교: Mo⁶⁺, 59pm)이다. 천연상태 동위원소는 ¹⁸⁰W(0.12%), ¹⁸²W(26.50%), ¹⁸³W(14.31%), ¹⁸⁴W(30.64%), ¹⁸⁶W(28.43%)의 5가지이다. 2011년의 전세계(미국제외) 연간 생산량은 약 72,000톤이고. 이의 83%가 중국에서 생산된다. 전세계 광석 매장량은 약 310만 톤으로 추정된다.