Tungsteno
In ricordo di Oliver Sacks, amante della Chimica e autore del testo Zio Tungsteno in cui narra ricordi della sua infanzia alla scoperta dei metalli guidato dallo Zio Dave che fabbricava le lampadine, deceduto il 30 agosto 2015.
Proprietà
Il wolframio o tungsteno è un metallo di transizione con numero atomico 74 e configurazione elettronica [Xe] 4f14, 5d4, 4s2 che presenta numeri di ossidazione + 6, + 5,+ 4, + 3, + 2, + 1, −1, −2, −4 e ha il punto di fusione più alto tra i metalli pari a 3422 °C.
Il tungsteno è di colore grigio-bianco, ha un’eccellente resistenza alla corrosione e viene attaccato solo leggermente dalla maggior parte degli acidi minerali.
Allo stato naturale è rinvenuto nei minerali wolframite sotto forma di (Fe,Mn)WO4 e scheelite sotto forma di CaWO4.
Due chimici spagnoli, i fratelli José e Fausto Elhujar nel 1783 isolarono il tungsteno per riduzione dell’acido tungstico con il carbone. Oggi è prodotto industrialmente per riduzione dell’ossido di tungsteno con idrogeno o carbone.
Tra i composti del tungsteno riveste particolare importanza il carburo di tungsteno CW ottenuto dalle acciaierie Krupp nel 1926; la lega fu utilizzata nel corso della Seconda Guerra Mondiale per la produzione delle ogive dei proiettili penetranti.
La possibilità di disporre di tale metallo durante l’evento bellico costituì pertanto un fattore vantaggioso. In Europa la nazione in cui è presente la wolframite è il Portogallo che era un paese neutrale e che pertanto subì enormi pressioni da parte dei paesi belligeranti.
Il Portogallo riuscì a mantenere con vantaggi economici relazioni con entrambi i contendenti fornendo tungsteno:
- al regime nazista
- consentendo l’installazione di basi militari agli Alleati.
Dagli anni ’60 il carburo di tungsteno detto metallo duro è utilizzato nella fabbricazione degli utensili in sostituzione degli acciai.
Poiché il tungsteno e il vetro si espandono ad alta temperatura con la stessa velocità il metallo è usato per fare guarnizioni vetro-metallo.
Il tungsteno e le sue leghe sono usati per:
- tubi elettronici e televisivi
- punti di contatto elettrici
- resistenze
- nell’industria aerospaziale,
ma è noto per essere il metallo con cui sono costituiti i filamenti delle lampadine a incandescenza.
Lampadine a incandescenza
Le lampadine a incandescenza hanno costituito la fonte di luce artificiale che hanno illuminato il mondo per oltre un secolo.
Il funzionamento di una lampadina a incandescenza è basato sul principio dell’irraggiamento di fotoni generato dal surriscaldamento di un elemento metallico per effetto del passaggio di corrente elettrica.
I principi della fisica classica su cui si basa la lampadina erano noti nell’800. Secondo la legge di Stefan-Boltzman, scoperta sperimentalmente da Stefan nel 1879 e spiegata teoricamente da Boltzman nel 1884, l’energia irradiata ogni secondo da un corpo nero è proporzionale alla temperatura secondo la relazione
E = σT4
dove σ è la costante di Stefan-Boltzman.
Un corpo nero sottoposto emette quindi una energia sempre maggiore all’aumentare della temperatura. La legge di Wien consente poi di individuare a quale lunghezza d’onda λmax si ha la massima emissione radiativa di un corpo nero di massa generica a una certa temperatura T.
Rimaneva quindi il problema di trovare il filamento più adatto: vari furono i tentativi dal platino alle fibre vegetali carbonizzate, alle lamine di carbonio ma ben presto ci si rese conto che la durata delle lampadine era minima e l’efficienza bassa.
Nel 1903 lo statunitense William David Coolidge introdusse l’uso del filamento di tungsteno che è scaldato per effetto Joule da corrente elettrica fino alla temperatura di circa 2400 °C ben inferiore alla temperatura di fusione del metallo; come tutti i corpi caldi il filamento emette una radiazione con uno spettro continuo assimilabile a uno spettro del corpo nero. A tale temperatura il picco di emissione cade nel vicino infrarosso e solo il 5% circa è luce visibile.
L’efficienza di una lampadina a filamento di tungsteno è solo del 5%. Tuttavia tanto è bastato per produrre la luce la cui ricerca ha impegnato l’uomo fin dai tempi dell’Homo Erectus . Il sistema per ottenere il fuoco è una scoperta che ha permesso di rivoluzionare completamente lo stile di vita e migliorarne la qualità grazie a moltissimi impieghi e utilizzi diversi.