Tungsten là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về Tungsten

Tungsten là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp trong bảng tuần hoàn, ký hiệu là W (từ tiếng Đức "Wolfram") và có số nguyên tử 74. Đây là kim loại có khối lượng riêng lớn và điểm nóng chảy cao nhất trong số các nguyên tố kim loại thuần, khiến nó trở thành vật liệu lý tưởng trong các môi trường khắc nghiệt về nhiệt độ và áp suất.

Tên gọi "Tungsten" bắt nguồn từ tiếng Thụy Điển "tung sten", nghĩa là "đá nặng", phản ánh bản chất đặc biệt của kim loại này. Trên thị trường và trong các tài liệu khoa học, người ta sử dụng cả hai tên gọi "Tungsten" và "Wolfram", tùy thuộc vào khu vực địa lý và ngữ cảnh ứng dụng.

Tungsten có vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp vật liệu, hàng không, công nghệ cao và quốc phòng. Các tính chất vượt trội như độ cứng, khả năng chịu nhiệt, và độ bền cơ học giúp nó được ứng dụng trong sản xuất từ dây tóc bóng đèn đến các vũ khí xuyên giáp hiện đại.

Tính chất vật lý và hóa học

Tungsten được biết đến nhiều nhất nhờ có điểm nóng chảy cao nhất trong số tất cả các nguyên tố kim loại thuần, đạt tới $3422^\circ C$. Đây cũng là một trong những kim loại có điểm sôi cao, lên tới $5555^\circ C$. Những đặc tính này làm cho tungsten rất phù hợp cho các ứng dụng chịu nhiệt khắc nghiệt như làm điện cực, vòi phun nhiên liệu tên lửa, và thành phần trong lò phản ứng hạt nhân.

Ngoài ra, tungsten còn nổi bật với mật độ rất cao – khoảng $19.25 \, \text{g/cm}^3$, tương đương với uranium và chỉ thấp hơn một chút so với vàng. Nhờ khối lượng riêng lớn, tungsten thường được sử dụng làm đối trọng, vật liệu hấp thụ rung động, và chắn bức xạ.

• Độ cứng: khoảng 7.5 theo thang Mohs
• Dẫn nhiệt: khoảng 173 W/m·K
• Dẫn điện: cao hơn hầu hết các kim loại chịu nhiệt khác
• Tính chất chống ăn mòn: rất ổn định trong điều kiện môi trường bình thường

Tungsten tương đối trơ về mặt hóa học. Nó không bị ăn mòn bởi oxy ở nhiệt độ phòng, và không phản ứng với hầu hết các axit. Tuy nhiên, nó có thể bị oxi hóa ở nhiệt độ cao và hòa tan trong axit nitric đặc hoặc hỗn hợp axit mạnh như aqua regia. Hợp chất phổ biến nhất của tungsten là tungsten oxide (WO₃) và tungsten carbide (WC).

Trạng thái tự nhiên và nguồn khai thác

Tungsten không tồn tại ở dạng nguyên tố trong tự nhiên mà chủ yếu được tìm thấy trong các khoáng vật như wolframite ((Fe,Mn)WO₄) và scheelite (CaWO₄). Các quặng này chứa tỷ lệ tungsten đáng kể và có thể được tách chiết thông qua quá trình tuyển nổi, tuyển từ hoặc xử lý hóa học.

Bảng dưới đây tóm tắt một số khoáng vật chứa tungsten phổ biến:

Tên khoáng vật	Công thức hóa học	Hàm lượng W trung bình (%)
Wolframite	(Fe,Mn)WO4	~76%
Scheelite	CaWO4	~80%
Ferberite	FeWO4	~75%
Hubnerite	MnWO4	~76%

Trung Quốc hiện là quốc gia dẫn đầu thế giới về sản lượng khai thác tungsten, chiếm hơn 80% tổng lượng cung toàn cầu. Các quốc gia khác có mỏ tungsten đáng kể bao gồm Việt Nam, Nga, Bolivia, và Áo. Việt Nam là một trong những nước sản xuất tungsten hàng đầu khu vực Đông Nam Á, với các mỏ nổi bật như Núi Pháo (Thái Nguyên).

Theo dữ liệu từ USGS, trữ lượng tungsten toàn cầu ước tính khoảng 3.5 triệu tấn, trong đó Trung Quốc sở hữu hơn 1.9 triệu tấn. Việc khai thác và chế biến tungsten đòi hỏi công nghệ cao do quặng thường phân bố sâu và ở dạng kết tinh phức tạp.

Lịch sử phát hiện và ứng dụng ban đầu

Tungsten được cô lập lần đầu tiên vào năm 1783 bởi hai nhà hóa học người Tây Ban Nha – Juan José và Fausto Elhuyar. Họ đã tách nguyên tố này từ khoáng vật wolframite thông qua quá trình khử hóa học bằng carbon. Phát hiện này đã mở ra cánh cửa cho việc ứng dụng tungsten trong luyện kim và sản xuất hợp kim đặc biệt.

Trước đó, vào giữa thế kỷ 18, nhà khoáng vật học Carl Wilhelm Scheele đã nhận ra sự tồn tại của một oxit kim loại nặng chưa được biết đến trong khoáng vật scheelite. Tuy nhiên, phải đến khi anh em Elhuyar tiến hành phân lập nguyên tố này, tungsten mới chính thức được đưa vào danh sách các nguyên tố hóa học.

Ngay từ những năm đầu thế kỷ 20, tungsten đã được ứng dụng trong ngành công nghiệp điện – đặc biệt là làm dây tóc bóng đèn sợi đốt. Nhờ khả năng chịu nhiệt tốt và không bị bay hơi nhanh, tungsten thay thế carbon trở thành vật liệu chính trong chế tạo dây tóc. Ngoài ra, nó còn được sử dụng để sản xuất các loại thép đặc biệt gọi là thép gió (high-speed steel).

• Năm 1903: Tungsten được thương mại hóa trong sản xuất dây tóc bóng đèn
• Năm 1910: Tungsten bắt đầu được dùng rộng rãi trong ngành công nghiệp vũ khí
• Năm 1927: Tungsten carbide ra đời, mở ra kỷ nguyên mới cho công cụ cắt

Nhờ những đặc điểm độc đáo và ứng dụng đa dạng, tungsten nhanh chóng trở thành một trong những kim loại quan trọng nhất trong ngành công nghiệp hiện đại – cả về giá trị kỹ thuật lẫn chiến lược quốc gia.

Ứng dụng công nghiệp hiện đại

Tungsten là vật liệu thiết yếu trong nhiều lĩnh vực công nghiệp nhờ vào độ bền cơ học, độ cứng, khả năng chịu nhiệt và chống mài mòn vượt trội. Trong công nghiệp cơ khí, tungsten thường được sử dụng dưới dạng hợp kim tungsten carbide (WC), một trong những vật liệu cứng nhất được biết đến hiện nay, chỉ đứng sau kim cương.

Ứng dụng tiêu biểu của tungsten trong sản xuất hiện đại bao gồm:

• Dụng cụ cắt gọt CNC, dao phay, mũi khoan chịu mài mòn cao
• Khuôn dập nguội và nóng trong ngành luyện kim
• Đầu vòi phun công nghiệp và đầu hàn điện cực
• Đối trọng trong máy bay, xe đua, và thiết bị rung

Ngoài ra, tungsten cũng được sử dụng trong ngành quốc phòng để sản xuất vũ khí xuyên giáp, đạn pháo, và lõi đạn xuyên cứng. Với khối lượng riêng lớn và khả năng xuyên cao, các vật liệu tungsten thường được dùng thay thế cho uranium nghèo (depleted uranium) để giảm thiểu rủi ro phóng xạ.

Tungsten trong điện tử và công nghệ cao

Trong lĩnh vực điện tử và bán dẫn, tungsten được dùng như một vật liệu tiếp xúc và liên kết nhờ vào tính dẫn điện cao và độ ổn định nhiệt tuyệt vời. Một ứng dụng nổi bật là sử dụng tungsten làm vật liệu lấp đầy (via fill) trong các lớp mạch tích hợp (IC), giúp kết nối các tầng mạch mà vẫn đảm bảo dẫn điện hiệu quả.

Tungsten cũng được dùng để chế tạo dây dẫn siêu mảnh trong các thiết bị vi cơ điện tử (MEMS), đầu dò trong kính hiển vi quét đầu nhọn (AFM/STM), và điện cực trong thiết bị plasma. Ngoài ra, nhờ khả năng chống bức xạ cao, tungsten được dùng làm lá chắn trong máy gia tốc hạt và thiết bị chụp X-quang.

Một số công nghệ mới đang khai thác đặc tính độc đáo của nano-tungsten, như:

• Ứng dụng trong lớp phủ chống phản xạ và điều biến ánh sáng
• Điện cực trong pin năng lượng mặt trời thế hệ mới
• Hệ thống tản nhiệt trong máy tính lượng tử và chip AI

Hợp chất hóa học của Tungsten

Tungsten hình thành nhiều hợp chất hóa học có tính ứng dụng cao trong vật liệu, xúc tác và công nghiệp điện tử. Trong số đó, hợp chất phổ biến nhất là tungsten carbide (WC), nổi tiếng vì độ cứng rất cao và khả năng chịu mài mòn.

Một số hợp chất chính của tungsten:

Tên hợp chất	Công thức	Ứng dụng
Tungsten carbide	WC	Dụng cụ cắt, mũi khoan, vòng bi
Tungsten oxide	WO3	Lớp phủ cảm biến, vật liệu quang điện
Tungstic acid	H2WO4	Tiền chất tổng hợp hợp kim và chất xúc tác
Sodium tungstate	Na2WO4	Chống ăn mòn, hóa học phân tích

Các hợp chất chứa ion $\text{WO}_4^{2-}$ thường được sử dụng trong xúc tác oxi hóa và xử lý môi trường. Trong công nghiệp gốm sứ, tungsten oxide được dùng làm chất tạo màu xanh đậm hoặc vàng khi nung ở nhiệt độ cao.

Ảnh hưởng đến sức khỏe và môi trường

Tungsten nguyên chất được xem là khá trơ và ít độc hại đối với con người. Tuy nhiên, một số dạng hợp chất của tungsten có thể gây độc nếu hít phải hoặc tiếp xúc kéo dài, đặc biệt là dạng khí như tungsten hexafluoride (WF₆), có thể gây tổn thương phổi nghiêm trọng nếu hít phải ở nồng độ cao.

Các nghiên cứu hiện tại vẫn chưa xác định rõ tác động lâu dài của tungsten đối với cơ thể người và hệ sinh thái. Tuy nhiên, có bằng chứng ban đầu cho thấy nồng độ tungsten cao trong nước ngầm có thể liên quan đến một số vấn đề sức khỏe. Do đó, việc kiểm soát và xử lý hợp chất tungsten trong môi trường là một ưu tiên trong các khu vực khai thác và sản xuất kim loại này.

Một số hướng dẫn an toàn từ OSHA và NIOSH khuyến cáo giới hạn phơi nhiễm trung bình là 5 mg/m³ cho tungsten không hòa tan, và 1 mg/m³ cho các hợp chất hòa tan trong 8 giờ làm việc.

Phân biệt Tungsten với các kim loại nặng khác

Dù có mật độ cao và màu sắc tương tự chì hoặc uranium, tungsten có những đặc điểm riêng biệt giúp phân biệt rõ ràng. Khác với uranium, tungsten không phóng xạ và ổn định hoàn toàn về mặt hạt nhân. So với chì, tungsten có độ cứng cao hơn nhiều và không độc.

Tungsten thường được sử dụng thay thế chì trong các thiết bị y tế (áo chắn tia X, máy CT) và trong công nghiệp sản xuất vũ khí không độc hại. Dưới đây là bảng so sánh nhanh một số đặc điểm chính:

Kim loại	Khối lượng riêng (g/cm³)	Phóng xạ	Độ cứng (Mohs)	Độc tính
Tungsten	19.25	Không	7.5	Thấp
Uranium	18.95	Có	6	Cao
Chì	11.34	Không	1.5	Rất cao

Xu hướng phát triển và ứng dụng tương lai

Tungsten sẽ tiếp tục đóng vai trò chiến lược trong các ngành công nghệ cao, đặc biệt là vật liệu siêu chịu nhiệt, điện tử công suất, và hàng không vũ trụ. Các công nghệ tương lai như động cơ phản lực thế hệ mới, pin nhiệt độ cao, và lò phản ứng nhiệt hạch đều yêu cầu vật liệu như tungsten để vận hành an toàn và hiệu quả.

Ngoài ra, các nghiên cứu trong lĩnh vực y sinh đang khám phá khả năng sử dụng nano-tungsten như chất tương phản MRI, vật liệu cấy ghép chống ăn mòn, và cảm biến sinh học. Cùng với đó, sự thay thế chì bằng tungsten trong công nghiệp xanh là xu hướng tất yếu nhằm giảm độc tính và rủi ro môi trường.

Đầu tư vào công nghệ tái chế tungsten cũng đang tăng mạnh, với mục tiêu giảm phụ thuộc vào nguồn cung từ khai thác mỏ. Các hệ thống thu hồi tungsten từ hợp kim phế liệu, dụng cụ cắt đã qua sử dụng và thiết bị điện tử đang ngày càng được cải thiện nhờ công nghệ phân loại và chiết tách tiên tiến.

Tài liệu tham khảo

1. USGS - Tungsten Statistics and Information
2. ACS Chemical Reviews - Tungsten Chemistry
3. ScienceDirect - Environmental and Health Impacts of Tungsten
4. CDC - National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH)
5. Occupational Safety and Health Administration (OSHA)
6. Encyclopedia Britannica - Tungsten
7. Nature - Tungsten in Quantum and Electronic Materials