Wolfram (W) – Eigenschaften & Verwendung | blume

Ein Metall, das selbst bei Temperaturen von über 3000 °C noch fest bleibt, ist etwas Besonderes. Wolfram besitzt mit rund 3422 °C den höchsten Schmelzpunkt aller reinen Metalle. Diese außergewöhnliche Eigenschaft machte es zum klassischen Werkstoff für Glühwendeln und zu einem wichtigen Bestandteil moderner Hochtemperaturtechnik. Doch Wolfram kann noch mehr: Es ist fast so dicht wie Gold, bildet extrem harte Verbindungen und spielt eine bedeutende Rolle bei der Herstellung leistungsfähiger Schneidwerkzeuge. Gleichzeitig zeigt das Element, dass ein hoher Schmelzpunkt allein noch keinen perfekten Werkstoff ausmacht. Bei Raumtemperatur kann Wolfram spröde sein, und in heißer, sauerstoffhaltiger Luft oxidiert es. Gerade diese Verbindung aus beeindruckenden Eigenschaften und praktischen Grenzen macht Wolfram zu einem faszinierenden Element der Chemie und Werkstoffwissenschaft.

Wolfram im Periodensystem – die wichtigsten Daten

Wolfram steht in der sechsten Gruppe des Periodensystems der Elemente unter Molybdän (Mo). Beide Elemente besitzen ähnliche chemische Eigenschaften und werden unter anderem für hochtemperaturbeständige Werkstoffe verwendet. Das Elementsymbol W leitet sich vom deutschen Namen Wolfram ab. Im Englischen heißt das Element dagegen tungsten.

Entdeckung von Wolfram – zwei Brüder und ein schwer zu gewinnendes Metall

Die Geschichte des Wolframs beginnt lange vor seiner eigentlichen Entdeckung als chemisches Element. Bereits Bergleute früherer Jahrhunderte kannten bestimmte wolframhaltige Erze, ohne zu wissen, welches Metall darin verborgen war. Einige dieser Mineralien erschwerten die Zinngewinnung, weil sie bei der Verhüttung unerwünschte Schlacken bildeten.

Im Jahr 1781 untersuchte der schwedische Chemiker Carl Wilhelm Scheele das Mineral, das heute Scheelit genannt wird. Er erkannte darin eine Verbindung einer bis dahin unbekannten Säure, aus der sich später Wolframverbindungen gewinnen ließen. Die Entdeckung des metallischen Elements gelang jedoch erst zwei Jahre später.

1783 isolierten die spanischen Brüder Juan José und Fausto de Elhuyar Wolfram durch Reduktion von Wolframoxid mit Kohlenstoff. Sie hatten zuvor das Mineral Wolframit untersucht und daraus eine wolframhaltige Verbindung gewonnen.

Die grundlegende Reduktionsreaktion lässt sich vereinfacht so darstellen:

WO₃ + 3 C → W + 3 CO

Diese Gleichung beschreibt die Reduktion von Wolfram(VI)-oxid durch Kohlenstoff. Industriell wird Wolfram heute überwiegend auf anderen Wegen gewonnen, insbesondere durch Reduktion von Wolframoxiden mit Wasserstoff.

Woher kommen die Namen Wolfram und Tungsten?

Der deutsche Name Wolfram wird traditionell mit der alten bergmännischen Bezeichnung „Wolfrahm“ beziehungsweise „Wolfschaum“ in Verbindung gebracht. Er erinnert daran, dass wolframhaltige Mineralien bei der Zinnverhüttung störten und die Ausbeute verringern konnten.

Der englische Name tungsten stammt aus dem Schwedischen und bedeutet sinngemäß „schwerer Stein“. Ursprünglich wurde diese Bezeichnung für ein schweres Mineral verwendet, das später mit der Entdeckung des Elements in Verbindung gebracht wurde.

Dass Wolfram zwei international gebräuchliche Namen besitzt, ist eine Besonderheit des Periodensystems: Während in der deutschen Fachsprache Wolfram üblich ist, wird in englischsprachigen Veröffentlichungen meist tungsten verwendet. Das Elementsymbol bleibt in beiden Fällen W.

Eigenschaften von Wolfram – warum es so außergewöhnlich ist

Wolfram ist ein silbergraues, metallisch glänzendes Übergangsmetall. Seine bekannteste Eigenschaft ist der außerordentlich hohe Schmelzpunkt. Mit etwa 3422 °C übertrifft es alle anderen reinen Metalle. Der Siedepunkt liegt sogar bei ungefähr 5555 °C.

Die Ursache für diese hohe thermische Stabilität liegt in der starken metallischen Bindung zwischen den Wolframatomen. An dieser Bindung sind die Elektronen der äußeren s- und d-Orbitale beteiligt. Es wird sehr viel Energie benötigt, um die geordnete Kristallstruktur beim Schmelzen aufzulösen.

Auch die Dichte ist bemerkenswert: Mit rund 19,25 g/cm³ liegt Wolfram nahe bei Gold, dessen Dichte etwa 19,3 g/cm³ beträgt. Ein Würfel aus Wolfram mit einer Kantenlänge von fünf Zentimetern würde bereits ungefähr 2,4 Kilogramm wiegen.

Wolfram besitzt außerdem eine hohe mechanische Festigkeit, insbesondere bei erhöhten Temperaturen. Dennoch ist es kein uneingeschränkt leicht zu bearbeitendes Metall. Seine Verformbarkeit hängt stark von Reinheit, Gefüge, Temperatur und Herstellungsverfahren ab. Unter ungünstigen Bedingungen kann es bei Raumtemperatur spröde brechen.

Warum Wolfram trotz seines hohen Schmelzpunkts oxidieren kann

Ein verbreitetes Missverständnis lautet, dass ein Metall mit einem sehr hohen Schmelzpunkt automatisch auch in heißer Luft besonders beständig sein müsse. Das ist nicht der Fall.

Wolfram reagiert bei erhöhten Temperaturen mit Sauerstoff. Dabei können Wolframoxide entstehen, insbesondere Wolfram(VI)-oxid (WO₃):

2 W + 3 O₂ → 2 WO₃

Die Oxidation kann bereits weit unterhalb des Schmelzpunkts technisch problematisch werden. Deshalb werden Wolframbauteile für besonders hohe Betriebstemperaturen häufig im Vakuum oder unter geeigneter Schutzgasatmosphäre eingesetzt.

Diese Unterscheidung zwischen Schmelztemperatur und Oxidationsbeständigkeit ist ein wichtiges Grundprinzip der Werkstoffkunde.

Wolfram in Glühlampen – warum gerade dieses Metall?

Über viele Jahrzehnte war die Glühlampe eine der bekanntesten Anwendungen von Wolfram. In ihrem Inneren befindet sich ein dünner Wolframdraht, der durch elektrischen Strom stark erhitzt wird.

Der Draht beginnt zu glühen und sendet elektromagnetische Strahlung aus. Mit zunehmender Temperatur verschiebt sich ein größerer Anteil der Strahlung in den sichtbaren Bereich. Der überwiegende Teil der abgegebenen Energie liegt bei gewöhnlichen Glühlampen allerdings weiterhin im Infrarotbereich und wird als Wärme abgegeben.

Der hohe Schmelzpunkt ermöglicht es, Wolfram auf Temperaturen von ungefähr 2500 bis 3000 K zu erhitzen, ohne dass der Draht sofort schmilzt. Entscheidend ist jedoch nicht nur der Schmelzpunkt: Auch die vergleichsweise geringe Verdampfungsgeschwindigkeit bei diesen Betriebstemperaturen macht Wolfram geeignet.

Eine Glühwendel wird meist als enge Spirale ausgeführt, teilweise sogar als doppelt gewickelte Spirale. Diese Bauform beeinflusst die Wärmeabgabe und ermöglicht eine kompakte Anordnung des Drahtes.

Warum brennt der Wolframdraht nicht sofort durch?

Würde eine heiße Wolframwendel dauerhaft mit gewöhnlicher Luft in Kontakt stehen, würde sie schnell oxidieren. Deshalb befindet sich die Wendel in einem Glaskolben, aus dem die Luft entfernt oder durch eine geeignete Gasfüllung ersetzt wurde.

Trotzdem besitzt eine Glühlampe nur eine begrenzte Lebensdauer. Bei hohen Temperaturen verdampfen langsam Wolframatome von der Oberfläche des Drahtes. Der Draht wird dadurch an einzelnen Stellen dünner, bis er schließlich unterbricht.

Verdampftes Wolfram kann sich außerdem an der Innenseite des Glaskolbens ablagern und diesen dunkel färben.

Halogenglühlampen nutzen einen besonderen chemischen Kreislauf, bei dem Halogenverbindungen unter geeigneten Temperaturbedingungen den Transport von Wolfram beeinflussen. Dadurch kann die Schwärzung des Kolbens verringert und der Betrieb bei höheren Wendelt­emperaturen ermöglicht werden.

Wolframcarbid – warum Bohrer und Fräser so hart sind

Eine der wirtschaftlich bedeutendsten Anwendungen von Wolfram liegt nicht im reinen Metall, sondern in einer seiner Verbindungen: Wolframcarbid (WC).

Wolframcarbid besteht aus Wolfram und Kohlenstoff. Es ist ein sehr harter, verschleißbeständiger Werkstoff, der sich hervorragend für die spanende Bearbeitung anderer Materialien eignet.

Viele Bohrer, Fräser und Wendeschneidplatten bestehen aus sogenannten Hartmetallen. Dabei werden feine Wolframcarbidkörner häufig durch eine metallische Binderphase, beispielsweise auf Kobaltbasis, zusammengehalten.

Diese Werkstoffe verbinden die hohe Härte der Carbidphase mit einer gewissen Zähigkeit des metallischen Binders. Das ist wichtig, weil ein Werkzeug nicht nur hart sein darf: Es muss auch den mechanischen Belastungen beim Schneiden standhalten.

Wolframcarbid ist allerdings nicht mit Diamant gleichzusetzen. Diamant ist unter geeigneten Bedingungen deutlich härter. Dafür besitzen Hartmetalle andere praktische Vorteile, etwa hinsichtlich Herstellung, Belastbarkeit und Einsatzmöglichkeiten.

Wolframcarbid-Hartmetalle werden unter anderem verwendet für:

• Bohrer und Fräswerkzeuge

• Wendeschneidplatten für Drehmaschinen

• Werkzeuge zur Gesteinsbearbeitung

• Verschleißteile in industriellen Anlagen

• Schneid- und Umformwerkzeuge

Die Zusammensetzung des Hartmetalls wird jeweils auf die erforderliche Härte, Zähigkeit und Verschleißbeständigkeit abgestimmt.

Vorkommen von Wolfram – Wolframit und Scheelit

Wolfram kommt in der Natur überwiegend in chemisch gebundener Form vor. Die wichtigsten wirtschaftlich genutzten Wolframminerale sind Wolframit und Scheelit.

Wolframit bezeichnet eine Mischkristallreihe aus eisen- und manganhaltigen Wolframaten. Die allgemeine Zusammensetzung lässt sich vereinfacht als (Fe,Mn)WO₄ darstellen.

Scheelit besitzt die chemische Formel CaWO₄ und besteht aus Calciumwolframat. Das Mineral ist auch mineralogisch interessant, weil bestimmte Scheelitproben unter ultraviolettem Licht fluoreszieren können. Diese Eigenschaft kann bei der Erkundung von Lagerstätten hilfreich sein.

Wolframlagerstätten entstehen unter anderem durch magmatische und hydrothermale Prozesse. Häufig sind sie mit granitischen Gesteinen und heißen mineralhaltigen Lösungen verbunden.

Wolfram wird weltweit gewonnen, wobei China seit Langem eine besonders bedeutende Rolle in der Förderung und Verarbeitung spielt. Weitere Vorkommen befinden sich beispielsweise in Vietnam, Russland, Portugal und anderen Ländern.

Da Wolfram für viele industrielle Anwendungen schwer zu ersetzen ist, wird es in verschiedenen Rohstoffstrategien als wirtschaftlich wichtiger beziehungsweise kritischer Rohstoff betrachtet.

Gewinnung und Herstellung von Wolfram

Nach dem Abbau werden wolframhaltige Erze zunächst mechanisch aufbereitet. Je nach Mineral und Lagerstätte kommen Verfahren wie Schwerkrafttrennung, Flotation oder magnetische Trennung zum Einsatz.

Anschließend wird das Wolfram chemisch in geeignete lösliche Verbindungen überführt. Ein wichtiger Zwischenstoff ist Ammoniumparawolframat, kurz APT. Durch thermische Behandlung entstehen daraus Wolframoxide, die schließlich zu metallischem Wolfram reduziert werden können.

Ein bedeutender industrieller Reaktionsschritt ist die Reduktion von Wolfram(VI)-oxid mit Wasserstoff:

WO₃ + 3 H₂ → W + 3 H₂O

Dabei entsteht zunächst meist Wolframpulver. Dieses Pulver kann durch pulvermetallurgische Verfahren zu festen Werkstücken verarbeitet werden.

Die Pulvermetallurgie ist bei Wolfram besonders wichtig, weil die Verarbeitung über eine vollständig aufgeschmolzene Metallphase wegen der extrem hohen Temperaturen aufwendig ist.

Für die Herstellung von Wolframcarbid wird Wolfram beziehungsweise eine geeignete Wolframverbindung anschließend mit Kohlenstoff umgesetzt. Die so erzeugten Carbidpulver bilden die Grundlage vieler Hartmetallwerkzeuge.

Moderne Anwendungen von Wolfram

Auch wenn klassische Glühlampen in vielen Bereichen durch energieeffizientere Lichtquellen ersetzt wurden, bleibt Wolfram für zahlreiche Technologien unverzichtbar.

Hochtemperaturtechnik

Wolfram wird für spezielle Heizelemente, Elektroden und Bauteile in Hochtemperaturöfen eingesetzt. Entscheidend sind dabei sein hoher Schmelzpunkt und seine Festigkeit bei hohen Temperaturen. Die Betriebsatmosphäre muss jedoch auf das Material abgestimmt sein.

Schweißtechnik

Beim Wolfram-Inertgasschweißen (WIG-Schweißen) dient eine Wolframelektrode zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des Lichtbogens. Anders als bei abschmelzenden Schweißelektroden soll die Wolframelektrode dabei möglichst nicht verbraucht werden.

Strahlenschutz und Medizintechnik

Aufgrund seiner hohen Dichte und hohen Ordnungszahl eignet sich Wolfram für bestimmte Anwendungen zur Abschirmung ionisierender Strahlung. Wolframhaltige Werkstoffe können beispielsweise dort eingesetzt werden, wo kompakte Abschirmungen benötigt werden.

Raumfahrt und Energietechnik

Wolfram und wolframhaltige Werkstoffe werden für Bauteile untersucht und eingesetzt, die extremen thermischen Belastungen ausgesetzt sind. Dazu gehören spezielle Komponenten der Raumfahrttechnik sowie Forschungsarbeiten an Materialien für Fusionsreaktoren.

Gerade bei der Kernfusion ist Wolfram wegen seines hohen Schmelzpunkts und seiner vergleichsweise geringen Erosionsneigung unter bestimmten Bedingungen interessant. Allerdings stellen thermische Spannungen, Sprödigkeit und die Wechselwirkung mit dem Plasma weiterhin erhebliche technische Herausforderungen dar.

Chemische Industrie

Bestimmte Wolframverbindungen werden als Katalysatoren oder Bestandteile von Katalysatorsystemen verwendet. Ein Beispiel sind wolframhaltige Materialien in der Erdölverarbeitung. Außerdem spielen Wolframoxide in funktionellen Beschichtungen und bei elektrochromen Materialien eine Rolle.

Chemie des Wolframs – mehr als nur ein Metall

Wolfram kann unterschiedliche Oxidationsstufen annehmen. Besonders wichtig ist die Oxidationsstufe +6, die beispielsweise in Wolfram(VI)-oxid (WO₃) und in Wolframaten vorkommt.

Wolfram(VI)-oxid ist ein interessanter Feststoff, dessen Farbe und elektronische Eigenschaften von Struktur, Zusammensetzung und Defekten beeinflusst werden können.

Wolframate enthalten das Wolframat-Ion WO₄²⁻. Ein bekanntes Beispiel ist Calciumwolframat (CaWO₄), das im Mineral Scheelit vorkommt.

Darüber hinaus kann Wolfram komplexe Oxoanionen bilden, die als Polyoxowolframate bezeichnet werden. Sie sind ein wichtiges Forschungsgebiet der anorganischen Chemie und besitzen interessante katalytische, elektronische und strukturelle Eigenschaften.

Ein besonders anschauliches Beispiel für funktionelle Wolframverbindungen ist Wolframoxid in elektrochromen Schichten. Bei geeigneter elektrochemischer Veränderung kann sich deren Lichtdurchlässigkeit beziehungsweise Färbung ändern. Solche Materialien werden unter anderem im Zusammenhang mit intelligenten Fenstern untersucht und eingesetzt.

Isotope von Wolfram – stabile und langlebige Atomkerne

Natürlich vorkommendes Wolfram besteht überwiegend aus den Isotopen ¹⁸²W, ¹⁸³W, ¹⁸⁴W und ¹⁸⁶W. Hinzu kommt das seltene Isotop ¹⁸⁰W, dessen Alpha-Zerfall experimentell nachgewiesen wurde und dessen Halbwertszeit außerordentlich lang ist.

Damit zeigt Wolfram eine interessante Besonderheit: Die meisten natürlich vorkommenden Wolframatome besitzen stabile Atomkerne, während ein sehr kleiner Anteil aus einem extrem langlebigen radioaktiven Nuklid besteht.

Wolframisotope sind auch für geochemische Untersuchungen von Bedeutung. Insbesondere das Isotopensystem Hafnium-182/Wolfram-182 wird verwendet, um Prozesse aus der frühen Geschichte des Sonnensystems und der Entstehung planetarer Kerne zu untersuchen.

Ist Wolfram giftig oder gefährlich?

Massives metallisches Wolfram gilt bei gewöhnlichem Umgang als vergleichsweise wenig reaktiv. Dennoch hängt die gesundheitliche Bewertung stark von der chemischen Form und den Expositionsbedingungen ab.

Feine Wolframstäube können beim Einatmen gesundheitliche Risiken verursachen. Bei der Bearbeitung wolframcarbidhaltiger Hartmetalle sind außerdem die verwendeten Bindermetalle zu berücksichtigen. Besonders kobaltgebundene Hartmetallstäube können erhebliche arbeitsmedizinische Risiken mit sich bringen.

Auch bei Wolframverbindungen lässt sich keine allgemeingültige Aussage über die Gefährlichkeit treffen. Entscheidend sind unter anderem Löslichkeit, Partikelgröße, Aufnahmeweg und Konzentration.

Für den menschlichen Körper ist Wolfram nicht als essentielles Spurenelement anerkannt. Bei bestimmten Mikroorganismen spielt es dagegen eine Rolle in speziellen Enzymen.

Wolfram und Nachhaltigkeit – warum Recycling eine wichtige Rolle spielt

Wolfram ist ein wertvoller Industriemetallrohstoff, dessen Gewinnung und Verarbeitung mit erheblichem technischem Aufwand verbunden sind. Deshalb besitzt das Recycling eine große Bedeutung.

Besonders gebrauchte Hartmetallwerkzeuge enthalten häufig hohe Wolframanteile und eignen sich für die Rückgewinnung. Je nach Material und Verfahren können Hartmetalle direkt wiederaufbereitet oder chemisch in ihre Bestandteile zerlegt werden.

Recycling verringert den Bedarf an Primärrohstoffen und kann dazu beitragen, Lieferketten widerstandsfähiger zu gestalten. Auch die längere Nutzung, Nachschärfung und Wiederverwendung geeigneter Werkzeuge sind wichtige Ansätze für einen ressourcenschonenden Umgang mit Wolfram.

Fünf interessante Fakten über Wolfram

1. Wolfram hält den Schmelzpunktrekord unter den reinen Metallen. Mit rund 3422 °C übertrifft es sogar Tantal und Rhenium.

2. Wolfram ist fast so dicht wie Gold. Zwei gleich große Stücke aus Wolfram und Gold unterscheiden sich im Gewicht nur wenig.

3. Glühlampen nutzen Wolfram nicht zufällig. Sein hoher Schmelzpunkt und sein Verhalten bei hohen Temperaturen ermöglichen die Erzeugung sichtbaren Lichts durch eine glühende Metallwendel.

4. Viele besonders harte Werkzeuge bestehen nicht aus reinem Wolfram. Ihre Schneidkanten enthalten häufig Wolframcarbid, das deutlich härter als das Metall selbst ist.

5. Wolfram verbindet klassische Technik mit moderner Forschung. Vom Glühdraht über die WIG-Elektrode bis zur Fusionsforschung reicht das Spektrum seiner Anwendungen.

Fazit – Wolfram als Schlüsselwerkstoff der Hochtemperaturtechnik

Wolfram ist eines der eindrucksvollsten Metalle des Periodensystems. Sein außergewöhnlich hoher Schmelzpunkt, seine große Dichte und die Bildung harter Verbindungen machen es zu einem bedeutenden Werkstoff für Industrie und Forschung.

Besonders lehrreich ist der Unterschied zwischen den Eigenschaften des reinen Metalls und denen seiner Verbindungen. Während Wolfram für hohe Temperaturen und spezielle Elektroden geeignet ist, verleiht Wolframcarbid modernen Schneidwerkzeugen ihre hohe Härte und Verschleißbeständigkeit.

Das Element zeigt zugleich, dass Werkstoffe stets unter den tatsächlichen Einsatzbedingungen betrachtet werden müssen: Ein hoher Schmelzpunkt schützt nicht automatisch vor Oxidation, und große Härte bedeutet nicht zwangsläufig hohe Bruchfestigkeit.

Weitere Informationen zur Stellung von Wolfram, seiner Elektronenstruktur und seinen Nachbarelementen bietet das Online-Periodensystem von blume.

Quellen und weiterführende Literatur

• Gray, Theodore (2013): Die Elemente. Bausteine unserer Welt. Köln: Komet Verlag. ISBN 978-3-86941-000-5. Abschnitt über Wolfram.

• Quadbeck-Seeger, Hans-Jürgen (2006): Die Welt der Elemente – Die Elemente der Welt. 1. Auflage. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31789-9. Abschnitt über Wolfram.

• Royal Society of Chemistry: Periodic Table – Tungsten. https://www.rsc.org/periodic-table/element/74/tungsten

• International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC): Periodic Table of the Elements. https://iupac.org/

• U.S. Geological Survey (USGS): Mineral Commodity Summaries – Tungsten. https://www.usgs.gov/

• National Institute of Standards and Technology (NIST): Atomic Spectra Database. https://physics.nist.gov/asd