Tungstène

Tungstène

Caractéristiques du Tungstène

Symbole : W
Masse atomique : 183,84 ± 0,01 u¹
Numéro CAS : 7440-33-7
Configuration électronique : [Xe]6s²4f¹⁴5d⁴
Numéro atomique : 74
Groupe : 6
Bloc : Bloc d
Famille d’éléments : Métal de transition
Électronégativité : 2, 36
Point de fusion : 3 422 °C

Le tungstène, élément atomique n°74 de symbole W : ses isotopes, ses caractéristiques, son histoire, sa production et ses utilisations.

Le tungstène est de numéro atomique 74. Son symbole est le W et il vient de l’allemand Wolfram. Étymologiquement, son nom français vient du suédois : tung qui signifie lourd et sten qui veut dire pierre. Il signifie donc littéralement « pierre lourde ».

De nombreux minerais tels que la wolframite et la scheelite contiennent du tungstène. Ce métal de transition de couleur gris acier blanc est lourd et dur. Le tungstène pur compose les applications électriques comme les filaments de lampe à incandescence. En alliage, il peut être à usage multiple, surtout dans la réalisation de matériels exigeant une solidité efficace. Il est alors employé dans la fabrication de forets et de poudres abrasives.

Les isotopes du tungstène

Il existe 35 isotopes connus du tungstène dont le nombre de masse est compris entre 158 et 192. Il a 11 isomères nucléaires. Quatre isotopes sont stables : ¹⁸²W, ¹⁸³W,¹⁸⁴W et ¹⁸⁶W. Ces derniers forment avec le ¹⁸⁰W un radioisotope à très longue vie. Le tungstène 180 a la plus longue demi-vie, qui est de 1,8 × 10¹⁸années. Ils constituent aussi la totalité du tungstène naturel avec des proportions de 14 à 30 %. Le ¹⁸⁰W représente 0,12 % des tungstènes.

En principe, le tungstène est instable du fait qu’il soit plus lourd que le zirconium. Ses isotopes stables sont supposés peu radioactifs et se désagrègent en isotopes du hafnium sous alpha. La masse atomique du tungstène est de 183,84 ± 0,01 u.

Les caractéristiques du tungstène

La forme pure du tungstène est un métal dur de couleur gris acier au blanc étain. Cette forme peut être aisément découpée à l’aide d’une scie à métaux. Au contraire, la forme impure est difficile à manipuler, car elle est cassante. Elle se travaille par forgeage, extrusion ou étirage. De tous les métaux, le tungstène possède la plus faible pression de vapeur. Il a aussi la plus grande résistance à la traction à une température supérieure à 1 650 °C. Son module de Young est de 406 GPa. Son point de fusion est le plus haut, qui s’élève à 3 422 °C. Ainsi, pour travailler le tungstène et ses composés tels que le carbure de tungstène, ils sont frittés à haute température. Le tungstène a de plus une bonne résistance à la corrosion. Les acides minéraux ne peuvent le dégrader que légèrement. À l’air libre, il forme une couche d’oxyde protecteur. Pour améliorer sa dureté, il est conseillé d’y ajouter une infime quantité d’alliage d’acier.

En théorie, tous les isotopes naturels du tungstène sont radioactifs émetteurs alpha avec des demi-vies très longues. Cette théorie n’a été confirmée que pour le ¹⁸⁰W. Il est donc stable pour les applications courantes.

L’histoire des origines du tungstène

En examinant la wolframite en 1778, Peter Woulfe a insinué la présence du tungstène. Il l’a d’abord marqué comme substance inconnue. Carl Wilhelm Scheele a démontré qu’un nouvel acide peut être formé à partir de la tungsténite. Avec l’aide de Tobern Bergman, Scheele a théorisé qu’il est possible d’avoir un nouveau métal en réduisant cet acide. En 1783, les frères Juan José et Fausto de Elhúyar ont révélé un nouvel acide découlant de la wolframite. Ce dernier est identique à l’acide tungstique. Dans la même année, ils ont réussi à isoler le tungstène en réduisant l’acide avec du charbon. Cette expérience s’est déroulée à Bergara en Espagne. La découverte de l’élément leur a été attribuée.

La production et les réserves de tungstène

En 2008, la production annuelle de tungstène était de 55 900 t. Les réserves comptent à peu près 2 800 000 t. C’est l’équivalent de 50 ans de production.

Le tungstène est retrouvé dans la wolframite, la scheelite, la ferbérite et l’hübnérite. La wolframite contient du tungstate de fer (FeWO₄) et de manganèse (MnWO₄). La scheelite se compose de tungstate de calcium ou CaWO₄. Ces minéraux sont surtout retrouvés au Pérou, en Bolivie, en Chine, au Portugal, en Russie et en Corée du Sud. Ils sont aussi disponibles aux États-Unis, en Californie et au Colorado. En 2006, la Chine a produit 84 % de l’approvisionnement mondial de tungstène. Le produit commercial est obtenu en réduisant l’oxyde de tungstène avec de l’hydrogène ou du carbone.

La toxicologie et l’écotoxicologie du tungstène

Les munitions utilisées lors de la guerre du Golfe et celle des Balkans contenaient de l’uranium appauvri. Cela a suscité beaucoup de discussions. Leurs conséquences toxicologiques et écotoxicologiques ont été mises en doute. Les alliages de tungstène (HMTA) étaient présentés comme alternatives « non toxiques » à l’uranium.

Les microparticules de HMTA contiennent 91,1 % de tungstène, 6 % de cobalt et 2,9 % de nickel. L’injection de ces microparticules chez des rats a rapidement provoqué le développement de cancers. Cependant, les mécanismes cellulaires et moléculaires en cause sont encore incompris. Ces expériences de laboratoire ont montré que ces cancers agressifs sont au stade métastatique. Les militaires, et même des civils lors des guerres, sont susceptibles d’inhaler du HMTA émis par l’impact des balles.

Le WNiCo contient 92 % de tungstène, 5 % de nickel et 3 % de cobalt. Le WNiFe se compose de 92 % de tungstène, 5 % de nickel et 3 % de fer. Une expérience a instillé par voie intratrachéale une substance qui a exposé une toxicité pulmonaire chez des rats. C’était un mélange homologue de poudres métalliques de WNiCo, de WNiFe, de métaux purs ou d’une solution saline. Cette toxicité a été évaluée à partir du fluide de lavage bronchoalvéolaire 24 h après instillation. Plusieurs paramètres ont été étudiés :

l’analyse cytologique ;
l’activité du lactate déshydrogénase ;
la teneur en albumine ;
le taux de cytokine inflammatoire.

Ces produits ont entraîné une inflammation pulmonaire. Ils ont notamment induit l’expression de marqueurs de stress oxydatif et métabolique, avec production de radicaux libres toxiques et lésions pulmonaires. Pour rechercher la cause de cluster de leucémies infantiles aux États-Unis, une étude a utilisé la dendrochimie. Elle consiste à mesurer les métaux et les métalloïdes dans les cernes des arbres durant leur croissance. Elle a ainsi été réalisée à Fallon, Sierra Vista et Elk Grove. Cette étude vise notamment à déterminer l’exposition anormale des enfants ou de leurs parents à un métal ou métalloïde. Cela a montré une élévation du taux de tungstène au fur et à mesure des années. Une étude sur des tissus humains a montré cette anomalie. Cette étude a été entreprise par les Centers for Disease Control and Prevention à Fallon. Dans la même ville, une étude de l’United States Geological Survey l’a aussi montré dans l’eau potable. À Sierra Vista, l’air extérieur contenait un taux élevé de tungstène. Beaucoup d’études ont révélé au moins un lien possible entre le tungstène et la leucémie.

L’utilisation du tungstène

Le tungstène sert dans de nombreuses applications. Il est couramment utilisé sous forme de carbure de tungstène (WC) et de sous-carbure de tungstène (W₂C). Ses formes courantes sont employées dans la fabrication des pièces d’usure dans la métallurgie, dans l’industrie minière et l’industrie pétrolière. Elles sont aussi exploitées dans la confection de filaments pour les ampoules électriques, des électrodes et des tubes cathodiques des postes de télévision.

Grâce à son point de fusion élevé, le tungstène est idéal pour une utilisation à très haute température. Il est donc utile à la pénétration atmosphérique d’un véhicule spatial ou au divertor du réacteur thermonucléaire expérimental international. Cette propriété additionnée à sa densité est bénéfique pour les pénétrateurs à énergie cinétique. Le tungstène convient pour les alliages de métaux dans l’armement, les puits de chaleur, les poids et les contrepoids. Cela est dû à sa densité et à sa dureté. Son coefficient de dilatation est équivalent à celui du verre de borosilicate. Il est en conséquence utilisable dans les soudures de verres sur métal.

Il est également efficace pour l’élaboration des pièces d’usure comme les outils à haute vitesse. Il est aussi manié comme électrode réfractaire dans le soudage TIG. Par ailleurs, il peut être adopté comme catalyseur ou pigment inorganique. Le disulfure de tungstène sert de lubrifiant stable au-dessus de 500 °C. Le tungstate de sodium compose le réactif de Folin Denis. Les superalliages avec du tungstène sont importants pour les pales de turbines, les outils en acier et le plaquage. Les contacts d’arcs de disjoncteurs à haute tension sont créés partiellement en tungstène. Les anodes de tubes à rayons X sont notamment faites de tungstène associé à du rhénium et du tantale. En outre, le Dense Inert Metal Explosive ou DIME est élaboré avec du tungstène. Le DIME est un nouvel armement létal avec beaucoup de dégâts et seulement dans un rayon de quelques mètres.

Avant 1961, les billes de stylo à bille étaient en carbure de tungstène. Ils sont actuellement en acier inoxydable. En 2016, un tokamak a généré du plasma dans une chambre à vide de tungstène. Cette expérience impliquant un modèle réduit de réacteur thermonucléaire s’est déroulée à Cadarache aux Bouches-du-Rhône. Le plasma est un gaz chauffé à plusieurs millions de degrés. C’est la première phase vers la fusion nucléaire pour la production d’énergie.

Le recyclage du tungstène

Le tungstène recyclé représente 34 % du tungstène consommé dans le monde. La reconversion des chutes de production représente 10 % du tungstène employé à l’échelle mondiale. Le recyclage des produits hors d’usage se fait par quatre procédés.

L’hydrométallurgie qui utilise les produits chimiques. Il régénère le tungstène en produisant du tungstène similaire au métal initial. Il récupère en même temps le cobalt, le tantale et le nobium dans les déchets.
La fusion qui use les déchets de tungstène dans la production d’alliage. Elle crée des superalliages, des alliages de tungstène, de l’acier, des stellites, des carbures de tungstène moulés ou du ferrotungstène.
Le recyclage direct qui emploie les méthodes chimiques ou physiques pour désagréger le tungstène en poudre. Cette méthode ne change pas la composition de base du tungstène. Elle recycle principalement les carbures de tungstène, de cobalt, de tantale, etc.
Le recyclage semi-direct manipule la dissolution chimique.

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