텅스텐(문화어: 탕그스텐←스웨덴어:Tungsten 퉁스텐[*],일본어:タングステン 탕구스텐[*]) 또는볼프람(문화어: 월프람←독일어:Wolfram)은화학 원소로 기호는W(←라틴어:Wolframium 볼프라미움[*]),원자 번호는 74이다. 텅스텐이라는 말은스웨덴어로 '무거운 돌'을 의미하기[1][2] 때문에 한자어로중석(重石)이라고도 부른다. 무겁고 매우 단단한전이 금속으로철망간중석과회중석 등의 광석에서 산출된다.1781년에 처음 발견되어1783년에 순수한 형태로 분리되었다. 금속원소들 중 녹는점이 가장 높으며, 밀도는 19.25g/cm3으로금이나우라늄과 비슷하다. 순수한 텅스텐은 단단하면서도강도가 뛰어나며, 불순물이 소량 첨가되면 매우 단단하지만 충격을 받을시 부서지기 쉬워 가공하기 어려워진다.
순수한 텅스텐은 전기·전자 분야에 쓰이지만 주로화합물이나합금으로 널리 쓰인다.전구의 필라멘트가 가장 대표적이다. 또, 텅스텐은 단단하고 밀도가 높으므로 군용 목적으로는전차의장갑을 뚫는 탄에도 많이 활용된다.
순수한 텅스텐은 은갈치색의 광택을 띠는 단단한금속으로,전성과연성이 있어 가공하기가 그나마 쉽다. 그러나 불순물이 약간 섞이면 매우 단단하면서도 부서지기 쉬워지는 단점이 있다.
텅스텐은 모든 원소들 중녹는점이 가장 높고(3422 °C) 1650 °C 이상에서증기압이 가장 낮은 원소이기도 하다. 비록탄소가고체 상태로 존재하는 온도가 더 높기는 하지만 탄소는 약 4027 °C에서액체 상태를 거치지 않고 바로기체로승화하기 때문에 녹는점이 가장 높은 원소는 텅스텐이다. 또, 텅스텐의인장 강도는 모든 원소들 중에서 가장 높은데 이는 5d오비탈의전자들이 텅스텐 원자들을 서로 강하게 결합시키고 있기 때문이다. 따라서강철에 약간의 텅스텐을 첨가하면 그 강도가 매우 높아진다. (탄화텅스텐(WC)은 가장 강한 물질중 하나(질화붕소(BN),탄화텅스텐(WC), 질화규소(Si₃N₄))이다. )
또한, 텅스텐은 두 종류의 원자 배열을 가진다. 하나는 α 텅스텐으로체심 입방정계 구조이며, 텅스텐 구조들 중 가장 안정하다. β 텅스텐은A15 등축정계 구조를 갖는데준안정하며, 일반적인 상태에서 α 구조일 때와 함께 존재할 수 있다. α 구조는전기 저항이 β 구조일 때의 1/3이며,초전도체가 되는임계온도는 약 0.015K로 β 구조일 때 1~4K인 것보다 낮다. 두 종류의 구조를 혼합하면 그 중간 정도의 임계온도를 나타낸다. 텅스텐과 다른 금속을 혼합하여 만든 합금은 그보다도 더 높은 임계온도를 나타내는데, 이들은 저온 초전도체 회로에 사용된다. 대표적인 예로 텅스텐-테크네튬 합금이 있다.
원자 번호 74번인 텅스텐은 생물학적 역할이 있다고 알려진 원소들 중 가장 무거운 원소로,진핵생물을 제외한 일부세균들이 사용한다. 텅스텐을 사용하는효소들은 일반적으로카르복시산을알데하이드로환원시키는 역할을 한다.산화 환원 효소들의 경우산화 반응의촉매로 사용하기도 한다. 텅스텐을 필요로 하는 일부 효소의 경우셀레늄도 함께 필요로 하는 경우가 있는데, 이러한 조합은몰리브데넘-황의 조합과 비슷한 역할을 한다.
또한, 텅스텐은 토양 속에서산화하여양이온이 된다. 이러한 텅스텐 양이온은 토양 속에 사는원핵생물들이 특정 효소 내에서 몰리브데넘 대체용으로 사용하기도 한다. 토양의산성도에 따라 텅스텐이중합되는 정도가 달라지기도 한다. 일반적으로 토양이산성일 경우 텅스텐중합체가 잘 형성된다.
텅스텐은 1781년칼 빌헬름 셸레가 발견하였다. 당시 그는회중석에서 얻을 수 있는텅스텐산을 처음으로 발견하고는 이산을환원시켜 새로운 금속 원소를 얻을 수 있을 것이라고 예측했다. 1783년에는 엘야르 형제(Jose Elhuyar,Fausto Elhuyar)가 철망가니즈중석에서 같은 물질을 발견하였고 이를 목탄으로 환원시켜 순수한 텅스텐을 발견하였다.
제2차 세계대전 동안에는 텅스텐이 군사적으로 중요한 역할을 하였다. 텅스텐은 높은 온도에서도 잘 견디고 다른 금속과 섞으면 강도가 높아지는 성질이 있어 군용으로 많이 사용된다. 이 때문에 당시유럽 내 주요 산지였던포르투갈은파나스케이라 지방의 철망가니즈중석 자원 때문에연합국과추축국 모두로부터 압력을 받기도 하였으나, 동시에 이득을 취하기도 하였다.
한편, 텅스텐이라는 이름은스웨덴어 tung sten에서 유래한 것인데, 이는 고대스웨덴어로 회중석을 지칭하는 말이며, '무거운 돌(중석)'이라는 뜻이다. 따라서 텅스텐이라는 이름은스칸디나비아 지역에서는 사용되지 않는다. 원소 기호 W는독일어에서 사용되는 이름인 'wolfram'에서 따온 것으로,늑대라는 뜻이다.
자연에는 다섯 종류의 텅스텐동위 원소가 존재하며, 모두반감기가 매우 길어 안정한 원소로 분류되는 동위 원소들이다. 이론상으로는 안정한 텅스텐 동위 원소 5가지 모두알파 붕괴를 통해하프늄으로 붕괴할 수 있지만 현재까지는180W만이 약 1.8×1018년의 반감기를 거쳐방사성 붕괴하는 것이 관찰되었으며, 이는 평균적으로 1년에 1g의 텅스텐 중에서180W 원자 2개만이 붕괴하는 것과 같다. 다른안정 동위 원소들은 아직까지 붕괴하는 것이 관찰된 적은 없으며 모두 반감기가 4×1018 이상인 것으로 추정되나 실제로 붕괴하지 않을 수도 있다. 이외에원자량 158에서 192 사이에 30개의인공 방사성 동위 원소와 4개의준안정 동위 원소가 발견되었으며, 이들 중 가장 안정한 것은 반감기 121.2일의181W이다.
전체 텅스텐 생산량의 약 60% 정도는 탄화 텅스텐(WC)를 기반으로 한 고강도 물질의 생산에 이용된다. 이는탄화물 중 가장 단단한 물질 중의 하나로,경도는다이아몬드와 비슷하며녹는점은 약 2770 °C이다. 매우 단단한 특성을 이용하여 칼, 드릴, 톱 등 절단 용구에 많이 사용된다. 일부는 반지 제조에 사용되기도 한다.
텅스텐은 단단하고 밀도가 높아 중금속의합금에 많이 이용되며, 특히 고강도강은 텅스텐 함량이 18% 정도이다. 녹는점도 매우 높으므로로켓이나미사일의엔진 노즐에도 사용된다. 텅스텐을철,니켈,코발트 등과 혼합하여 만든 합금은 매우 무거우므로열화 우라늄탄을 대신하여운동 에너지탄에 사용하기도 한다.방사능이 문제가 되는 경우 등 열화 우라늄탄을 사용할 수 없는 곳에 주로 사용하며, 이와 비슷하게포탄의 탄피,수류탄, 미사일 등에 사용된다. 이밖에도항공우주공학, 자동차 산업, 방사선 보호 등 텅스텐은 다양한 분야에 널리 사용된다.
텅스텐은 철망가니즈중석,회중석 등의 광물에서 주로 산출된다. 2009년 기준으로중국이 전 세계 생산량의 약 83%에 해당하는 51,000톤을 생산하였으며,제2차 세계대전 당시에는미국의 텅스텐 공급에 도움을 주기도 하였다. 이외에러시아,캐나다,볼리비아,오스트리아,포르투갈,태국,브라질,페루,르완다 등에서도 상당량 생산되었으며, 이 중 포르투갈은 제2차 세계대전 당시 중립국이면서도연합국과나치 독일 양측 모두에 텅스텐을 판매하여 이득을 보았다.
한국에는 텅스텐이 최소 약 970만톤 ~ 최대 3천만톤(80년 사용 가능한 분량)가량 매장되어 있다고 한다.강원도영월군 상동광산은 단일 광구로서는 한때 세계 최대의 광산이었다. 그러나 1990년대 값싼 중국산 텅스텐 유입으로 폐광되었고 대한중석은거평그룹에 매각되었다.[3] 2020년부터상동광산 재개광을 추진중이다.[4]
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