Tungstène

Le tungstène possède 35 isotopes connus, de nombre de masse variant entre 158 et 192, ainsi que 11 isomères nucléaires. Parmi ces isotopes, quatre sont stables, ¹⁸²W, ¹⁸³W, ¹⁸⁴W et ¹⁸⁶W, et ils constituent avec ¹⁸⁰W, un radioisotope à vie très longue (demi-vie de 1,8 × 10¹⁸ années), la totalité du tungstène naturel, dans des proportions variant de 14 à 30 % (0,12 % pour ¹⁸⁰W). Comme tous les éléments plus lourds que le zirconium, le tungstène est théoriquement instable, et tous ses isotopes stables sont soupçonnés d'être faiblement radioactifs, se désintégrant par émission α en isotopes de l'hafnium correspondants. On attribue au tungstène une masse atomique standard de 183,84(1) u.

Barres de tungstène avec des cristaux évaporés, partiellement oxydés. D'une pureté de 99,98 % en comparaison avec un cube de 1 cm³ de tungstène pur (99,999 %).

Le tungstène pur est un métal dur de couleur allant du gris acier au blanc étain. On peut le couper à l'aide d'une scie à métaux lorsqu'il est très pur, mais il est cassant et difficile à travailler lorsqu'il est impur, et on le travaille normalement par forgeage, extrusion, ou étirement. Cet élément a le plus haut point de fusion (3 422 °C) de tous les métaux, la plus faible pression de vapeur et la plus grande résistance à la traction de tous les métaux à une température supérieure à 1 650 °C, son module de Young est de 406 GPa. Du fait de sa très haute température de fusion, le tungstène n'est pas fondu mais fritté à haute température ainsi que certains de ses composés comme le carbure de tungstène[9]. Sa résistance à la corrosion est excellente et il ne peut être que légèrement attaqué par les acides minéraux. Le tungstène métallique forme une couche d'oxyde protecteur lorsqu'il est exposé à l'air. Lorsqu'on l'ajoute en faible quantité aux alliages d'acier, il en augmente la dureté.

Tous les isotopes naturels du tungstène sont considérés d'un point de vue théorique comme devant être radioactifs émetteur alpha avec des demi-vies très élevées mais cela n'est établi que pour le tungstène 180[alpha 1]. Le tungstène naturel est donc stable pour les applications courantes.

Le premier à avoir supposé l'existence du tungstène est Peter Woulfe, en 1778, alors qu'il examinait de la wolframite.

Il détermina alors que ce minéral devait contenir une substance inconnue. En 1781, Carl Wilhelm Scheele établit qu'un nouvel acide pouvait être formé à partir de la tungsténite. Scheele et Tobern Bergman suggérèrent qu'il devait être possible d'obtenir un nouveau métal en réduisant cet acide. Les frères Juan José et Fausto de Elhúyar découvrirent, en 1783, un nouvel acide dérivé de la wolframite identique à l'acide tungstique. À Bergara, en Espagne, un peu plus tard, la même année, les deux frères réussirent à isoler le tungstène en réduisant l'acide avec du charbon. On leur attribua la découverte de l'élément.

Échantillon de tungstène en poudre.

La production annuelle de tungstène était en 2008 de 55 900 t[10]. Les réserves sont estimées à 2 800 000 t[10], ce qui représente cinquante ans de production annuelle.

On trouve du tungstène dans la wolframite qui est un tungstate de fer et de manganèse, (FeWO₄/MnWO₄), scheelite (tungstate de calcium, CaWO₄), ferbérite et hübnérite. On trouve d'importants dépôts de ces minéraux au Pérou[11], en Bolivie, Californie, Chine, Colorado (É.-U.), Portugal, Russie, et Corée du Sud. La Chine produisait, en 2006, 84 % de l'approvisionnement mondial[12]. Le métal est produit commercialement par réduction de l'oxyde de tungstène par de l'hydrogène ou du carbone.

La controverse sur les conséquences toxicologiques et écotoxicologiques de l'utilisation d'uranium appauvri dans les munitions de la guerre du Golfe et la guerre des Balkans a conduit à évaluer d'autres matériaux lourds utilisés dans les munitions perforantes, dont les alliages de tungstène (HMTA[alpha 2]), qui étaient présentés comme des « alternatives non toxiques » à l'uranium[13].

Il a alors été montré en laboratoire que l'injection (intramusculaire) de microparticules de HMTA (contenant 91,1 % de tungstène, 6 % de cobalt et 2,9 % nickel) chez des rats de laboratoire a rapidement causé l'apparition de cancers avec tumeurs métastatiques agressives sur le site d'implantation, sans que l'on ait toutefois compris les mécanismes cellulaires et moléculaires en cause. Or les militaires durant les exercices ou en situation de combat et les civils durant les guerres peuvent inhaler de telles particules (émises à l'impact).

L'instillation intratrachéale (inhalation forcée) chez des groupes de rats d'un mélange homologue de poudres métalliques de WNiCo (92 % de tungstène, 5 % de nickel et 3 % de cobalt), de WNiFe (92 % de tungstène, 5 % de nickel et 3 % de fer), de métaux purs, ou d'un produit neutre (solution saline) par voie intratrachéale chez le rat a également montré une toxicité pulmonaire (évaluée par analyse cytologique, par l'activité de la lactate déshydrogénase, la teneur en albumine et le taux de cytokines inflammatoire dans le fluide de lavage broncho-alvéolaire 24 h après l'instillation). Ces produits ont induit une inflammation pulmonaire et l'expression de marqueurs de stress oxydatif et métabolique, avec production de radicaux libres toxiques et lésions pulmonaires.

Pour tenter d'expliquer trois cas de clusters de leucémies infantiles apparus aux États-Unis (dont à Fallon, Sierra Vista et Elk Grove) une étude a mesuré les métaux et métalloïdes "archivés" dans les cernes des arbres durant leur croissance (dendrochimie) pour savoir si ces enfants ou leurs parents avaient été anormalement et récemment exposés à un métal ou métalloïde (ou plusieurs). Dans le bois des arbres de tous les sites concernés, parmi les nombreux éléments mesurés, seul le tungstène avait augmenté au fur et à mesure des années (doublement dans un cas)[14]. Une étude des CDC sur des tissus humains d'habitants de Fallon a montré des taux élevés de tungstène et une étude USGS sur l'eau potable de la ville a aussi montré une teneur élevée en tungstène. L'air extérieur filtrés à Sierra Vista contenait aussi plus de tungstène que dans plusieurs régions voisines (sud de l'Arizona). Plusieurs études ont montré au moins un lien possible entre le tungstène et la leucémie (ou le cancer plus généralement)[14].

Le tungstène connaît un grand nombre d'utilisations, la plus courante étant sous forme de carbure de tungstène (WC) et de sous-carbure de tungstène (W₂C), qui sert à la fabrication des pièces d'usure dans la métallurgie, l'industrie minière et pétrolière. On se sert du tungstène pour la fabrication des filaments des ampoules électriques et des tubes cathodiques des postes de télévision, ainsi que dans celle des électrodes, les très fins filaments que l'on peut produire avec ce métal ayant un très haut point de fusion.

Autres utilisations :

• Son point de fusion très élevé rend le tungstène particulièrement adéquat dans un contexte de très hautes températures, comme la rentrée atmosphérique d'un véhicule spatial ou le divertor du réacteur thermonucléaire ITER.
• La dureté et la densité de ce métal le rendent idéal pour faire des alliages de métaux utilisés dans l'armement, les puits de chaleur, ainsi que les poids et contre-poids.
• Les pièces d'usure utilisées, par exemple dans les outils à haute vitesse, utilisent souvent des alliages de tungstène et d'acier pouvant contenir jusqu'à 18 % de tungstène.
• Des composés du tungstène sont utilisés comme catalyseur, pigment inorganique. Le disulfure de tungstène (en) est utilisé comme lubrifiant stable au-dessus de 500 °C.
• Le tungstate de sodium (numéro CAS : 10213-10-2) fait partie du réactif de Folin Denis (en).
• Étant donné que son coefficient de dilatation est équivalent à celui du verre borosilicate, il est utilisé pour faire des soudures verre sur métal (électrodes, passages électriques).
• Des superalliages contenant du tungstène sont utilisés pour faire des pales de turbine, des outils en acier, ainsi que des plaquages.
• Il est utilisé comme électrode réfractaire dans le soudage TIG.
• Les contacts d'arc de disjoncteurs à haute tension sont aussi partiellement constitués de tungstène afin de supporter la haute température d'un arc électrique.
• DIME (Dense Inert Metal Explosive), nouvel armement très performant pour tuer un être humain tout en causant des dégâts dans un rayon très limité de quelques mètres.
• Il est utilisé également pour les pénétrateurs à énergie cinétique (ou obus flèche) du fait de son haut point de fusion et de sa densité.
• Les billes des stylos à bille sous forme de carbure de tungstène, avant qu'elles soient réalisées en acier inoxydable à partir de 1961.
• Le 14/12/2016, un tokamak, réacteur thermonucléaire expérimental, modèle réduit d' ITER à Cadarache (Bouches-du-Rhône), a produit du plasma (gaz chauffé à plusieurs millions de degrés) dans une chambre à vide en tungstène. Première étape vers la fusion nucléaire pour produire de l'énergie[15].
• Les anodes des tubes à rayons X sont le plus souvent faites de tungstène, généralement associé à du rhénium et à du tantale.

34 % du tungstène consommé dans le monde provient du recyclage[16]. Hormis le recyclage des chutes de production, qui représente 10 % du tungstène consommé dans le monde, le recyclage concerne pour le reste les produits hors d'usage, pour lesquels il existe principalement quatre procédés[17] :

L'hydrométallurgie

Cette technique, qui utilise des produits chimiques, permet de régénérer le tungstène en produisant du tungstène non différenciable du minerai initial. Elle permet de récupérer en même temps le cobalt, le tantale, et le niobium présents dans les déchets.

La fusion

Cette technique, qui utilise les déchets de tungstène dans la production d’alliages, permet de produire de l'acier, des stellites, des superalliages, des carbures de tungstène moulés, du ferrotungstène ou des alliages de tungstène.

Le recyclage direct

Cette technique utilise des méthodes chimiques ou physiques qui ne changent pas la composition de base du tungstène, qui est désagrégé en poudre. Elle permet de recycler les carbures de tungstène, ainsi que les carbures de cobalt, de tantale, et les autres carbures.

Le recyclage semi-direct

Cette technique consiste en une dissolution chimique.