28 - 05 - 2019

Wolfraam, nr. 74, boort alles

 

Tekst: Marga van Zundert

 

Vanwege 150 jaar periodiek systeem besteedt chemie magazine dit jaar aandacht aan een aantal bijzondere elementen

 

Nr. 74 boort alles: wolfraam, diamant onder de metalen

 

Het metaal wolfraam is hard. Wolfraamcarbide, een mix van wolfraam en koolstof, komt qua hardheid zelfs in de buurt van diamant. De meest alledaagse toepassing is in balpenpunten. Maar het meeste wolfraam zit in boren, van megagrote tunnelboren tot het gevreesde tandartsboortje. 

 

Hard, zwaar en hittebestendig. Element nr. 74 is een stoer grijs-wit metaal dat twee wat wonderlijke namen draagt: het officiële Nederlandse ‘wolfraam’ en het meer internationale ‘tungsten’. Je komt het element waarschijnlijk meer tegen dan je vermoedt. Het kogeltje in je balpen is er bijvoorbeeld van gemaakt, de gloeidraad in ouderwetse peertjes, de punt van dartpijltjes, de draden in gewapend glas en de achterruitverwarming in auto’s. En wolfraam laat je mobiel vibreren bij een telefoontje of bericht.

Maar wolfraam vindt vooral toepassing in draaiend gereedschap zoals de boor. Niet alleen omdat het metaal hard is, maar ook omdat het tegen grote hitte kan. Het smeltpunt ligt bij 3422 graden Celsius, het hoogste van alle metalen. Een wolfraamboor zal dus niet smelten door wrijvingswarmte. De koppen van grote ronddraaiende boren die graniet verpulveren voor auto- en treintunnels in de Alpen bevatten het metaal, net als boren die diepe gas- en olieputten slaan. Ook in werkplaatsen zijn de meeste boren en boortjes, slijptollen, messenslijpers, draaibeitels en frezen van wolfraam of bekleed met wolfraam. En ja, ook de minuscule boortjes waarmee de tandarts gaatjes vult, zijn vaak van het metaal.

“Tandglazuur is het hardste materiaal in het lichaam, veel harder dan bot”, vertelt Joris Muris, onderzoeker bij het Academisch Centrum Tandheelkunde Amsterdam (ACTA) en tandarts in dezelfde stad. Glazuur scoort een 5 op de hardheidsschaal van Mohs, die loopt van 1 voor talk tot 10 voor het hardste natuurlijke materiaal: diamant. Het toplaagje van onze tanden is zo hard omdat het voor 96 procent uit kristallen van het mineraal hydroxyapatiet (Ca5(PO4)3OH) bestaat. Om er nauwkeurig in te kunnen boren is dus een zeer hard materiaal nodig. Muris, bekend van het tv-programma Gênante tanden van RTL4, waarin hij patiënten behandelde die al in jaren geen tandarts hadden gezien, gebruikt per behandeling al snel vijf of zes verschillende burrs. “Je bent veel aan het wisselen. Bij een gaatje boor je het aangedane weefsel weg. Eerst met een wat grover boortje, dan met een wat fijner en dunner exemplaar. Dan maak je het oppervlak geschikt voor het vulmateriaal en die vulling wordt ook nog gepolijst.” En om een tand te prepareren voor een kroon, voor het verwijderen van een oude vulling of voor het uitboren van een zenuw bij een wortelkanaalbehandeling, zijn er weer andere boortjes, vervolgt Muris. “De één zweert bij dit of dat type, mij gaat het vooral om de grootte, de grofheid en de vorm.”

 

 

Lees meer in de serie '150 jaar periodiek systeem':

Nr. 18, Argon, biedt beschermende deken

Nr. 31, Gallium, onmisbaar voor licht

Nr. 42, Niobium, fotografeert ons brein

Nr. 55, Cesium, onmisbaar voor gps

Nr. 77, Iridium, markeert opkomst zoogdieren

 

Het hardste natuurlijke materiaal, diamant, is uitstekend geschikt om mee te boren, maar ook prijzig. In 1896 ontdekte de Franse chemicus Henri Moissan min of meer per ongeluk een alternatief. Moissan was eigenlijk op zoek naar een manier om diamant te synthetiseren. Hij probeerde in een hete oven allerlei recepten uit met koolstofrijke grondstoffen om de unieke vorm van koolstof in handen te krijgen. Tijdens een van die experimenten verhitte hij wolfraamoxide met suiker. Het leverde wederom geen diamant op, maar wel wolfraamcarbide, dat een dikke 9 scoort op de hardheidsschaal van Mohs. Het staat ook bekend als widia, van het Duitse Wie Diamant (‘als diamant’).

 

Dubbelkristal
De stof wordt tegenwoordig gemaakt door wolfraamoxide te mengen met koolstof en met waterstof om te zetten in wolfraamcarbide (WC). Dat wordt vervolgens gesinterd: langdurig verhit net onder het smeltpunt. De korrelgrenzen die het materiaal kunnen verzwakken worden zo aaneen ‘gesmeed’. Wolfraamcarbide is moleculair gezien een bijzonder compact materiaal. De veel kleinere koolstofatomen vullen de ‘gaten’ op in het metaalrooster van wolfraam. Je kunt het ook zien als een dubbelkristal.

Met ‘nepdiamant’ wordt sinds 2007 de Brenner-basistunnel geboord, een straks 55 kilometer kaarsrechte spoortunnel dwars door de Alpen, van het Oostenrijkse Innsbruck naar het Italiaanse Fortezza. Een bijna 2 miljoen kilo wegende, 200 meter lange tunnelboormachine, genaamd Gripper (7500 pk), beslecht het graniet met 42 roterende stalen schijven bekleed met wolfraamcarbide. De tunnel is een alternatief voor de druk bereden Brennerpas, waar jaarlijks 2,25 miljoen vrachtwagens passeren om van Noord- in Zuid-Europa te belanden. De basistunnel bekort de huidige reis met 20 kilometer, en – nog belangrijker – met zo’n 800 meters omhoog en weer omlaag. De treinreistijd tussen Innsbruck en Bolzano zal straks 50 minuten bedragen in plaats van 2 uur. Het is niet het eerste huzarenstukje van wolfraamcarbide. De langste tunnel ter wereld, 57,1 kilometer, opende in 2016 na 17,5 jaar boren: de Gotthard-basistunnel tussen Zwitserland en Italië. Die heeft de treinreis van mensen en goederen tussen Zürich en Milaan met een heel uur verkort. Voor de tunnel is in totaal een volume van vijf piramides van Giza uit het Gott-hardmassief geboord.
 

Witte vulling
Ook de minuscule burrs van de tandarts zijn vaak gemaakt van wolfraamcarbide of van ‘hardmetaal’, een legering die 70 tot 95 procent wolfraamcarbide bevat, met daarnaast nikkel, kobalt, chroom en/of titanium. Muris: “De boortjes breken zelden, maar ze worden op den duur wel bot. Dat komt niet alleen door het boren, maar ook omdat ze na elk gebruik natuurlijk grondig gereinigd en gesteriliseerd worden.” De boortjes draaien rond met toerentallen tot 400.000 per minuut en zijn watergekoeld om het tandbeen niet heet te laten worden. De trillingen en ook het geluid dat een tandartsboor produceert, zijn de afgelopen decennia fors verminderd. Toch boezemt de tandartsboor nog vaak angst in. “Maar één op de vijf mensen ligt echt ontspannen in een tandartsstoel”, bevestigt Muris.

Maar boren doet een tandarts steeds minder, benadrukt hij. Een grote stap werd gezet rond de eeuwwisseling met de komst van de ‘witte vulling’. Amalgaam, het klassieke, grijs-zwarte vulmiddel van kwik, zilver en tin, is vervangen door composiet. Dat witte materiaal bestaat uit een matrix (‘cement’) van kunststof (meestal polymethylacrylaat) vermengd met glas, kwarts of keramiek. Het wordt als een pasta in gaatjes gebracht, waarna het uithardt onder blauw licht. Compo-siet hecht sterk aan tand en glazuur, 
je kan er zelfs een afgebroken hoekje aan een tand mee ‘opmetselen’. Muris: “Amalgaam hecht niet. Daarom moest je een gat boren dat naar beneden breder uitliep. Anders blijft zo’n vulling niet zitten. Maar daarvoor moest je gezond tandbeen opofferen. Dat is natuurlijk het laatste wat je wilt als tandarts.”

Nieuwe inzichten zorgen er ook voor dat groeven in kiezen niet langer preventief worden gevuld, en beginnende gaatjes blijken zich soms zelf te herstellen wanneer ze goed schoon worden gemaakt. Muris: “We kijken het nu vaker even aan voordat we ingrijpen.” Ook worden kleine gaatjes in melktanden en -kiezen zelden gevuld. “Wanneer je zo’n gaatje goed toegankelijk maakt voor de tandenbostel, is regelmatig poetsen genoeg om het tandbederf te stoppen. En de behandeling is zo veel minder intensief voor het kind.”

Is de toekomstige tandartspraktijk dan helemaal boorloos? “Nee, dat is een utopie zolang mensen hun gedrag niet veranderen. We houden van zoet en zuur, maar dat is slecht voor je tanden.” En zeker 10 procent van de Nederlanders mijdt de tandarts helemaal. Vaak uit angst, soms ook vanwege de kosten. “Heel spijtig, want juist met regelmatige controle voorkom je problemen als cariës, tandvleesontstekingen en tanderosie.”

 


 

Nazi-Duitsland kocht tijdens de oorlogsjaren al het wolfraam op waar het de hand op kon leggen

 

Tweede Wereldoorlog 
Helaas wordt wolfraam niet alleen voor vredelievende toepassingen gebruikt. Kort voor de Tweede Wereldoorlog begon het Duitse leger de tips van kogels, torpedo’s en bommen van wolfraamcarbide te maken. Het bleek een game changer. Er wordt gezegd dat wolfraam misschien wel bepalender was voor de snelle opmars van de Duitse veldmaarschalk Erwin Rommel in 1941 in Noord-Afrika, dan de roemruchte strategieën van ‘De Woestijnvos’ (Rommels bijnaam). De gevreesde duikbommenwerper Stuka werd geladen met wolfraam-munitie die dwars door de Britse tanks heen sneed. Nazi-Duitsland kocht tijdens de oorlogsjaren al het wolfraam op waar het de hand op kon leggen. De productie van wolfraamcarbide door staal- en wapenfabrikant Krupp ‘explodeerde’ tot 500 ton in 1945. Het was vooral neutraal Portugal dat de grondstof leverde. Dictator Antonio Salazar handelde zowel met de geallieerden als met Duitsland. Hij verdiende er goed aan, de prijs verduizendvoudigde gedurende de oorlogsjaren. De nazi’s betaalden voor een belangrijk deel met goud geroofd van vermoorde joodse burgers.

 

Wolfraam alias tungsten
In 1779 onderzocht de Engelse mineraloog Peter Woulfe het gesteente dat nu bekendstaat als wolframiet (ijzer-mangaan-wolfraam-oxide, (Fe,Mn)WO4). Hij concludeerde dat het een nog onbekende substantie bevatte. Twee jaar later ontdekte de Zweedse chemicus Carl Wilhelm Scheele een nog onbekend zuur dat gemaakt kon worden uit tung sten (Zweeds voor ‘zware steen’). Tung sten, zo bleek later, was CaWO4, en is nu bekend als het mineraal scheeliet. Kort daarna toonden twee Spaanse chemici, de broers Juan José en Fausto Elhuyar, aan dat Scheele’s zuur ook uit wolframiet kon worden bereid. En het lukte hun de onbekende substantie te isoleren door het zuur te reduceren met houtskool. Het element, een metaal, kreeg toen officieel de naam wolfraam, naar het mineraal wolframiet. Dat had zijn naam gekregen in de late middeleeuwen in de Duitse tinindustrie. Wanneer wolframiet in tinerts voorkwam, verminderde het de opbrengst. De ovenwanden werden bedekt met een dikke laag zwart gesteente, want wolfraam heeft een zeer hoog smeltpunt. Het mineraal werd daarom gezien als een ‘wolf’ die het tin opvrat. In de Engelstalige wereld burgerde echter de Zweedse naam tungsten in voor het element, en sinds 2005 heet het element ook officieel zo, al blijft de afkorting W.

 


Lees meer over dit onderwerp via de tag(s):
Chemie Magazine
Periodiek Systeem

Onderdeel van dossier(s):