El wolframio, también conocido como tungsteno, es un elemento químico perteneciente al grupo de los metales de transición. Se trata de un metal de color gris acero, duro y muy denso[1] que a menudo es frágil y poco maleable para ser un metal. Es escaso en la corteza terrestre, encontrándose en determinados minerales como la scheelita (CaWO4). Este elemento se aisló por primera vez en España a finales del siglo XVIII por los hermanos Elhúyar. Su propiedad física más destacada es su punto de fusión extremadamente alto, el más alto de cualquier elemento químico (3420 oC), y también el más alto de ebullición (5930 oC). Además, presenta el coeficiente de dilatación térmica más bajo de cualquier metal puro. Por esta razón al wolframio se le clasifica junto con otros metales, como el molibdeno, el niobio, el tantalio o el renio, como metal refractario, caracterizándose por ser extraordinariamente resistentes al calor y al desgaste.
La mayoría de las aplicaciones del wolframio metálico se basan en estas características, por lo que se usa en filamentos de lámparas incandescentes, en electrodos no consumibles de soldaduras, en resistencias eléctricas para hornos, etc. Además, tiene importantes aplicaciones en física nuclear. Por un lado, su alta densidad y estabilidad atómica hacen que sea un metal especialmente apropiado para blindajes y protección radiológica, ya que es capaz de absorber una gran proporción de todas las radiaciones ionizantes, incluyendo los rayos gamma, y siendo uno de los pocos materiales efectivos contra la penetración de neutrones. Su absorción es superior a la del plomo, con la ventaja adicional de que no es tóxico. Como consecuencia de su elevado punto de fusión resulta un candidato idóneo para revestir reactores nucleares, siendo uno de los más prometedores para aplicaciones en fusión nuclear. También se emplea como metal de aleación para determinados aceros especiales. Uno de sus compuestos más útiles es el carburo de wolframio (apartado 8.3), con el que se fabrican herramientas de corte, siendo esta aplicación la que supone la mayor parte de la demanda mundial de wolframio.
Las bombillas tradicionales o lámparas incandescentes producen luz gracias al calentamiento por efecto Joule de un filamento metálico o resistencia eléctrica por el que se hace pasar una corriente eléctrica. Como hemos indicado, este filamento suele ser de wolframio y cuando alcanza temperaturas muy altas empieza a emitir luz blanca. Cuando un metal se calienta en torno a los 1000 oC adquiere una tonalidad rojiza, lo que habitualmente se conoce como estar al rojo vivo. Si la temperatura se aumenta aún más empieza a emitir a longitudes de onda mayores, dando lugar a luz blanca. Un filamento de wolframio de una bombilla de las tradicionales puede funcionar a temperaturas de hasta 2500 oC gracias al punto de fusión tan elevado del wolframio comparado con los de otros metales, que a esa temperatura estarían ya fundidos. A menudo se añade a las bombillas incandescentes una pequeña cantidad de yodo o bromo que aumentan la durabilidad del filamento, ya que, de este modo, los átomos de wolframio que se van evaporando del filamento a gran temperatura dan lugar al halogenuro correspondiente. Las moléculas de estos halogenuros se descomponen posteriormente sobre el filamento reintegrando los átomos de wolframio que se habían evaporado. Estas lámparas que contienen una pequeña cantidad de elementos halógenos se denominan genéricamente lámparas halógenas y son más duraderas.
El tipo de radiación electromagnética que emite un cuerpo negro a una temperatura dada en equilibrio térmico viene descrito por la ley de Planck, que se ilustra en la figura 2.15. Vemos que para un cuerpo a unos 3000 K la radiación se emite principalmente en el rango del infrarrojo, mientras que solo una pequeña fracción es emitida en el rango del visible con longitudes de onda predominantemente roja, como le ocurre al hierro al rojo vivo. Solo para temperaturas algo mayores la emisión abarca todo el rango del visible dando una luz blanca, como le sucede al hierro fundido o a los filamentos de wolframio. El máximo de longitud de onda al que emite el cuerpo viene dado por la llamada ley del desplazamiento de Wien (en azul en la figura 2.15). De acuerdo con esta ley, solo a temperaturas por encima de 5000 K ese máximo de emisión estaría en el rango de la luz visible[2].
Por esta razón, las lámparas incandescentes son altamente ineficaces y están obsoletas, ya que la mayoría de la electricidad se disipa en forma de radiación infrarroja y generando calor, y solo una pequeña parte se invierte en producir luz. De hecho, desde 2009 la Unión Europea estableció un plazo para que en los estados miembros se dejaran de fabricar y comercializar lámparas incandescentes de forma progresiva. Para buscar soluciones más eficientes, a lo largo de los años se han ido desarrollando otras tecnologías, en la mayoría de las cuales se emplea wolframio metálico debido a su carácter refractario. En la figura 2.16 se muestran algunos ejemplos de este tipo de dispositivos luminosos.
Los tubos fluorescentes también incluyen unos arrollamientos de wolframio en sus extremos, pero su funcionamiento no se basa directamente en la radiación del cuerpo negro, sino que se emplean para calentarlos y así ionizar gases y una pequeña cantidad de vapor de mercurio. Estos gases se encuentran confinados a baja presión en un tubo fino de vidrio donde se forma un plasma conductor debido al paso de la corriente eléctrica, por lo que los átomos emitirán luz al relajarse, con una contribución importante de radiación ultravioleta. Los tubos fluorescentes están revestidos interiormente con una serie de compuestos químicos que homogeneizan la emisión de luz que se ha generado dentro del tubo. La tecnología basada en tubos fluorescentes ha mejorado mucho en los últimos años. Actualmente existen alternativas de iluminación que se basan en tecnología fluorescente pero son mucho más eficientes. En concreto, existen las denominadas lámparas fluorescentes compactas, cuyo funcionamiento es básicamente el mismo que el del tubo fluorescente convencional, salvo por la incorporación de un balastro electrónico que permite operar a una alta frecuencia eliminando el típico efecto de parpadeo y del lento encendido de la iluminación fluorescente tradicional, así como permitiendo una importante reducción del peso de las lámparas. La eficiencia de estas bombillas es mucho mayor. A modo de ejemplo, una bombilla de 15 W de este tipo sería equivalente a una bombilla incandescente convencional de 60 W. No obstante, hay que comentar que la nueva tecnología LED (apartado 8.8) es aún más eficaz y se está imponiendo progresivamente para aplicaciones cotidianas.
[1] En concreto, una densidad de 19,4 g cm–3, lo que quiere decir que es casi veinte veces más denso que el agua y cerca del doble que el plomo.
[2] Para una descripción más detallada de la ley de Planck y la radiación del cuerpo negro puede consultarse el capítulo 1 de R. Eisberg y R. Resnick. Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles. 2ª ed. John Wiley & Sons (1985).
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
