Izbornik sadržaja
● Uvod u volfram karbid
>> Povijesna pozadina
>> Metode sinteze
● Kemijska struktura i vezivanje
>> Kristalna struktura
>> Ionic nasuprot kovalentnom vezivanju: komparativna analiza
● Svojstva volframovog karbida
>> Mehanička svojstva
>> Termička i električna svojstva
>> Kemijska otpornost
● Napredne primjene volfram karbida
>> Industrijska i potrošačka upotreba
>> Tehnologije u nastajanju
● Zdravlje, sigurnost i okolišna razmatranja
>> Profesionalne opasnosti
>> Utjecaj na okoliš
● Zaključak
● Često postavljana pitanja
>> 1. Zašto se volfram karbid ne smatra jonskim?
>> 2. Može li volfram karbid hrđa ili korodirati?
>> 3. Kako kobalt poboljšava svojstva volframovog karbida?
>> 4. Koristi li se volfram karbid u potrošačkoj elektronici?
>> 5. Kakva je budućnost volfram karbida u zelenoj energiji?
● Navodi:
Volfram karbid (WC) je spoj volframa i ugljika koji je poznat po svojoj izvanrednoj tvrdoći, visokoj talištu i raznolikim industrijskim primjenama. Iako su njegova fizička svojstva dobro dokumentirana, priroda njegovog kemijskog vezivanja-ionsko ili kovalentno-zaustavlja temu znanstvenog istraživanja. Ovaj članak istražuje strukturu, vezivanje, svojstva, primjene i implikacije Volfram karbid dok se bavi svojim ionskim ili kovalentnim karakterom.
Uvod u volfram karbid
Povijesna pozadina
Volfram karbid prvi je sintetizirao krajem 19. stoljeća francuski kemičar Henri Moissan, koji je također otkrio sintetičke dijamante. Međutim, njegov industrijski potencijal nije realiziran do 1920 -ih, kada su njemački inženjeri razvijali alatima za cementirane karbide kombinirajući WC s kobaltnim vezivima. Ova je inovacija revolucionirala procese obrade, omogućujući brže i izdržljivije alate za rezanje.
Metode sinteze
Volfram karbid nastaje reagiranjem praha volfram s ugljikom na temperaturama između 1.500 ° C i 2.000 ° C u vodikovom ili vakuumskom okruženju. Reakcija slijedi:
W+C → WC
Moderne tehnike uključuju:
- Karbotermalno smanjenje: Korištenje volframskog oksida (WO₃) i ugljika u peći s visokim temperaturama.
- Kemijsko taloženje pare (CVD): Za stvaranje tankih prevlaka WC na supstratima.
- Mehaničko legiranje: lopta za mljevenje volframa i ugljikovih prahova za postizanje struktura nano-skala.
Kemijska struktura i vezivanje
Kristalna struktura
Volfram karbid kristalizira se u dva primarna oblika:
1. šesterokutna (α-WC): stabilna na sobnoj temperaturi, s atomima volfram u šesterokutnoj rešetki (HCP) i ugljikom koji zauzimaju polovicu oktaedralnih intersticijskih mjesta.
2. Kubični (β-WC): formi na temperaturama iznad 2.600 ° C, prihvaćajući strukturu soli (B1 tip).
Duljina veze između volframa i ugljika je ~ 220 pm, kraća od tipičnih ionskih veza (npr. NaCl: ~ 280 pm), što sugerira snažne kovalentne interakcije.
Ionic nasuprot kovalentnom vezivanju: komparativna analiza
| svojstva |
ionske veze (npr. NaCl) |
kovalentna veza (WC) |
| Elektronegativnost |
Velika razlika (Δχ = 2,23) |
Mala razlika (Δχ = 0,8) |
| Talište |
~ 800 ° C |
~ 2.870 ° C |
| Električna vodljivost |
Loš (izolator) |
Visok (metalni vodič) |
| Režija obveznica |
Nesvojički |
Usmjeren (lokaliziran) |
Mala razlika elektronegativnosti između volframa (χ = 2,36) i ugljika (χ = 2,55) i metalne vodljivosti WC -a potvrđuju kovalentno vezivanje s metalnim karakteristikama.
Svojstva volframovog karbida
Mehanička svojstva
Tvrdoća:
- Mohs skala: 9,0–9,5 (dijamant = 10).
- Vickersova tvrdoća: 2.200–2.400 HV, nadmašujući titan i čelik.
- Čvrstoća loma: ~ 6–8 MPa√m, niže od čelika, ali ublažena kobaltnim vezivima u kompozitima.
- gustoća: 15,6 g/cm³, usporediva s urana i zlata.
Termička i električna svojstva
- Točka topljenja: 2.870 ° C, što ga čini pogodnim za okruženje visoke temperature.
- Toplinska vodljivost: 110 w/m · k, slično aluminiju.
- Električna otpornost: ~ 20 µΩ · cm, omogućujući upotrebu u električnim kontaktima.
Kemijska otpornost
- Otporan na kiseline (osim HNO₃/HF smjesa) i oksidacije do 600 ° C.
- Ranjiv na rastopljene soli i alkalne otopine.
Napredne primjene volfram karbida
Industrijska i potrošačka upotreba
1. Alati za obradu:
- WC-CO kompoziti dominiraju na tržištu alata za rezanje (npr. Krajnji mlinovi, umetci).
- Primjer: Sandvik Coromant's 'GC4325 ' Umetnici za zrakoplovne legure.
2. Aerospace:
- Turbine Blade Cots i toplinski štitnici u raketnim mlaznicama.
3. Medicinski:
- Kirurški alati (npr. Osteotomi) i protetika zbog biokompatibilnosti.
Tehnologije u nastajanju
1. Additivna proizvodnja:
- WC prahovi koriste se u 3D printu s alatima sa složenim geometrijama.
2. Nuklearna fuzija:
- Istražen kao materijal koji je okrenut plazmi u reaktorima Tokamak.
3. Nanotehnologija:
- WC nanočestice pojačavaju katalitičke reakcije, poput evolucije vodika.
Zdravlje, sigurnost i okolišna razmatranja
Profesionalne opasnosti
- Plućni učinci: Udisanje WC prašine može uzrokovati 'bolest pluća tvrdih metala, ' oblik pneumokonioze.
- Kancerogenost: Klasificiran kao karcinogen skupine 2B (moguće karcinogeni) od strane IARC -a.
- Propisi: OSHA nalaže granice izloženosti na radnom mjestu (<5 mg/m³ za prašinu koja se može disati).
Utjecaj na okoliš
- Rudarstvo: Vrubna ekstrakcija često uključuje rudarstvo otvorenih pića, što dovodi do uništenja staništa.
- Recikliranje: Do 95% WC otpadaka reciklira se putem procesa re-prokalacije cinka.
- Inicijative za održivost: Tvrtke poput Kennametal promoviraju sustave za recikliranje zatvorene petlje.
Zaključak
Kovalentno vezanje volfram karbida podupire njegovu izuzetnu tvrdoću, toplinsku stabilnost i električnu vodljivost. Njegove primjene obuhvaćaju tradicionalne industrije (rudarstvo, zrakoplovstvo) i vrhunska polja (nuklearna fuzija, nanotehnologija). Iako izazovi poput zdravstvenih rizika i utjecaja na okoliš i dalje postoje, napredak u recikliranju i proizvodnji aditiva obećava održivu budućnost za korištenje WC -a.
Često postavljana pitanja
1. Zašto se volfram karbid ne smatra jonskim?
Volfram karbidu nedostaje velika razlika u elektronegativnosti koja je potrebna za ionsko vezivanje. Njegova vodljivost i usmjerene veze usklađuju se s kovalentnim/metalnim karakteristikama.
2. Može li volfram karbid hrđa ili korodirati?
WC je visoko otporan na koroziju, ali razgrađuje oksidirajuće kiseline (npr. Dušična kiselina) ili alkalne otopine.
3. Kako kobalt poboljšava svojstva volframovog karbida?
Cobalt djeluje kao vezivo, povećavajući žilavost popunjavanjem praznina između WC zrna.
4. Koristi li se volfram karbid u potrošačkoj elektronici?
Da! Nalazi se u motorima za vibracije pametnih telefona i čahura za otpornost na ogrebotine.
5. Kakva je budućnost volfram karbida u zelenoj energiji?
WC se proučava za katalizatore vodikovih gorivnih ćelija i ležajeve vjetroagregata, podržavajući sustave obnovljivih izvora energije.
Navodi:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/tungsten_carbide
[2] https://chem.librerexts.org/bookshelves/general_chemistry/map:_alecular_appriacch_(tro)/23:_Chemistry_of_the_nonmetals/23.05:_Carbon_Carbides_CARBONATES
[3] https://softschools.com/formulas/chemistry/tungsten_iv_carbide_formula/462/
[4] https://www.alamy.com/stock-photo/tungsten-carbide.html
[5] https://www.refractorymetal.org/tungsten-carbide-uses-properties.html
[6] https://www.chemicalbook.com/article/crystal-sructure-and-uses-of-tungsten-carbide.htm
[7] https://www.gettyimages.hk/%E5%9C%96%E7%89%87/tungsten-carbide?page=2
[8] https://en.wikipedia.org/wiki/file:-alpha_Tungsten_Carbide_Crystal_structure.jpg
[9] https://create.vista.com/photos/tungsten-carbide/
[10] https://www.reddit.com/r/askscience/comments/f26est/how_does_tungsten_bond_with_carbon_to_produce/
[11] https://en.wikipedia.org/wiki/carbide
[12] https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/tungsten-carbide
[13] https://www.freepik.com/free-photos-vectors/tungsten
[14] https://www.shutterstock.com/search/tungsten-NABITAL
[15] https://www.gettyimages.hk/%E5%9C%96%E7%89%87/tungsten-carbide
[16] https://www.istockphoto.com/photos/tungsten-carbide
[17] https://www.atomic-scale-physics.de/lattice/struk/bh.html
[18] https://en.wikipedia.org/wiki/Tungsten
[19] https://www.vedantu.com/chemistry/carbide
