เมนูเนื้อหา
รู้เบื้องต้นเกี่ยวกับทังสเตนคาร์ไบด์
- ภูมิหลังทางประวัติศาสตร์
- วิธีการสังเคราะห์
โครงสร้างทางเคมีและพันธะ
- โครงสร้างผลึก
- Ionic vs. covalent bonding: การวิเคราะห์เปรียบเทียบ
คุณสมบัติของทังสเตนคาร์ไบด์
- คุณสมบัติเชิงกล
- คุณสมบัติทางความร้อนและไฟฟ้า
- ความต้านทานสารเคมี
แอปพลิเคชั่นขั้นสูงของ Tungsten Carbide
- การใช้อุตสาหกรรมและผู้บริโภค
- เทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่
การพิจารณาสุขภาพความปลอดภัยและสิ่งแวดล้อม
- อันตรายจากการประกอบอาชีพ
- ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม
บทสรุป
คำถามที่พบบ่อย
- 1. ทำไมทังสเตนคาร์ไบด์จึงไม่ถือว่าเป็นไอออนิก?
- 2. ทังสเตนคาร์ไบด์สามารถเกิดสนิมหรือกัดกร่อนได้หรือไม่?
- 3. โคบอลต์ปรับปรุงคุณสมบัติของทังสเตนคาร์ไบด์ได้อย่างไร?
- 4. ทังสเตนคาร์ไบด์ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคหรือไม่?
- 5. อนาคตของทังสเตนคาร์ไบด์ในพลังงานสีเขียวคืออะไร?
การอ้างอิง:
ทังสเตนคาร์ไบด์ (WC) เป็นสารประกอบของทังสเตนและคาร์บอนที่มีชื่อเสียงในด้านความแข็งที่ไม่ธรรมดาจุดหลอมเหลวสูงและการใช้งานอุตสาหกรรมที่หลากหลาย ในขณะที่คุณสมบัติทางกายภาพของมันได้รับการบันทึกไว้อย่างดีธรรมชาติของพันธะทางเคมี-ไอออนิกหรือโควาเลนต์-กลับกลายเป็นหัวข้อของการสอบสวนทางวิทยาศาสตร์ บทความนี้สำรวจโครงสร้างพันธะคุณสมบัติแอปพลิเคชันและผลกระทบของ ทังสเตนคาร์ไบด์ ในขณะที่พูดถึงตัวละครอิออนหรือโควาเลนต์
รู้เบื้องต้นเกี่ยวกับทังสเตนคาร์ไบด์
ภูมิหลังทางประวัติศาสตร์
ทังสเตนคาร์ไบด์ถูกสังเคราะห์ครั้งแรกในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 โดยนักเคมีชาวฝรั่งเศส Henri Moissan ผู้ค้นพบเพชรสังเคราะห์ อย่างไรก็ตามศักยภาพทางอุตสาหกรรมของมันยังไม่ได้รับการรับรู้จนถึงปี ค.ศ. 1920 เมื่อวิศวกรชาวเยอรมันพัฒนาเครื่องมือคาร์ไบด์ซีเมนต์โดยการรวม WC เข้ากับสารยึดเกาะโคบอลต์ นวัตกรรมนี้ปฏิวัติกระบวนการตัดเฉือนทำให้สามารถใช้เครื่องมือตัดได้เร็วขึ้นและทนทานยิ่งขึ้น
วิธีการสังเคราะห์
ทังสเตนคาร์ไบด์ผลิตโดยการทำปฏิกิริยาผงทังสเตนกับคาร์บอนที่อุณหภูมิระหว่าง 1,500 ° C และ 2,000 ° C ในสภาพแวดล้อมไฮโดรเจนหรือสุญญากาศ ปฏิกิริยาดังต่อไปนี้:
W+C → WC
เทคนิคที่ทันสมัย ได้แก่ :
- การลดความร้อนของคาร์บอร์: การใช้ทังสเตนออกไซด์ (WO₃) และคาร์บอนในเตาอุณหภูมิสูง
- การสะสมไอเคมี (CVD): สำหรับการสร้างการเคลือบบาง ๆ ของ WC บนพื้นผิว
- การผสมเครื่องกล: ทังสเตนบอลและผงคาร์บอนเพื่อให้ได้โครงสร้างระดับนาโน
โครงสร้างทางเคมีและพันธะ
โครงสร้างผลึก
ทังสเตนคาร์ไบด์ตกผลึกในสองรูปแบบหลัก:
1. หกเหลี่ยม (α-WC): เสถียรที่อุณหภูมิห้องโดยมีอะตอมทังสเตนในโครงตาข่ายที่มีหกเหลี่ยม (HCP) และคาร์บอนครอบครองครึ่งหนึ่งของไซต์คั่นกลางแปดด้าน
2. ลูกบาศก์ (β-WC): รูปแบบที่อุณหภูมิสูงกว่า 2,600 ° C ใช้โครงสร้างหินเกลือ (ประเภท B1)
ความยาวพันธะระหว่างทังสเตนและคาร์บอนคือ ~ 220 PM สั้นกว่าพันธะไอออนิกทั่วไป (เช่น NaCl: ~ 280 PM) แนะนำการปฏิสัมพันธ์โควาเลนต์ที่แข็งแกร่ง
Ionic vs. พันธะโควาเลนต์: การวิเคราะห์เชิงเปรียบเทียบ
| คุณสมบัติ |
ไอออนิกพันธบัตร (เช่น NaCl) |
พันธบัตรโควาเลนต์ (WC) |
| อิเลคโตรเนกาติวีตี้ |
ความแตกต่างสูง (Δχ = 2.23) |
ความแตกต่างต่ำ (Δχ = 0.8) |
| จุดหลอมเหลว |
~ 800 ° C |
~ 2,870 ° C |
| การนำไฟฟ้า |
แย่ (ฉนวน) |
สูง (ตัวนำโลหะ) |
| ทิศทางของพันธะ |
นอกทิศทาง |
ทิศทาง (แปลเป็นภาษาท้องถิ่น) |
ความแตกต่างของอิเลคโตรเนกาติวีตี้ขนาดเล็กระหว่างทังสเตน (χ = 2.36) และคาร์บอน (χ = 2.55) และการนำไฟฟ้าของโลหะของ WC ยืนยันพันธะโควาเลนต์ที่มีลักษณะโลหะ
คุณสมบัติของทังสเตนคาร์ไบด์
คุณสมบัติเชิงกล
ความแข็ง:
- สเกล Mohs: 9.0–9.5 (เพชร = 10)
- Vickers Hardness: 2,200–2,400 HV, มีประสิทธิภาพสูงกว่าไทเทเนียมและเหล็ก
- ความเหนียวแตกหัก: ~ 6–8 mpa√m, ต่ำกว่าเหล็ก แต่ลดลงโดยสารยึดเกาะโคบอลต์ในคอมโพสิต
- ความหนาแน่น: 15.6 g/cm³, เทียบเคียงกับยูเรเนียมและทองคำ
คุณสมบัติทางความร้อนและไฟฟ้า
- จุดหลอมเหลว: 2,870 ° C ทำให้เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิสูง
- การนำความร้อน: 110 W/m · K คล้ายกับอลูมิเนียม
- ความต้านทานไฟฟ้า: ~ 20 μΩ· cm, เปิดใช้งานการใช้งานในหน้าสัมผัสไฟฟ้า
ความต้านทานสารเคมี
- ทนต่อกรด (ยกเว้นส่วนผสมของHNO₃/HF) และออกซิเดชันสูงสุด 600 ° C
- เสี่ยงต่อการหลอมเหลวและสารละลายอัลคาไลน์
แอปพลิเคชั่นขั้นสูงของ Tungsten Carbide
การใช้อุตสาหกรรมและผู้บริโภค
1. เครื่องมือการตัดเฉือน:
- คอมโพสิต WC-CO ครองตลาดเครื่องมือตัด (เช่นโรงสีปลาย, เม็ดมีด)
- ตัวอย่าง: Sandvik Coromant's 'GC4325 ' แทรกสำหรับโลหะผสมการบินและอวกาศ
2. การบินและอวกาศ:
- การเคลือบใบมีดกังหันและโล่ความร้อนในหัวฉีดจรวด
3. การแพทย์:
- เครื่องมือผ่าตัด (เช่น osteotomes) และขาเทียมเนื่องจากความเข้ากันได้ทางชีวภาพ
เทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่
1. การผลิตสารเติมแต่ง:
- ผง WC ใช้ในเครื่องมือพิมพ์ 3 มิติที่มีรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน
2. ฟิวชั่นนิวเคลียร์:
- ตรวจสอบเป็นวัสดุที่หันหน้าเข้าหาพลาสมาในเครื่องปฏิกรณ์โทคามาค
3. นาโนเทคโนโลยี:
- อนุภาคนาโน WC ช่วยเพิ่มปฏิกิริยาการเร่งปฏิกิริยาเช่นวิวัฒนาการของไฮโดรเจน
การพิจารณาสุขภาพความปลอดภัยและสิ่งแวดล้อม
อันตรายจากการประกอบอาชีพ
- ผลกระทบของปอด: การสูดฝุ่น WC อาจทำให้เกิด 'โรคปอดโลหะแข็ง ' รูปแบบของโรคปอดบวม
- สารก่อมะเร็ง: จัดเป็นสารก่อมะเร็งกลุ่ม 2B (อาจเป็นสารก่อมะเร็ง) โดย IARC
- กฎระเบียบ: ข้อ จำกัด การเปิดรับแสงของ OSHA (<5 mg/m³ สำหรับฝุ่นที่หายใจได้)
ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม
- การขุด: การสกัดทังสเตนมักเกี่ยวข้องกับการขุดหลุมเปิดนำไปสู่การทำลายที่อยู่อาศัย
- การรีไซเคิล: มากถึง 95% ของเศษเหล็กจะถูกนำกลับมาใช้ใหม่ผ่านกระบวนการรีไซเคิลสังกะสี
- ความคิดริเริ่มด้านความยั่งยืน: บริษัท เช่น Kennametal ส่งเสริมระบบรีไซเคิลแบบวงปิด
บทสรุป
พันธะโควาเลนต์ของทังสเตนคาร์ไบด์เป็นรากฐานของความแข็งที่ยอดเยี่ยมความเสถียรทางความร้อนและการนำไฟฟ้า แอปพลิเคชันครอบคลุมอุตสาหกรรมดั้งเดิม (การขุด, การบินและอวกาศ) และสนามที่ทันสมัย (นิวเคลียร์ฟิวชั่นนาโนเทคโนโลยี) ในขณะที่ความท้าทายเช่นความเสี่ยงต่อสุขภาพและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมยังคงมีอยู่ความก้าวหน้าในการรีไซเคิลและการผลิตสารเติมแต่งสัญญาว่าจะเป็นอนาคตที่ยั่งยืนสำหรับการใช้ WC
คำถามที่พบบ่อย
1. ทำไมทังสเตนคาร์ไบด์จึงไม่ถือว่าเป็นไอออนิก?
ทังสเตนคาร์ไบด์ขาดความแตกต่างของอิเลคโตรเนกาติติตี้ขนาดใหญ่ที่จำเป็นสำหรับการยึดติดไอออนิก ค่าการนำไฟฟ้าและพันธบัตรทิศทางสอดคล้องกับลักษณะโควาเลนต์/โลหะ
2. ทังสเตนคาร์ไบด์สามารถเกิดสนิมหรือกัดกร่อนได้หรือไม่?
WC นั้นทนต่อการกัดกร่อนสูง แต่ลดลงในกรดออกซิไดซ์ (เช่นกรดไนตริก) หรือสารละลายอัลคาไลน์
3. โคบอลต์ปรับปรุงคุณสมบัติของทังสเตนคาร์ไบด์ได้อย่างไร?
โคบอลต์ทำหน้าที่เป็นสารยึดเกาะเพิ่มความเหนียวโดยการเติมช่องว่างระหว่างธัญพืช WC
4. ทังสเตนคาร์ไบด์ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคหรือไม่?
ใช่! พบได้ในมอเตอร์การสั่นสะเทือนของสมาร์ทโฟนและดูปลอกสำหรับการต่อต้านรอยขีดข่วน
5. อนาคตของทังสเตนคาร์ไบด์ในพลังงานสีเขียวคืออะไร?
WC กำลังได้รับการศึกษาสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนและตลับลูกปืนกังหันลมซึ่งสนับสนุนระบบพลังงานหมุนเวียน
การอ้างอิง:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/tungsten_carbide
[2] https://chem.libretexts.org/bookshelves/general_chemistry/map:_a_molecular_approach_(tro)/23:_Chemistry_of_the_nonmetals/23.05:_Carbid_Carbides_And_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-structure-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-metal
[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
