Fluorocarbon fluids MO Memoir : Wednesday 14 January 2569

ของไหลหรือ fluid เป็นคำกลาง ๆ ใช้บ่งบอกสถานะของสารโดยไม่ระบุว่ามีสถานะเป็นของเหลว (liquid) หรือแก๊ส (gas) หรือไม่สามารถระบุได้ว่าเป็นของเหลวหรือแก๊ส (สถานะของสารเมื่ออยู่ใต้ความดันสูงและอุณหภูมิสูง) และยังครอบคลุมสารที่เป็นแก๊สที่อุณหภูมิห้องที่ความดันบรรยากาศ และกลายเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้เมื่ออยู่ภายใต้ความดันที่สูงมากพอ (เช่นพวกแก๊สหุงต้ม น้ำยาทำความเย็น แอมโมเนีย แก๊สคลอรีน)

ปฏิกิริยาการแทนที่อะตอม H ของไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวด้วยอะตอมฮาโลเจนเช่น Cl หรือ Br เป็นปฏิกิริยาที่เกิดได้ง่ายโดยมีสภาวะการทำปฏิกิริยาที่ไม่รุนแรง ข้อดีของปฏิกิริยานี้ก็คือเราสามารถแทนที่อะตอม Cl หรือ Br ที่เข้าไปแทนที่อะตอม H นั้นด้วยหมู่อี่น (เช่น -OH) ที่ไม่สามารถเข้าไปแทนที่อะตอม H โดยตรงได้ง่าย แต่ในกรณีของพันธะ C-F นั้นแตกต่างออกไปเนื่องจากพันธะ C-F มีความแข็งแรงพันธะสูง การแตกพันธะนี้จะทำได้ยาก และในกรณีที่อะตอม H ทุกอะตอมของไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวถูกแทนที่ด้วยอะตอม F สารที่ได้ (ที่ประกอบด้วยอะตอม C และอะตอม F เท่านั้น) ผลิตภัณฑ์ที่ได้มีชื่อว่า perfluorocarbons จะมีเสถียรภาพสูงมาก

ไฮโดรคาร์บอนเป็นโมเลกุลไม่มีขั้ว จึงไม่นำไฟฟ้า แต่ถ้ามีการแทนที่อะตอม H บางอะตอมด้วยอะตอมฮาโลเจน สารประกอบที่ได้จะเป็นโมเลกุลมีขั้ว สามารถนำไฟฟ้าได้ดีขึ้น แต่ถ้าแทนที่ทุกอะตอม H ด้วยอะตอมฮาโลเจน สารที่ได้จะกลับกลายเป็นโมเลกุลไม่มีขั้ว ทำให้ไม่นำไฟฟ้าอีก

ชิปคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันมีขนาดที่เล็กลง แต่กินไฟสูงขึ้น ทำให้ความร้อนที่เกิดขึ้นต่อหน่วยปริมาตรนั้นสูงตามไปด้วย การระบายความร้อนจึงเป็นสิ่งสำคัญ เทคโนโลยีที่มีมาแต่ตั้งเดิมคือการให้ชิปนั้นระบายความร้อนสู่โลหะที่เรียกว่า heat sink ที่มีพื้นที่ผิวมาก จากนั้นจึงใช้พัดลมเป่าอากาศเพื่อระบายความร้อนออกจาก heat sink นั้นอีกที และในกรณีที่มีชิปมีการคายความร้อนออกมามาก (เช่นมีชิบจำนวนมากในห้องคอมพิวเตอร์) ก็ต้องไปแก้ปัญหาด้วยการลดอุณหภูมิอากาศในห้องที่ติดตั้งคอมพิวเตอร์นั้นให้ต่ำลง

โลหะนำความร้อนได้ดีกว่าของเหลว แต่โลหะมีค่าความจุความร้อน (heat capacity) ต่ำกว่าของเหลวมาก และโดยที่ความร้อนนั้นถ่ายเทจากจุดอุณหภูมิสูงมายังจุดอุณหภูมิต่ำ ดังนั้นเมื่อโลหะได้รับความร้อนปริมาณไม่มากจากแหน่งความร้อน อุณหภูมิของโลหะก็จะเพิ่มอย่างรวดเร็ว และเมื่อผลต่างอุณหภูมิ (ระหว่างของแหล่งอุณหภูมิสูงกับแหล่งอุณหภูมิต่ำ) มีค่าน้อยลง การระบายความร้อนก็จะลดลง การใช้ของเหลวมีข้อดีตรงนี้คือด้วยการที่มันมีค่าความจุความร้อนที่สูงกว่า ด้วยพลังงานความร้อนที่ได้รับเท่ากัน อุณหภูมิของเหลวจะเพิ่มน้อยกว่า

ในงานที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ไฟฟ้านั้น ของเหลวที่นำมาใช้ต้องเป็นของเหลวที่ไม่นำไฟฟ้า หม้อแปลงไฟฟ้าที่เราเห็นอยู่ตามเสาไฟฟ้าข้างถนนก็ใช้น้ำมันปิโตรเลียมเป็นตัวรับความร้อนจากขดลวดของหม้อแปลง แล้วค่อยให้น้ำมันนั้นระบายความร้อนออกสู่อากาศรอบนอกอีกที น้ำที่ไม่มีไอออนละลายปนอยู่เลยที่เรียกว่าน้ำปราศจากไอออน (deionised หรือ demineralised water) ก็นำไฟฟ้าได้แย่มาก แต่มันก็มีข้อเสียตรงที่ถ้ามีสารที่แตกตัวเป็นไอออนเมื่อละลายละลายเข้าไปในตัวมัน มันจะนำไฟฟ้าได้ดีมาก

perfluorocarbon เป็นสารที่มีเสถียรภาพสูงและไม่นำไฟฟ้า จึงมีการนำมาใช้เป็นสารระบายความร้อนออกจากคอมพิวเตอร์สมรรถนะสูง (เช่นด้วยการแช่คอมพิวเตอร์ทั้งเครื่องให้จมอยู่ในสารละลายพวกนี้) เมื่อสารเหล่านี้รับความร้อนมาจากคอมพิวเตอร์แล้วก็ค่อยนำมันไประบายความร้อนออกสู่แหล่งอื่นต่อไป ซึ่งการระบายความร้อนนั้นมีทั้งรูปแบบ 1 เฟส และ 2 เฟส

รูปที่ ๑ การระบายความร้อนแบบ 1-เฟส

รูปแบบการระบายความร้อนแบบ 1-เฟสนั้น (รูปที่ ๑) ของเหลวจะรับความร้อนจากแหล่งความร้อนกลายเป็นของเหลวอุณหภูมิสูง ที่จะไหลหมุนเวียนไปยังแหล่งรับความร้อนอีกแหล่ง (ที่อาจเป็นน้ำเย็น) รูปแบบนี้ก็เป็นรูปแบบเดียวกันกับการระบายความร้อนของเครื่องยนต์รถยนต์ ที่ใช้น้ำไปรับความร้อนจากเครื่องยนต์ แล้วให้น้ำนั้นมาระบายความร้อนออกสู่อากาศที่หม้อน้ำ จากนั้นจึงค่อยไหลเวียนน้ำเย็นที่ได้กลับไปยังเครื่องยนต์ใหม่ รูปแบบนี้จะไม่เหมาะกับงานที่ต้องการคุมอุณหภูมิฝั่งด้านแหล่งความร้อนให้อยู่ในช่วงแคบ ๆ และปริมาณความร้อนที่ของเหลวรับได้ต่อหน่วยน้ำหนักนั้นจะน้อยกว่ารูปแบบ 2 เฟสมาก

การระบายความร้อนแบบ 2-เฟสใช้การทำให้ของเหลวนั้นเดือดกลายเป็นไอ (รูปที่ ๒) ข้อดีของการระบายความร้อนรูปแบบนี้คือปริมาณความร้อนที่ของเหลวรับได้ต่อหน่วยน้ำหนักของเหลวนั้นจะสูงกว่ารูปแบบ 1-เฟสมาก และถ้ารักษาความดันระบบให้คงที่ ของเหลวก็จะเดือดที่อุณหภูมิคงที่ ทำให้การควบคุมอุณหภูมิทำได้แม่นยำกว่า ไอของเหลวที่ระเหยออกจะไปควบแน่นที่เครื่องควบแน่น กลายเป็นของเหลวไหลหมุนเวียนกลับมารับความาร้อนใหม่ รูปแบบการระบายความร้อนที่คล้ายคลึงกันกับรูปแบบนี้ที่เราใช้กันอยู่ในชีวิตประจำวันคือตู้เย็นและเครื่องปรับอากาศ

รูปที่ ๒ การระบายความร้อนแบบ 2-เฟส

สาร fluorocarbon ที่ใช้เป็นสารระบายความร้อนสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จัดเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทาง (Dual used item - DUI) (รูปที่ ๓) ในหมวด 1C006.d.1.c (โครงสร้างที่เป็นวง) และ 1C006.d.1.d (โครงสร้างที่ไม่เป็นวง) คำว่า fluorocarbon นั้นมันครอบคลุมสารที่มีการแทนที่อะตอม H ด้วยอะตอม F เพียงแค่ตัวเดียวหรือไม่กี่ตัว ซึ่งถ้าเป็นสารแบบนี้จะใช้เป็นสารทำความเย็นสำหรับเครื่องทำความเย็นตัวไป แต่จะไม่ใช้เป็นสารทำความเย็นสำหรับระบายความร้อนจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โดยตรง ข้อกำหนดที่ทำให้ต้องเป็น perfluorocarbon จะเป็นข้อ 3. ที่บอกว่าต้องเป็นของเหลวที่อุณหภูมิ 0ºC และข้อ 4. ที่ระบุว่าต้องมีอะตอม F อย่างน้อย 60% โดยน้ำหนัก และหัวข้อ 1C006.d นี้ยังครอบคลุมกรณีของสารที่ยังมีอะตอมอื่นนอกเหนือจาก C และ F ในโครงสร้างโมเลกุลอีก (คำว่า ether แสดงว่ามีอะตอม O ในรูปพันธะ -O- ส่วนคำว่า azine แสดงว่ามีอะตอม N เป็นองค์ประกอบ)

รูปที่ ๓ ข้อกำหนดคุณลักษณะสินค้าที่ใช้ได้สองทางในข้อ 1C006.d

การสังเคราะห์สาร perfluorocarbon ไม่ได้ทำผ่านปฏิกิริยาระหว่างไฮโดรคาร์บอนกับแก๊สฟลูออรีนโดยตรง เพราะปฏิกิริยาดังกล่าวรุนแรงยากต่อการควบคุม วิธีการหลักวิธีการหนึ่งคือ Fowler process ที่ให้ไฮโดรคาร์บอนทำปฏิกิริยากับ CoF₃ (cobalt (III) fluoride) โดย CoF₃ จะจ่าย F ให้กับไฮโดรคาร์บอนทำให้อะตอม H ถูกแทนที่ด้วยอะตอม F และอะตอม H ออกมาในรูป HF โดย CoF₃ จะกลายเป็น CoF₂ (cobalt (II) fluoride) จากนั้นจึงให้แก๊สฟลูออรีนทำปฏิกิริยากับ CoF₂ เพื่อเปลี่ยน CoF₂ ให้กลายเป็น CoF₃ ใหม่

เดิมเทคโนโลยีการสังเคราะห์สารประกอบฟลูออลีนถูกจัดให้เป็นความลับ (ที่เกี่ยวข้องกับทางทหาร) เนื่องจากมันเกี่ยวข้องกับการผลิตวัสดุที่ใช้ในการเตรียมสาร UF₆ ที่เป็นสารตั้งต้นในการแยกไอโซโทปยูเรเนียม 235 และ 238 ออกจากกัน พอหลังสงครามโลกครั้งที่สองสิ้นสุดจึงค่อยมีการเปิดเผยออกมา และมีการนำเอามาใช้ในเชิงพาณิชย์ ดังเช่นสิทธิบัตรของ Fowler ในรูปที่ ๔ นั้น ยื่นจดตั้งแต่ปีค.ศ. ๑๙๔๖ คือหลังสงครามโลกครั้งที่สองสิ้นสุดเพียงแค่ปีเดียว ก่อนที่จะได้รับสิทธิบัตรในปีค.ศ. ๑๙๕๒ หรืออีก ๖ ปีถัดมา

รูปที่ ๔ สิทธิบัตรของ Fowler ที่เกี่ยวข้องกับการผลิตสารประกอบ highly fluorinated hydrocarbons โดยเฉพาะสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีจำนวนอะตอม C ในช่วง 17-23 อะตอม (ช่วงน้ำมันหล่อลื่น)

ไดโบรโมเททระฟลูออโรอีเทน (Dibromotetrafluoroethane) MO Memoir : Friday 9 January 2569

ตำราเรียนเคมีอินทรีย์มักจะบอกเราว่า "ธาตุฮาโลเจน" (ที่ประกอบด้วย F, Cl, Br และ I) สามารถเข้าไปแทนที่อะตอม H ของพันธะ C-H โดยมีความร้อนหรือแสงช่วยในการทำปฏิกิริยา แต่ในความเป็นจริงในทางปฏิบัติหรือที่เขียนในตำราเรียนก็จะเห็นเฉพาะคลอรีน (Cl) และโปรมีน (Br) เท่านั้น นั่นเป็นเพราะไอโอดีน (I) นั้นเฉื่อยเกินไป ไม่สามารถทำปฏิกิริยาดังกล่าวได้ ในขณะที่การทำปฏิกิริยาของฟลูออรีน (F) นั้นรุนแรงมากแม้แต่ในความมืด และสามารถนำไปสู่การระเบิดได้เพราะปฏิกิริยามีการคายความร้อนสูงออกมาในเวลาอันสั้น เช่นปฏิกิริยาระหว่าง F กับมีเทน (CH₄) เพื่อสังเคราะห์เป็น carbon tetrafluoride (CF₄) มีการคายความร้อนสูงถึงประมาณ 933 kJ/mol (เฟสแก๊ส) ในขณะที่ปฏิกิริยากับ Cl เป็น carbon tetrachloride (CCl₄) มีการคายความร้อนเพียงประมาณ 100 kJ/mol (เฟสแก๊ส) เท่านั้นเอง

นอกจากนี้ด้วยการที่แก๊สฟลูออรีนยังมีฤทธิ์กัดกร่อนที่รุนแรง การแทนที่อะตอม H ด้วยฟลูออรีนจึงมักไม่ใช้การทำปฏิกิริยากับแก๊สฟลูออรีนโดยตรง ตัวอย่างเข่นการทำปฏิกิริยากับสารประกอบฟลูออไรด์ (fluoride) หรือทำการแทนที่อะตอม H ด้วย Cl ก่อน (เพื่อให้มีการคายความร้อนออกมาบางส่วน) จากนั้นจึงค่อยแทนที่อะตอม Cl ด้วย F อีกที

หมายเหตุ : การระเบิดนั้นขึ้นอยู่กับ "อัตรา (rate)" การคายความร้อนของปฏิกิริยา ปฏิกิริยา 2 ปฏิกิริยาที่มีการคายความร้อนที่แตกต่างกัน ปฏิกิริยาที่คายความร้อนน้อยกว่าแต่ด้วยอัตราที่สูงมากก็จะมีอันตรายจากการระเบิดมากกว่าปฏิกิริยาที่มีการคายความร้อนมากกว่าแต่ด้วยอัตราที่ต่ำ

ข้อเสียหนึ่งของการทำปฏิกิริยาระหว่างไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัว (เช่นมีเทน) กับฮาโลเจนโดยตรงนั้นก็คือปฏิกิริยามันไม่เลือกเกิด มันได้ผลิตภัณฑ์หลากหลาย เช่นเมื่อนำ CH₄ มาทำปฏิกิริยากับ Cl₂ ในเฟสแก๊สที่อุณหภูมิสูงพอ ผลิตภัณฑ์ที่ได้มีทั้ง CH₃Cl (chloromethane), CH₂Cl₂ (dichloromethane), CHCl₃ (chloroform) และ CCl₄ ส่วนจะได้ผลิตภัณฑ์แต่ละตัวในสัดส่วนเท่าใดก็ขึ้นอยู่กับวิธีการผสมและอัตราส่วนระหว่างสารตั้งต้นทั้งสองตัว เมื่อทำปฏิกิริยาเสร็จแล้วจึงค่อยแยกผลิตภัณฑ์แต่ละตัวออกจากกัน

พูดถึงคลอโรฟอร์มหรือ CHCl₃ แล้ว คนทั่วไปมักจะนึกถึงการใช้งานในรูปยาสลบ แต่ในอุตสาหกรรมสารตัวนี้เป็นตัวหลักตัวหนึ่งในการผลิตเททระฟลูออโรเอทิลีน (tetrafluoroethylene, F₂C=CF₂) ที่เป็นสารตั้งต้นในการผลิตพอลิเมอร์ที่เรารู้จักกันในชื่อเทฟลอน (Teflon) โดยปฏิกิริยาจะเริ่มจากการนำเอา CHCl₃ มาทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนฟลูออไรด์ (Hydrogen fluoride, HF) เพื่อให้ได้สารประกอบโมโนคลอโรไดฟลูออโรมีเทน (monchlorodifluoromethane, CHClF₂) จากนั้นจึงนำเอา CHClF₂ ไปให้ความร้อนจนโมเลกุลแตกออก (ขั้นตอน pyrolysis) และมีการรวมตัวกันใหม่ก็จะได้ F₂C=CF₂ ออกมา ภาพรวมของปฏิกิริยาคือ

CHCl₃ + 2HF -----> CHClF₂ + 2HCl

2CHClF₂ ----> F₂C=CF₂ + 2HCl

ถ้าเรานำ F₂C=CF₂ มาทำปฏิกิริยากับ Br อะตอม ฺBr จะเข้าไปที่อะตอม C ทั้งสองของพันธะคู่ ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือ 1,2-Dibromo-1,1,2,2-tetrafluoroethane (รูปที่ ๑ ซ้าย) หรือสารทำความเย็น R114B2 หรือ Halon 2402 ที่ใช้เป็นสารในการดับเพลิง (fire suppression), สารทำความเย็น (refrigerant), และสารหล่อเย็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

 

รูปที่ ๑ โครงสร้างโมเลกุลของไอโซเมอร์ทั้งสองของ Dibromotetrafluoroethane

อีกไอโซเมอร์หนึ่งของ Dibromotetrafluoroethane คือ 1,1-Dibromo-1,2,2,2-tetrafluoroethane ซึ่งมีอะตอม Br เกาะอยู่บนอะตอม C เดียวกัน (รูปที่ ๑ ขวา) การเตรียมไอโซเมอร์ตัวนี้จะยุ่งยากกว่า วิธีการเตรียมวิธีหนึ่งเริ่มจากใช้ 1,2-Dibromo-1,1,2,2-tetrafluoroethane เป็นสารตั้งต้น และด้วยการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาและสภาวะการทำปฏิกิริยาที่เหมาะสมก็จะสามารถเปลี่ยน 1,2-Dibromo-1,1,2,2-tetrafluoroethane ให้กลายเป็น 1,1-Dibromo-1,2,2,2-tetrafluoroethane ได้ (รวมทั้งผลิตภัณฑ์ข้างเคียงอื่นด้วย ตัวอย่างหนึ่งของการสังเคราะห์อ่านได้ในสิทธิบัตรสหภาพยุโรป 0 079 481 B1 เรื่อง "Process for preparing 1,1-dihalo-1,2,2,2,-tetrafluoroethanes"

เลข CAS (Chemical Abstracts Service) ของ 1,2-Dibromo-1,1,2,2-tetrafluoroethane คือ 124-73-2 ส่วนเลข CAS ของ 1,1-Dibromo-1,2,2,2-tetrafluoroethane คือ 25497-30-7 และ 27336-23-8 (มี 2 เลข) สารทั้งสองตัวนี้จัดเป็นสินค้าที่ใช้ได้สองทาง (Dual Use Item - DUI) ในหมวด 1C006.c Damping or flotation fluids ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการผลิตอาวุธนิวเคลียร์