Karbid: formula, uporaba in lastnosti

Na svetu je znanih veliko različnih kemičnih spojin: približno sto milijonov. In vsi, kot ljudje, so posamezniki. Ne najdete dveh snovi, ki imajo iste kemijske in fizikalne lastnosti za različne sestavke.

Ena izmed najbolj zanimivih anorganskih snovi na svetu je karbidov. V tem članku bomo razpravljali o svoji strukturi, fizikalnih in kemijskih lastnostih, uporabi in analizirali podrobnosti o njihovi proizvodnji. Ampak najprej nekaj o zgodovini odkritja.

Zgodovina

Karbidi kovin, katerih formule, ki jih bomo dali spodaj, niso naravne spojine. To je posledica dejstva, da se njihove molekule ponavadi razgrajujejo pri interakciji z vodo. Zato je vredno govoriti o prvih poskusih sintetiziranja karbidov.

Od leta 1849 so se sklicevali na sintezo silicijevega karbida, vendar nekateri od teh poskusov ostajajo neprepoznavni. Veliko proizvodnjo se je leta 1893 začel ameriški kemik Edward Acheson na način, ki ga je pozneje poimenoval po njem.

Zgodovina sinteze kalcijevega karbida prav tako ni zelo različna. Leta 1862 je prejel nemškega kemika Friedricha Wöhlerja, ogrevanja cinka in kalcija s premogom.

Zdaj pa pojdimo na bolj zanimive dele: kemijske in fizikalne lastnosti. Navsezadnje so bistvo uporabe tega razreda snovi.

Fizične lastnosti

Absolutno vsi karbidi se razlikujejo po njihovi trdoti. Na primer, eden od najbolj Mohsova lestvica je volframov karbid (9 od 10 možnih točk). Poleg tega so te snovi zelo refraktarne: tališče nekaterih od njih doseže dva tisoč stopinj.

Večina karbidov je kemično inertna in interakcija z majhno količino snovi. Niso topne v nobenih topilih. Vendar lahko interakcijo z vodo štejemo za raztapljanje, z uničenjem vezi in tvorbo hidroksida kovine in ogljikovodika.

V naslednjem poglavju bomo razpravljali o zadnji reakciji in številnih drugih zanimivih kemičnih transformacijah, ki vključujejo karbide.

Kemijske lastnosti

Skoraj vsi karbidi reagirajo z vodo. Nekateri so preprosti in brez ogrevanja (na primer, kalcijev karbid), in nekaj (npr. silicijev karbid) - ko se vodna para segrejejo na 1800 stopinj. Reaktivnost v tem primeru je odvisna od narave vezi v spojini, o kateri bomo kasneje govorili. Pri reakciji z vodo nastajajo različni ogljikovodiki. To se zgodi, ker je vodik, vsebovan v vodi, povezan z ogljikom v karbidu. Da bi razumeli, katera vrsta ogljikovodika bo pridobljena (ali pa se lahko pridobita tako mejna kot nenasičena spojina), lahko izhajamo iz valence ogljika, vsebovanega v začetni snovi. Na primer, če imamo kalcijev karbid, katerega formula je CaC₂, vidimo, da vsebuje ion C₂^2-. Zato se nanjo lahko doda dva vodikova iona s polnilom. Tako dobimo spojino C₂H₂ - acetilen. Na enak način iz spojine, kot je aluminijev karbid, s formulo Al₄C₃, dobimo CH₄. Zakaj ne₃H_{12. mesto}, vprašate? Navsezadnje ima ion 12-. Dejstvo je, da je največje število atomov vodika določeno s formulo 2n + 2, kjer je n število atomov ogljika. Zato lahko obstaja le spojina s formulo C₃H_{8. mesto} (propan) in ta ion s polnilom 12-razpada v tri ione s polnilom 4, ki ga dajo, ko se kombinirajo s protoni molekule metana.

Zanimive so oksidacijske reakcije karbidov. Lahko se pojavijo pod vplivom močnih oksidacijskih zmesi in pri običajnem zgorevanju v atmosferi kisika. Če je z kisikom vse jasno: dobimo dva oksida, nato pa z drugimi oksidanti bolj zanimivo. Vse je odvisno od narave kovine, ki je del karbida, pa tudi od narave oksidanta. Na primer silicijev karbid, katerega formula je SiC, ob interakciji z mešanico dušika in klorovodikova kislina tvori heksafluorosilicic acid s sproščanjem ogljikovega dioksida. In pri izvedbi iste reakcije, vendar samo z dušikovo kislino, dobimo silicijev oksid in ogljikovega dioksida. Oksidanti lahko vključujejo tudi halogene in halkogene. Z njimi povezuje vsak karbid, reakcijska formula je odvisna le od njegove strukture.

Kovinski karbidi, formule, ki smo jih upoštevali, nikakor niso edini predstavniki tega razreda spojin. Zdaj bomo podrobneje preučili vsako industrijsko pomembne kombinacije tega razreda in nato govorili o njihovi uporabi v našem življenju.

Kaj so karbidi?

Izkazalo se je, da je karbid, formula katere, recimo, CaC_2, se bistveno razlikuje od strukture SiC. Razlika je predvsem v naravi vezi med atomi. V prvem primeru se ukvarjamo s soli podobnim karbidom. Ta razred spojin se imenuje tako, ker se dejansko obnaša kot sol, to je, da je sposoben disocijati v ione. Takšna ionska vez je zelo šibka, kar olajša izvajanje reakcija hidrolize in številne druge transformacije, ki vključujejo interakcije med ioni.

Druga verjetno pomembnejša vrsta karbida so kovalentni karbidi: npr. SiC ali WC. Za njih je značilna visoka gostota in moč. Kot ognjevarni in inertni za razredčevanje kemikalij.

Obstajajo tudi kovinski karbidi. Lahko jih obravnavamo kot zlitine kovin z ogljikom. Med njimi lahko razlikujemo npr. Cementit (železov karbid, katerega formula se spreminja, v povprečju pa je približno enaka: Fe₃C) ali litega železa. Imajo intermediat kemične aktivnosti v stopnji med ionskimi in kovalentnimi karbidi.

Vsaka od teh podvrsti razreda kemičnih spojin, o katerih razpravljamo, ima svojo praktično uporabo. O tem, kako in kje vsaka od njih velja, se bomo pogovorili v naslednjem poglavju.

Praktična uporaba karbidov

Kot smo že omenili, imajo kovalentni karbidi največjo paleto praktičnih aplikacij. Ti vsebujejo abrazivne in rezalne materiale ter kompozitne materiale, ki se uporabljajo na različnih področjih (na primer kot eden od materialov, ki so vključeni v telesni oklep), in avtomobilskih delov, elektronskih naprav, grelnih elementov in jedrske energije. In to je daleč od popolnega seznama aplikacij teh superhardnih karbidov.

Ožjo uporabo je izdelana iz karbidov, ki tvorijo sol. Njihova reakcija z vodo se uporablja kot laboratorijska metoda za proizvodnjo ogljikovodikov. Način, kako se to zgodi, smo že razstavili zgoraj.

Poleg kovalentnih kovinskih karbidov ima najširšo uporabo v industriji. Kot smo že povedali, je takšna kovinska vrsta spojin, o katerih razpravljamo, naslednje: jekla, livna likalnika in druge spojine kovin z impregnacijami ogljika. Kovina, vsebovana v takšnih snoveh, praviloma pripada skupini d-kovin. Zato je nagnjen k temu, da ne tvori kovalentnih vezi, ampak kot da bi prodrl v strukturo kovine.

Po našem mnenju obstaja več kot dovolj praktičnih aplikacij za zgoraj omenjene spojine. Zdaj pa si oglejmo postopek njihovega pridobivanja.

Proizvodnja karbidov

Prve dve vrsti karbidov, ki smo jih obravnavali, in sicer kovalentne in soli, najpogosteje pridobimo na preprost način: z reakcijo elementarnega oksida in koksa pri visoki temperaturi. Hkrati se del koksa, sestavljenega iz ogljika, združuje z atomom elementa v oksidu in tvori karbid. Drugi del "sprejema" kisik in tvori ogljikov monoksid. Ta metoda je zelo energetsko intenzivna, saj zahteva ohranjanje visoke temperature (okoli 1600-2500 stopinj) v reakcijskem območju.

Za pridobivanje nekaterih vrst spojin se uporabljajo alternativne reakcije. Na primer razgradnja spojine, ki sčasoma daje karbid. Reakcijska formula je odvisna od specifične spojine, zato se ne bomo pogovorili.

Preden zaključimo naš članek, bomo razpravljali o nekaj zanimivih karbidov in o njih podrobneje govorili.

Zanimive spojine

Natrijev karbid. Formula za to spojino C₂Na₂. To je lahko bolj podobno acetilenidu (to je produkt nadomestitve atomov vodika v acetilenu za atom natrija) namesto karbida. Kemična formula ne odraža v celoti teh vrst, zato jih je treba poiskati v strukturi. Je zelo aktivna snov in pri vsakem stiku z vodo zelo aktivno sodeluje z njim, da tvori acetilen in alkalije.

Magnezijev karbid. Formula: MgC₂. Zanimive so metode priprave te dovolj aktivne spojine. Ena izmed njih predlaga sintranje magnezijevega fluorida s kalcijevim karbidom pri visoki temperaturi. Tako dobimo dva produkta: kalcijev fluorid in karbid, ki jih potrebujemo. Formula za to reakcijo je precej preprosta in jo lahko, če želite, preberete v specializirani literaturi.

Če niste prepričani glede uporabnosti gradiva v članku, je naslednji del za vas.

Kako je to lahko koristno v življenju?

Prvič, poznavanje kemičnih spojin nikoli ni lahko odveč. Vedno je bolje biti oborožen z znanjem, kot da ostane brez njega. Drugič, bolj ko veš o obstoju določenih spojin, bolje razumete mehanizem njihovega oblikovanja in zakone, ki jim omogočajo obstoj.

Pred zaključkom želim podati nekaj priporočil o študiji tega gradiva.

Kako preučiti to?

Zelo je preprosto. To je samo del kemije. In ga je treba preučiti v skladu s kemijskimi učbeniki. Začnite s šolskimi informacijami in pojdite bolj poglobljeno, iz univerzitetnih učbenikov in referenčnih knjig.

Zaključek

Ta tema ni tako preprosta in dolgočasna, kot se zdi na prvi pogled. Kemija lahko vedno postane zanimiva, če mislite, da je cilj.