Sok különböző kémiai vegyületet ismernek a világon: körülbelül százmilliókat. És mindegyik, akárcsak az emberek, egyéni. Lehetetlen két olyan anyagot találni, amelyeknek azonos kémiai és fizikai tulajdonságaik lennének, eltérő összetétellel.
A világon az egyik legérdekesebb szervetlen anyag a karbid. Ebben a cikkben megvitatjuk szerkezetüket, fizikai és kémiai tulajdonságaikat, alkalmazásukat és elemezzük gyártásuk bonyolultságát. De először egy kicsit a felfedezés történetéről.
Előzmények
A fémkarbidok, amelyek képleteit az alábbiakban közöljük, nem természetes vegyületek. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy molekuláik hajlamosak lebomlani a vízzel való kölcsönhatás során. Ezért érdemes itt beszélni a karbidok szintetizálására tett első kísérletekről.
1849-től vannak utalások a szilícium-karbid szintézisére, de ezek közül néhányat nem ismernek fel. A nagyüzemi gyártást 1893-ban Edward Acheson amerikai kémikus kezdte meg egy olyan eljárással, amelyet később róla neveztek el.
A kalcium-karbid szintézisének története szintén nem tér el nagy mennyiségű információban. 1862-ben Friedrich Wöhler német vegyész ötvözött cink és kalcium szénnel való hevítésével szerezte meg.
Most térjünk át az érdekesebb részekre: vegyi ésfizikai tulajdonságok. Végül is bennük rejlik az anyagok ezen osztályának használatának teljes lényege.
Fizikai tulajdonságok
Abszolút minden karbidot a keménység jellemzi. Például a Mohs-skála egyik legkeményebb anyaga a volfrám-karbid (10-ből 9 pont). Ráadásul ezek az anyagok nagyon tűzállóak: némelyikük olvadáspontja eléri a kétezer fokot.
A legtöbb karbid kémiailag inert, és kis mennyiségű anyaggal lép kölcsönhatásba. Bármilyen oldószerben oldhatatlanok. Az oldódás azonban a vízzel való kölcsönhatásnak tekinthető, ami a kötések felbomlását, valamint fém-hidroxid és szénhidrogén képződését eredményezi.
A következő részben az utolsó reakcióról és sok más érdekes, karbidokat érintő kémiai átalakulásról fogunk beszélni.
Kémiai tulajdonságok
Majdnem minden karbid kölcsönhatásba lép a vízzel. Egyesek - könnyen és melegítés nélkül (például kalcium-karbid), mások (például szilícium-karbid) - a vízgőz 1800 fokos melegítésével. A reakciókészség ebben az esetben a vegyületben lévő kötés természetétől függ, amelyet később tárgyalunk. A vízzel való reakció során különféle szénhidrogének keletkeznek. Ez azért történik, mert a vízben lévő hidrogén egyesül a karbidban lévő szénnel. Az eredeti anyagban lévő szén vegyértéke alapján megérthető, hogy melyik szénhidrogén válik ki (és a telített és telítetlen vegyületek is). Például, ha uvan kalcium-karbidunk, aminek a képlete CaC2, látjuk, hogy tartalmazza a C22-. Ez azt jelenti, hogy két + töltésű hidrogénion köthető hozzá. Így a C2H2 - acetilén vegyületet kapjuk. Ugyanígy egy vegyületből, például alumínium-karbidból, amelynek képlete Al4C3, CH-t kapunk. 4. Miért nem C3H12, kérdezed? Végül is az ion töltése 12-. A helyzet az, hogy a hidrogénatomok maximális számát a 2n + 2 képlet határozza meg, ahol n a szénatomok száma. Ez azt jelenti, hogy csak a C3H8 (propán) képletű vegyület létezhet, és ez a 12-es töltésű ion három részre bomlik. 4-es töltésű ionok, amelyek protonokkal kombinálva metánmolekulákat adnak.
A karbidok oxidációs reakciói érdekesek. Előfordulhatnak mind erős oxidálószerek keverékének kitéve, mind oxigén atmoszférában történő szokásos égés során. Ha oxigénnel minden tiszta: két oxidot kapunk, akkor más oxidálószerekkel érdekesebb. Mindez a karbid részét képező fém természetétől, valamint az oxidálószer jellegétől függ. Például a szilícium-karbid, amelynek képlete SiC, salétromsav és hidrogén-fluorid keverékével kölcsönhatásba lépve szén-dioxid felszabadulásával hexafluor-kovasavat képez. És amikor ugyanazt a reakciót hajtjuk végre, de csak salétromsavval, szilícium-oxidot és szén-dioxidot kapunk. A halogéneket és kalkogéneket oxidálószernek is nevezhetjük. Bármely keményfém kölcsönhatásba lép velük, a reakcióképlet csak a szerkezetétől függ.
A fémkarbidok, amelyek képleteit figyelembe vettük, messze nem az egyedüli képviselői ennek a vegyületosztálynak. Most közelebbről megvizsgáljuk ennek az osztálynak az iparilag fontos vegyületeit, majd beszélünk az életünkben való alkalmazásukról.
Mik azok a karbidok?
Kiderült, hogy a keményfém, amelynek képlete, mondjuk, CaC2, szerkezetében jelentősen eltér a SiC-től. A különbség pedig elsősorban az atomok közötti kötés természetében van. Az első esetben sószerű karbiddal van dolgunk. Ezt a vegyületcsoportot azért nevezték így, mert valójában sóként viselkedik, azaz képes ionokká disszociálni. Az ilyen ionos kötés nagyon gyenge, ami megkönnyíti a hidrolízis reakció és sok más átalakítás végrehajtását, beleértve az ionok közötti kölcsönhatásokat is.
A keményfém másik, talán iparilag fontosabb típusa a kovalens karbid, mint például a SiC vagy a WC. Nagy sűrűség és szilárdság jellemzi őket. Tűzálló és híg vegyszerekre sem inert.
Léteznek fémszerű karbidok is. Inkább fémek szénnel alkotott ötvözeteinek tekinthetők. Ezek között megkülönböztethető például a cementit (vaskarbid, amelynek képlete változó, de átlagosan megközelítőleg a következő: Fe3C) vagy öntöttvas. Kémiai aktivitásuk az ionos és kovalens karbidok között közepes.
Az általunk tárgy alt kémiai vegyületek osztályának mindegyik alfajának megvan a maga gyakorlati alkalmazása. Hogyan és hol kell jelentkeznimindegyikről a következő részben fogunk beszélni.
Karbidok gyakorlati alkalmazása
Amint azt már megbeszéltük, a kovalens karbidok a legszélesebb körű gyakorlati alkalmazásokkal rendelkeznek. Ezek a csiszoló- és vágóanyagok, valamint a különféle területeken használt kompozit anyagok (például a páncél egyik anyagaként), valamint az autóalkatrészek és az elektronikai eszközök, valamint a fűtőelemek és az atomenergia. És ez nem egy teljes lista a szuperkemény karbidokhoz.
A sóképző karbidok alkalmazása a legszűkebb. Vízzel való reakciójukat laboratóriumi módszerként használják szénhidrogének előállítására. Fentebb már megbeszéltük, hogyan történik ez.
A kovalens karbidok mellett a fémszerű karbidok a legszélesebb körben alkalmazhatók az iparban. Mint már említettük, az általunk tárgy alt vegyületek ilyen fémszerű típusai az acélok, öntöttvasak és más, szénnel tarkított fémvegyületek. Az ilyen anyagokban található fém általában a d-fémek osztályába tartozik. Ez az oka annak, hogy nem kovalens kötéseket hoz létre, hanem mintegy beépül a fém szerkezetébe.
Véleményünk szerint a fenti vegyületeknek több mint elegendő gyakorlati alkalmazása van. Most pedig vessünk egy pillantást a megszerzésük folyamatára.
Karbidok gyártása
Az általunk vizsgált első két típusú karbid, nevezetesen a kovalens és a sószerű, leggyakrabban egyetlen egyszerű módon állítható elő: az elem oxidjának és a koksznak magas hőmérsékleten történő reakciójával. Ugyanakkor résza szénből álló koksz az oxid összetételében egy elem atomjával egyesül, és karbidot képez. A másik rész oxigént "vesz fel" és szén-monoxidot képez. Ez a módszer nagyon energiaigényes, mivel magas hőmérsékletet (kb. 1600-2500 fok) kell fenntartani a reakciózónában.
Alternatív reakciókat alkalmaznak bizonyos típusú vegyületek előállítására. Például egy vegyület bomlása, amely végül karbidot ad. A reakció képlete az adott vegyülettől függ, ezért nem tárgyaljuk.
Mielőtt befejeznénk cikkünket, beszéljünk néhány érdekes karbidról, és beszéljünk róluk részletesebben.
Érdekes kapcsolatok
Nátrium-karbid. Ennek a vegyületnek a képlete: C2Na2. Ezt inkább acetilenidnek (vagyis az acetilénben lévő hidrogénatomok nátriumatomokkal való helyettesítésének termékének) tekinthetjük, nem pedig karbidnak. A kémiai képlet nem tükrözi teljes mértékben ezeket a finomságokat, ezért ezeket a szerkezetben kell keresni. Ez egy nagyon aktív anyag, és bármilyen vízzel érintkezve nagyon aktívan kölcsönhatásba lép vele, acetilén és lúg képződésével.
Magnézium-karbid. Képlet: MgC2. Érdekesek azok a módszerek, amelyekkel előállíthatjuk ezt a kellően aktív vegyületet. Az egyik a magnézium-fluorid kalcium-karbiddal történő szinterezését foglalja magában magas hőmérsékleten. Ennek eredményeként két terméket kapunk: kalcium-fluoridot és a szükséges karbidot. Ennek a reakciónak a képlete meglehetősen egyszerű, és ha kívánja, elolvashatja a szakirodalomban.
Ha nem biztos benne a cikkben bemutatott anyag hasznosságában, akkor a következőkszakasz az Ön számára.
Hogyan lehet ez hasznos az életben?
Nos, először is, a kémiai vegyületek ismerete soha nem lehet felesleges. Mindig jobb tudással felvértezve, mint nélküle maradni. Másodszor, minél többet tud bizonyos vegyületek létezéséről, annál jobban megérti a keletkezésük mechanizmusát és a létezésüket lehetővé tevő törvényeket.
Mielőtt a végére térnénk, szeretnék néhány ajánlást adni ennek az anyagnak a tanulmányozására.
Hogyan tanuljuk?
Nagyon egyszerű. Ez csak a kémia egyik ága. És ezt a kémia tankönyvekben kellene tanulmányozni. Kezdje az iskolai információkkal, és folytassa az egyetemi tankönyvek és segédkönyvek részletesebb információival.
Következtetés
Ez a téma nem olyan egyszerű és unalmas, mint amilyennek első pillantásra tűnik. A kémia mindig érdekes lehet, ha megtalálod a célodat.
