Karbid: vzorec, použití a vlastnosti

Na světě je známo mnoho různých chemických sloučenin: asi stovky milionů. A všichni, stejně jako lidé, jsou individuální. Nemůžete najít dvě látky, které mají stejné chemické a fyzikální vlastnosti pro různé kompozice.

Jedna z nejzajímavějších anorganických látek na světě je karbidy. V tomto článku budeme diskutovat o jejich struktuře, fyzikálních a chemických vlastnostech, aplikaci a analyzovat detaily jejich výroby. Ale nejprve trochu o historii objevu.

Historie

Karbidy kovů, jejichž vzorky uvedeme níže, nejsou přírodní sloučeniny. To je způsobeno skutečností, že jejich molekuly mají tendenci k rozpadu při interakci s vodou. Proto zde stojí za zmínku první pokusy o syntézu karbidů.

Od roku 1849 jsou odkazy na syntézu karbidu křemíku, ale některé z těchto pokusů zůstávají nerozpoznatelné. Velká výroba začala v roce 1893 americkým chemikem Edwardem Achesonem způsobem, který byl později pojmenován po něm.

Historie syntézy karbidu vápníku také není příliš odlišná. V roce 1862 obdržel německého chemikálie, Friedricha Wöhlera, teplem zinku a vápníku s uhlí.

Nyní se zaměříme na zajímavější části: chemické a fyzikální vlastnosti. Koneckonců, oni jsou podstatou použití této třídy látek.

Fyzikální vlastnosti

Absolutně všechny karbidy se liší svou tvrdostí. Například jeden z nejvíce Mohsova stupnice je karbid wolframu (9 z 10 možných bodů). Kromě toho jsou tyto látky velmi odolné: teplota tání některých z nich dosahuje dvou tisíc stupňů.

Většina karbidů je chemicky inertní a interaguje s malým množstvím látek. Nejsou rozpustné v žádném rozpouštědle. Nicméně interakce s vodou může být považována za rozpuštění, s ničením vazeb a tvorbou hydroxidu kovu a uhlovodíku.

Poslední reakce a mnoho dalších zajímavých chemických transformací, které zahrnují karbidy, budou diskutovány v následující části.

Chemické vlastnosti

Téměř všechny karbidy reagují s vodou. Některé jsou snadno a bez topení (například, karbid vápníku), a některé (například karbid křemíku) - když se vodní pára zahřeje na 1800 stupňů. Reaktivita v tomto případě závisí na povaze vazby ve směsi, o které budeme hovořit později. Při reakci s vodou se vytvářejí různé uhlovodíky. K tomu dochází, protože vodík obsažený ve vodě je spojen s uhlíkem v karbidu. Pochopit, co se stane, uhlovodík (jak se může stát, jako omezující, a nenasycené sloučeniny), je možné, na základě mocenství uhlíku obsaženého ve výchozím materiálu. Například pokud máme karbid vápníku, jehož vzorec je CaC₂, vidíme, že obsahuje ion C₂^2-. Proto mohou být k němu připojeny dva vodíkové ionty s nábojem +. Získáme tak sloučeninu C₂H₂ - acetylen. Stejným způsobem, ze sloučeniny, jako je karbid hliníku, vzorec, z něhož je Al₄C₃, získáme CH₄. Proč ne₃H_12., ptáte se? Koneckonců, ion má náboj 12-. Faktem je, že maximální počet atomů vodíku je stanoven podle vzorce 2n + 2, kde n je počet atomů uhlíku. Proto může existovat pouze sloučenina vzorce C₃H_8. (Propan) a ionty s nábojem 12 se dělí na tři ionty s nábojem 4, které při kombinaci s molekulou protony metanu.

Zajímavé jsou oxidační reakce karbidů. Mohou se objevit jak pod silnými oxidačními směsmi, tak při běžném spalování v kyslíkové atmosféře. Pokud je s kyslíkem všechno jasné: získávají se dva oxidy, pak s dalšími oxidačními látkami je zajímavější. Vše závisí na povaze kovu, který je součástí karbidu, a na povaze oxidačního činidla. Například karbid křemíku, jehož vzorec je SiC, při interakci se směsí dusičnanů a dusičnanů kyselina fluorovodíková tvoří kyselinu hexafluorokřemičitou s uvolněním oxidu uhličitého. A když provádíme stejnou reakci, ale pouze kyselinou dusičnou, dostaneme se oxid křemíku a oxid uhličitý. Oxidační činidla mohou také zahrnovat halogeny a chalkogeny. S nimi reaguje jakýkoliv karbid, reakční vzorec závisí pouze na jeho struktuře.

Karbidy kovů, jejichž vzorce jsme uvažovali, nejsou v žádném případě jedinými představiteli této třídy sloučenin. Nyní se budeme podrobněji zabývat každou průmyslově důležitou kombinací této třídy a poté mluvit o jejich použití v našem životě.

Co jsou karbidy?

Ukazuje se, že karbid, jehož vzorec, řekněme, CaC_2, se podstatně liší ve struktuře od SiC. A rozdíl je především v povaze vazby mezi atomy. V prvním případě se jedná o solný karbid. Tato třída sloučenin je pojmenována tak, že se ve skutečnosti chová jako sůl, to znamená, že je schopna se rozptýlit na ionty. Taková iontová vazba je velmi slabá, což usnadňuje její vedení hydrolýza a mnoho dalších transformací zahrnujících interakce mezi ionty.

Dalším pravděpodobně důležitějším typem karbidu jsou kovalentní karbidy, jako například SiC nebo WC. Vyznačují se vysokou hustotou a pevností. Stejně jako žáruvzdorné a inertní k ředění chemikálií.

Existují také kovové karbidy. Mohou být spíše považovány za slitiny kovů s uhlíkem. Mezi nimi lze rozlišit například cementite (karbid železa, jehož vzorec se mění, avšak v průměru je přibližně stejný: Fe₃C) nebo litinu. Mají střední chemickou aktivitu ve svém stupni mezi iontovými a kovalentními karbidy.

Každý z těchto poddruhů tříd chemických sloučenin, o kterých diskutujeme, má svou praktickou aplikaci. O tom, jak a kde platí každá z nich, promluvíme v další části.

Praktické použití karbidů

Jak jsme již diskutovali, kovalentní karbidy mají největší škálu praktických aplikací. Tyto brusné nebo řezných materiálů a kompozitní materiály používané v různých oblastech (např., Jako jeden z materiálů zahrnujících brnění), a automobilových dílů, a elektronické přístroje a topných těles, a jaderné energie. A to je daleko od úplného seznamu použití těchto superhardních karbidů.

Nejužší je použití karbidů tvořících sůl. Jejich reakce s vodou se používá jako laboratorní metoda pro výrobu uhlovodíků. Způsob, jakým se to stane, jsme již demontovali výše.

Spolu s kovalentními, karbidy podobné kovům mají nejširší uplatnění v průmyslu. Jak jsme již uvedli, takový kovový typ sloučenin, o kterých diskutujeme, jsou oceli, lití a další sloučeniny kovů s impregnacemi uhlíku. Kov obsažený v takových látkách zpravidla patří do třídy d-kovů. Proto je nakloněn tvořit ne kovalentní vazby, ale jak to proniklo do struktury kovu.

Podle našeho názoru existuje více než dostatek praktických aplikací pro výše uvedené sloučeniny. Nyní se podíváme na proces jejich získání.

Výroba karbidů

První dva typy karbidů, které jsme uvažovali, a to kovalentní a saltlike připravených nejvýše jeden jednoduchý způsob: reakcí oxidu prvku a koks při vysokých teplotách. V této části koksu, který se skládá z atomu uhlíku je spojen s prvkem tvořeným oxid, karbid a formy. Druhá část "bere" kyslík a vytváří oxid uhelnatý. Takový postup je velmi spotřeba energie, protože vyžaduje zachování vysoké teploty (v řádu 1600-2500 stupňů) v reakční zóně.

K získání některých typů sloučenin se používají alternativní reakce. Například rozklad sloučeniny, který nakonec produkuje karbid. Reakční vzorec závisí na konkrétní sloučenině, takže o ní nebudeme diskutovat.

Před provedením našeho článku se budeme zabývat některými zajímavými karbidy a podrobněji o nich promluvit.

Zajímavé sloučeniny

Karbid sodný. Vzorec pro tuto sloučeninu C₂Na₂. To může být spíš jako acetylenid (tj. Produkt substituce atomů vodíku v acetylenu pro atomy sodíku) spíše než karbid. Chemický vzorec plně neodráží tyto jemnosti, takže je třeba je hledat ve struktuře. Je to velmi účinná látka a při každém kontaktu s vodou velmi interaguje s ní, čímž vzniká acetylen a alkálie.

Karbid hořčíku. Vzorec: MgC₂. Způsoby přípravy této dostatečně účinné sloučeniny jsou zajímavé. Jeden z nich naznačuje slinování fluoridu hořečnatého s karbidem vápníku při vysoké teplotě. Výsledkem jsou dva produkty: fluorid vápenatý a karbid, který potřebujeme. Vzorec této reakce je poměrně jednoduchý a můžete ji, pokud chcete, přečíst v odborné literatuře.

Pokud si nejste jisti o užitečnosti materiálu v článku, pak další část je pro vás.

Jak to může být užitečné v životě?

Nejprve, znalost chemických sloučenin nemůže být nikdy nadbytečná. Vždy je lepší být vyzbrojeni vědomím, než zůstat bez něj. Za druhé, čím více víte o existenci určitých sloučenin, tím lépe rozumíte mechanismu jejich utváření a zákonům, které jim umožňují existovat.

Před koncem bych rád podal několik doporučení ohledně studie tohoto materiálu.

Jak to studovat?

Je to velmi jednoduché. Je to jen část chemie. A mělo by být studováno podle učebnic chemie. Začněte s informacemi o škole a jděte do hloubky z učebnic a referenčních knih.

Závěr

Toto téma není tak jednoduché a nudné, jak se zdá na první pohled. Chemie se může vždy stát zajímavou, pokud zjistíte, že je to cíl.