Карбід: формула, застосування і властивості

На світлі відомо дуже багато різних хімічних сполук: близько сотні мільйонів. І всі вони, як люди, індивідуальні. Не можна знайти два речовини, у яких збігалися б хімічні і фізичні властивості при різному складі.

Відео: Виробництво будівельного вапна гашеного гідратної і негашеного, застосування, властивості

Одними з найцікавіших неорганічних речовин, що існують на білому світі, є карбіди. У даній статті ми обговоримо їх будова, фізичні та хімічні властивості, застосування і розберемо тонкощі їх отримання. Але для початку трохи про історію відкриття.

Історія

Карбіди металів, формули яких ми наведемо нижче, не є природними сполуками. Це обумовлено тим, що їх молекули схильні розпадатися при взаємодії з водою. Тому тут варто говорити про перші спроби синтезу карбідів.

Починаючи з 1849 є згадки про синтез карбіду кремнію, проте деякі з цих спроб залишаються невизнаними. Великомасштабне виробництво почав в 1893 році американський хімік Едвард Ачесон за способом, який був потім названий його ім`ям.

Історія синтезу карбіду кальцію також не відрізняється великою кількістю відомостей. У 1862 році його отримав німецький хімік Фрідріх Велер, нагріваючи сплавлений цинк і кальцій з вугіллям.

Тепер перейдемо до більш цікавим розділах: хімічним і фізичним властивостям. Адже саме в них міститься вся суть застосування даного класу речовин.

Фізичні властивості

Абсолютно всі карбіди відрізняються своєю твердістю. Наприклад, одним з найбільш твердих речовин за шкалою Мооса є карбід вольфраму (9 з 10 можливих балів). До того ж ці речовини дуже тугоплавкі: температура плавлення деяких з них досягає двох тисяч градусів.

Більшість карбідів хімічно інертні і взаємодіють з невеликою кількістю речовин. Вони не розчиняються ні в яких розчинниках. Однак розчиненням можна вважати взаємодію з водою з руйнуванням зв`язків і утворенням гідроксиду металу і вуглеводню.

Про останню реакції і багатьох інших цікавих хімічних перетвореннях за участю карбідів ми поговоримо в наступному розділі.

Хімічні властивості

Майже всі карбіди взаємодіють з водою. Якісь – легко і без нагрівання (наприклад, карбід кальцію), а якісь (наприклад, карбід кремнію) – при нагріванні водяної пари до 1800 градусів. Реакційна здатність при цьому залежить від характеру зв`язку в з`єднанні, про який ми поговоримо пізніше. В реакції з водою утворюються різні вуглеводні. Відбувається це тому, що водень, що міститься у воді, з`єднується з вуглецем, що знаходяться в карбіду. Зрозуміти, який вуглеводень вийде (а може вийти як граничне, так і неграничне з`єднання), можна, виходячи з валентності міститься у вихідному речовині вуглецю. Наприклад, якщо у нас є карбід кальцію, формула якого CaC₂, ми бачимо, що він містить іон C₂ 2 . Значить, до нього можна приєднати два іона водню з зарядом +. Таким чином, отримуємо з`єднання C<sub>2</sub>H<sub>2</sub> – ацетилен. Таким же чином з такого з`єднання, як карбід алюмінію, формула якого Al₄C₃, отримуємо CH₄. Чому не C₃H₁₂, запитаєте ви? Адже іон має заряд 12-. Справа в тому, що максимальна кількість атомів водню визначається формулою 2n + 2, де n – кількість атомів вуглецю. Значить, може існувати тільки сполука з формулою C₃H₈ (Пропан), а той іон із зарядом 12- розпадається на три іона із зарядом 4, які і дають при з`єднанні з протонами молекули метану.

Цікавими видаються реакції окислення карбідів. Вони можуть відбуватися як при впливі сильних сумішей окислювачів, так і при звичайному горінні в атмосфері кисню. Якщо з киснем все зрозуміло: виходять два окісда, то з іншими окислювачами цікавіше. Все залежить від природи металу, що входить до складу карбіду, а також від природи окислювача. Наприклад, карбід кремнію, формула якого SiC, при взаємодії з сумішшю азотної та плавиковою кислот утворює гексафторкремніевую кислоту з виділенням вуглекислого газу. А при проведенні тієї ж реакції, але з однією тільки азотною кислотою, отримуємо оксид кремнію і вуглекислий газ. До окислювача також можна віднести галогени і халькогена. З ними взаємодіє будь карбід, формула реакції залежить тільки від його будови.

Карбіди металів, формули яких ми розглянули – далеко не єдині представники цього класу сполук. Зараз ми докладніше розглянемо кожне промислово важлива сполука цього класу і потім поговоримо про їх застосування в нашому житті.

Які бувають карбіди?

Виявляється, карбід, формула якого, скажімо, CaC_2, істотно відрізняється за будовою від SiC. І відмінність це перш за все в характері зв`язку між атомами. У першому випадку ми маємо справу з солеобразний карбідом. Названо цей клас сполук так тому, що поводиться фактично як сіль, тобто здатний диссоциировать на іони. така іонна зв`язок дуже слабка, що і дозволяє легко проводити реакцію гідролізу і багато інших перетворення, що включають взаємодії між іонами.

Іншим, напевно, більш промислово важливим видом карбідів є ковалентні карбіди: такі як, наприклад, SiC або WC. Вони відрізняються високою щільністю і міцністю. А також тугоплавкі і інертні до розведеним хімічним речовинам.

Існують також металлоподобниє карбіди. Їх швидше можна розглядати як сплави металів з вуглецем. Серед таких можна виділити, наприклад, цементит (карбід заліза, формула якого буває різною, але в середньому вона приблизно така: Fe₃C) або чавун. Вони мають хімічну активність, проміжну по своїй мірі між іонними і ковалентними карбидами.

Відео: Формула Жінки, Арт Лайф, повна інструкція. Склад, Властивості, Застосування

Кожен з цих підвидів обговорюваного нами класу хімічних сполук має своє практичне застосування. Про те, як і де застосовується кожен з них, ми поговоримо в наступному розділі.

Практичне застосування карбідів

Як ми вже обговорили, ковалентні карбіди мають найбільший діапазон практичних застосувань. Це і абразивні і ріжучі матеріали, і композиційні матеріали, що використовуються в різних областях (наприклад, в якості одного з матеріалів, що входять до складу бронежилета), і автодеталі, і електронні прилади, і нагрівальні елементи, і ядерна енергетика. І це далеко не повний список застосувань цих надтвердих карбідів.

Найвужче застосування мають солеобразующіе карбіди. Їх реакцію з водою використовують як лабораторний спосіб отримання вуглеводнів. Те, як це відбувається, ми вже розібрали вище.

Нарівні з ковалентними, металлоподобниє карбіди мають найширше застосування в промисловості. Як ми вже говорили, таким металоподібними видом обговорюваних нами сполук є стали, чавуни та інші сполуки металів з вкрапленнями вуглецю. Як правило, метал, що знаходиться в таких речовинах, відноситься до класу d-металів. Саме тому він схильний утворювати НЕ ковалентні зв`язки, а як би впроваджуватися в структуру металу.

На наш погляд, практичних застосувань у перерахованих вище сполук більш ніж достатньо. Тепер поглянемо на процес їх отримання.

отримання карбідів

Перші два види карбідів, які ми розглянули, а саме ковалентні і солеобразние, отримують найчастіше одним простим способом: реакцією оксиду елемента і коксу при високій температурі. При цьому частина коксу, що складається з вуглецю, з`єднується з атомом елемента в складі оксиду, і утворює карбід. інша частина “забирає” кисень і утворює чадний газ. Такий спосіб дуже енерговитрат, так як вимагає підтримки високої температури (близько 1600-2500 градусів) в зоні реакції.

Для отримання деяких видів з`єднань використовують альтернативні реакції. Наприклад, розкладання сполуки, яке в кінцевому підсумку дає карбід. Формула реакції залежить від конкретного з`єднання, тому обговорювати її ми не будемо.

Перш ніж завершити нашу статтю, обговоримо кілька цікавих карбідів і поговоримо про них докладніше.

Відео: Застосування карбіду кремнію для створення графена

цікаві з`єднання

Карбід натрію. Формула цього з`єднання C₂Na₂. Це можна уявити швидше як ацетіленід (тобто продукт заміщення атомів водню в ацетилені на атоми натрію), а не карбід. Хімічна формула повністю не відображає цих тонкощів, тому їх треба шукати в будові. Це дуже активна речовина і при будь-якому контакті з водою дуже активно взаємодіє з нею з утворенням ацетилену і лугу.

Карбід магнію. Формула: MgC₂. Цікаві способи отримання цього досить активного з`єднання. Один з них передбачає спікання фториду магнію з карбідом кальцію при високій температурі. В результаті цього виходять два продукти: фторид кальцію і потрібний нам карбід. Формула цієї реакції досить проста, і ви можете при бажанні ознайомитися з нею в спеціалізованій літературі.

Якщо ви не впевнені в корисності викладеного в статті матеріалу, тоді наступний розділ для вас.

Відео: Оксид і гідроксид кальцію. Властивості і застосування

Як це може бути корисно в житті?

Ну, по-перше, знання хімічних сполук ніколи не може бути зайвим. Завжди краще бути озброєним знанням, ніж залишитися без нього. По-друге, чим більше ви знаєте про існування певних з`єднань, тим краще розумієте механізм їх утворення і закони, які дозволяють їм існувати.

Перед тим як перейти до закінчення, хотілося б дати кілька рекомендацій з вивчення цього матеріалу.

Як це вивчати?

Дуже просто. Адже це всього лише розділ хімії. І вивчати його слід за підручниками хімії. Почніть зі шкільних відомостей і переходите до більш поглибленим, з університетських підручників і довідників.

висновок

Ця тема не така проста і нудна, як здається на перший погляд. Хімія завжди може стати цікавою, якщо ви знайдете в ній свою мету.

Що таке карбіди: чим вони відрізняються і в яких галузях використовуються

Карбіди – це сполуки металів і неметалів з вуглецем. Зазвичай в таких з’єднаннях вуглець має велику електронегативність, ніж другий елемент, що дозволяє виключити з групи оксиди, галогени та інші вуглецеві сполуки.

Це тверді тугоплавкі речовини, нелеткі і нерозчинні. В основному вони мають різноманітні властивості: деякі, наприклад, карбід золота, може вибухнути при спробі пересипати його, а деякі із з’єднань, наприклад, бору, цирконію, титану, кремнію і вольфраму, по твердості перевершують алмаз і не піддаються дії кислот і розчинників.

Історична довідка

Перше незвичайне вуглецеве з’єднання, схоже на карбід, було отримано на початку XIX століття англійцем Деві. Це був карбід калію. Далі в 1863 році був знайдений нестійкий карбід міді, через 15 років – карбід заліза.

Офіційно з’єднання «з’явилися» тільки в кінці XIX століття – до них доклав руку француз Анрі Муассон. Він отримував з’єднання за допомогою вольтової дуги в електричній печі, яку він сам і придумав. Для цього використовувалися нагрітий до розпеченого стану деревне вугілля, чисті метали і їх оксиди.

Однак за кілька років до Муассона в метеоритах було виявлено мінерал Коген – суміш карбідів кобальту, заліза і нікелю. У певному сенсі ця знахідка допомогла відповісти на питання «Що таке карбіди?».

властивості сполук

Як і інші елементи, карбіди мають певний набір властивостей, які роблять їх популярним матеріалом на ринку будівництва та машинобудування.

1. Висока твердість – на відміну від чистого металу з’єднання є найбільш твердими, що дозволяє використовувати їх в самих різних областях;
2. Висока температура плавлення – вони істотно вище, ніж температури плавлення аналогічних металів;
3. Стійкість до корозій. Деякі варіанти досить стійкі до кислот і зовнішнім факторам.
4. Хороша теплопровідність і термостійкість, що дозволяють використовувати суміш і при високих, і при низьких температурах;
5. Підвищена зносостійкість не дає деталей з матеріалу зіпсуватися завчасно.

Залежно від металу і неметалла елементи мають різноманітні властивості, які змінюються в залежності від початкових даних.

види карбідів

Всі речовини можна розділити на три групи:

1. Ковалентні утворюють бромом і кремнієм; хімічно інертні, атоми вуглецю знаходиться в стані sp-, sp2-, sp3-гібридизації. Утворюється шляхом часткового заміщення в алмазі атомів вуглецю на атоми брому і кремнію. Мають міцної межатомной зв’язком, високими температурою плавлення, жароміцних, хімічною інертністю, є напівпровідниками. Карбід брому при цьому досить твердий, може навіть подряпати алмаз. Карбід кремнію виходить більш крихким, але хімічно стійким, окислюється при впливі кисню тільки при температурі понад 1000 градусів Цельсія, розчиняється в царській горілці і концентрованих азотної кислоти і плавиковою.
2. Солеобразние або іонні – це з’єднання, утворені металами I і II груп, а також алюмінієм, РЗЕ і актиноїдів. Їх отримують безпосередньо з елементів або шляхом відновлення оксидів вуглецю Зазвичай вони розкладаються водою і кислотами, при цьому відбувається виділення вуглеводню і залишається гідроксид металу. Мають високу температуру плавлення.
3. Металлоподобниє або іонно-ковалентно-металеві – це з’єднання, які утворюються перехідними металами IV-VII груп, а також нікелем, залізом і кобальтом; мають проміжну хімічну активність. У таких з’єднаннях невеликі атоми вуглецю розташовані в порожнинах між атомами металів. Звідси пішла назва карбіди впровадження. Вони відрізняються високими міцністю і температурою плавлення.

У свою чергу іонні сполуки діляться на:

1. Метаніди – зазвичай прозорі, не мають кольору, в розбавлених кислотах і воді розкладаються і утворюють метан. До них відносяться карбід магнію, алюмінію і берилію.
2. Ацетиленіди – активно гідролізуються і утворюють ацетилен або Етін. Найбільш відомий карбід кальцію.

застосування

Елементи використовують, щоб надати чавуну і різного виду сталей твердість, підвищити їх зносостійкість. Карбід вольфраму і титану, як найбільш тверді і тугоплавкі варіанти, застосовують для виготовлення ріжучих інструментів, а також для отримання надтвердих матеріалів. Завдяки хорошим хімічним і фізичним властивостям, речовини використовують в якості компонента вогнетривких матеріалів, стрижнів опору електронагрівальних приладів і в якості абразивного матеріалу.

Карбід кальцію також називають карбідом для зварювання. Це ідеальна речовина для зварювальних робіт: при контакті з водою воно виділяє ацетилен – летючий газ, який є основою кисневого зварювання, металізації, різання і напайки.

Інакше кажучи, при обробці металу з’єднання вступає в реакцію і починає виділяти величезну кількість тепла і ацетилену, який підтримує горіння. Температура при цьому може досягати 3150 градусів Цельсія. При роботі з речовиною необхідно строго дотримуватися правил безпеки: правильно зберігати суміш, пам’ятати про те, що він легко спалахує, намагатися не контактувати з отруйною поллю.

висновок

Залежно від металу сполуки мають значним рядом властивостей, які використовують в різних видах виробництва, в основному, в машинобудуванні, металообробці і тому подібних галузях.