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 синтезі карбіду кремнію, проте деякі з цих спроб залишаються невизнаними. Великомасштабне виробництво почав в 1893 році американський хімік Едвард Ачесон за способу, який був названий його ім'ям. Історія синтезу карбіду кальцію також не відрізняється великою кількістю інформації. У 1862 році його отримав німецький хімік Фрідріх Велер, нагріваючи сплавлений цинк і кальцій з вугіллям. Тепер перейдемо до більш цікавим розділами: 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 із самих 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 сягає двох тисяч градусів.Більшість карбідів хімічно інертні і взаємодіють з невеликою кількістю речовин. Вони не розчинні ні в яких розчинниках. Однак розчиненням можна вважати взаємодію з водою з руйнуванням зв'язків і утворенням гідроксиду металу і вуглеводню. Про останню реакції та багатьох інших цікавих хімічних перетворень 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 які-то (наприклад, карбід кремнію) - при нагріванні водяної пари до 1800 градусів. Реакційна здатність при цьому залежить від характеру зв'язку в сполуці, 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 обмеження, так і непредельное з'єднання), можна, виходячи з валентності міститься у вихідній речовині вуглецю. Наприклад, якщо у нас є карбід кальцію, формула якого CaC 2 ми бачимо, що він містить іон C 2 2 - . Значить, до нього можна приєднати два іона водню з зарядом +. Таким чином, отримуємо з'єднання C 2 H 2 - ацетилен. Таким же чином з такого з'єднання, як карбід алюмінію, формула якого Al 4 C 3 , отримуємо CH 4 . Чому не C 3 H 12 , запитаєте ви? Адже іон має заряд 12-. Справа в тому, що максимальна кількість атомів водню визначається формулою 2n+2 де n - кількість атомів вуглецю. Отже, може існувати тільки з'єднання з формулою C 3 H 8 (пропан), а той іон з зарядом 12 - розпадається на три іона з зарядом 4-, які і дають при з'єднанні з протонами молекули метану.Цікавими представляються реакції окислення карбідів. Вони можуть відбуватися як при вплив сумішей сильних окислювачів, так і при звичайному горінні в атмосфері кисню. Якщо з киснем все зрозуміло: виходять два окисда, то з іншими окислювачами цікавіше. Все залежить від природи металу, який входить до складу карбіду, а також від природи окислювача. Наприклад, карбід кремнію, формула якого SiC, при взаємодії з сумішшю азотної і плавикової кислот утворює гексафторкремниевую 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 халькогени. 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 детальніше розглянемо кожне промислово важливе з'єднання 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 насамперед в характері зв'язку між атомами. У першому випадку ми маємо справу з солеобразним карбідом. Названий цей клас сполук так тому, що поводиться фактично як сіль, тобто здатний дисоціювати на іони. Така іонна зв'язок дуже слабка, що і дозволяє легко проводити реакцію гідролізу і багато інші перетворення, що включають взаємодії між іонами. Інших, мабуть, більш промислово важливим видом карбідів є ковалентні карбіди: такі як, наприклад, SiC або WC. Вони відрізняються високою щільністю і міцністю. А також тугоплавки і інертні розведеним до хімічних речовин.Існують також металлоподобниє карбіди. Їх скоріше 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: Fe 3 C) або чавун. Вони мають хімічну активність, проміжну за своєю ступеня між іонними і ковалентними карбідами. Кожен із цих підвидів обговорюваного нами класу хімічних сполук має своє практичне застосування. Про те, як і де застосовується кожний 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, 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. Саме вузьке застосування мають солеобразующие 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 металлоподобним видом обговорюваних нами сполук є сталі, 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 не утворювати ковалентні зв'язки, а як би впроваджуватися в структуру металу. На наш погляд, практичних застосувань у перелічених вище сполук більш ніж достатньо. Тепер поглянемо на процес їх отримання.Одержання 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 енерговитратний, так як вимагає підтримання високої температури (порядку 1600-2500 градусів) в зоні реакції. Для отримання деяких видів з'єднань використовують альтернативні реакції. Наприклад, розкладання з'єднання, яке в кінцевому результаті 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.Цікаві з'єднання
Карбід натрію. Формула цього з'єднання C 2 Na 2 . Це можна уявити швидше як ацетиленид (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 луги. Карбід магнію. Формула: MgC 2 . Цікаві способи отримання цього достатньо активного з'єднання. Один з них передбачає спікання фториду магнію з карбідом кальцію при високій температурі. В результаті цього утворюються 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.
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 сполук, тим краще розумієте механізм їх утворення та закони, які дозволяють їм існувати. Перед тим як перейти до закінчення, хотілося б дати кілька рекомендацій з вивчення цього матеріалу.