Mange forskellige kemiske forbindelser er kendt i verden: omkring hundreder af millioner. Og alle er de, ligesom mennesker, individuelle. Det er umuligt at finde to stoffer, der ville have de samme kemiske og fysiske egenskaber med forskellig sammensætning.
Et af de mest interessante uorganiske stoffer, der findes i verden, er carbider. I denne artikel vil vi diskutere deres struktur, fysiske og kemiske egenskaber, applikationer og analysere forviklingerne i deres produktion. Men først lidt om opdagelsens historie.
Historie
Metalcarbider, hvis formler vi vil give nedenfor, er ikke naturlige forbindelser. Dette skyldes det faktum, at deres molekyler har en tendens til at nedbrydes, når de interagerer med vand. Derfor er det værd at tale om de første forsøg på at syntetisere karbider her.
Fra 1849 er der referencer til syntesen af siliciumcarbid, men nogle af disse forsøg forbliver uerkendte. Storskalaproduktion begyndte i 1893 af den amerikanske kemiker Edward Acheson i en proces, der senere blev opkaldt efter ham.
Historien om syntesen af calciumcarbid adskiller sig heller ikke i en stor mængde information. I 1862 opnåede den tyske kemiker Friedrich Wöhler det ved at opvarme legeret zink og calcium med kul.
Lad os nu gå videre til mere interessante afsnit: kemiske ogfysiske egenskaber. Det er trods alt i dem, at hele essensen af brugen af denne klasse af stoffer ligger.
Fysiske egenskaber
Absolut alle karbider er kendetegnet ved deres hårdhed. For eksempel er et af de hårdeste stoffer på Mohs-skalaen wolframcarbid (9 ud af 10 mulige point). Derudover er disse stoffer meget ildfaste: smeltepunktet for nogle af dem når to tusinde grader.
De fleste karbider er kemisk inerte og interagerer med en lille mængde stoffer. De er uopløselige i alle opløsningsmidler. Imidlertid kan opløsning betragtes som vekselvirkning med vand med ødelæggelse af bindinger og dannelse af metalhydroxid og kulbrinte.
Vi vil tale om den sidste reaktion og mange andre interessante kemiske transformationer, der involverer karbider, i næste afsnit.
Kemiske egenskaber
Næsten alle karbider interagerer med vand. Nogle - nemt og uden opvarmning (for eksempel calciumcarbid), og nogle (for eksempel siliciumcarbid) - ved at opvarme vanddamp til 1800 grader. Reaktiviteten i dette tilfælde afhænger af arten af bindingen i forbindelsen, som vi vil diskutere senere. I reaktionen med vand dannes forskellige kulbrinter. Dette sker, fordi brinten indeholdt i vandet kombineres med kulstoffet i karbiden. Det er muligt at forstå, hvilket kulbrinte der vil vise sig (og både mættede og umættede forbindelser kan vise sig) baseret på valensen af kulstoffet indeholdt i det oprindelige stof. For eksempel, hvis uvi har calciumcarbid, hvis formel er CaC2, vi ser, at det indeholder ionen C22-. Det betyder, at der kan knyttes to brintioner med en + ladning til den. Således får vi forbindelsen C2H2 - acetylen. På samme måde får vi CH fra en forbindelse såsom aluminiumcarbid, hvis formlen er Al4C3. 4. Hvorfor ikke C3H12, spørger du? Ionen har jo en ladning på 12-. Faktum er, at det maksimale antal brintatomer er bestemt af formlen 2n + 2, hvor n er antallet af carbonatomer. Det betyder, at kun en forbindelse med formlen C3H8 (propan) kan eksistere, og den ion med en ladning på 12- henfalder i tre ioner med en ladning på 4-, som giver metanmolekyler, når de kombineres med protoner.
Oxidationsreaktioner af karbider er interessante. De kan opstå både, når de udsættes for stærke blandinger af oxidationsmidler, og ved almindelig forbrænding i en iltatmosfære. Hvis alt er klart med oxygen: to oxider opnås, så er det mere interessant med andre oxidationsmidler. Det hele afhænger af arten af det metal, der er en del af karbidet, såvel som af oxidationsmidlets beskaffenhed. For eksempel danner siliciumcarbid, hvis formel er SiC, når det interagerer med en blanding af salpeter- og flussyre, hexafluorkiselsyre med frigivelse af kuldioxid. Og når vi udfører den samme reaktion, men med kun salpetersyre, får vi siliciumoxid og kuldioxid. Halogener og chalcogener kan også omtales som oxidationsmidler. Ethvert carbid interagerer med dem, reaktionsformlen afhænger kun af dets struktur.
Metalcarbider, hvis formler vi har overvejet, er langt fra de eneste repræsentanter for denne klasse af forbindelser. Nu vil vi se nærmere på hver af de industrielt vigtige forbindelser i denne klasse og derefter tale om deres anvendelse i vores liv.
Hvad er karbider?
Det viser sig, at karbid, hvis formel f.eks. CaC2, adskiller sig væsentligt i struktur fra SiC. Og forskellen ligger primært i arten af bindingen mellem atomer. I det første tilfælde har vi at gøre med s altlignende karbid. Denne klasse af forbindelser er navngivet sådan, fordi den faktisk opfører sig som et s alt, det vil sige, at den er i stand til at dissociere til ioner. En sådan ionbinding er meget svag, hvilket gør det nemt at udføre hydrolysereaktionen og mange andre transformationer, herunder interaktioner mellem ioner.
En anden, måske mere industrielt vigtig, carbidtype er det kovalente carbid, såsom SiC eller WC. De er kendetegnet ved høj tæthed og styrke. Også ildfast og inert til at fortynde kemikalier.
Der er også metallignende karbider. De kan snarere betragtes som legeringer af metaller med kulstof. Blandt disse kan man for eksempel skelne cementit (jerncarbid, hvis formel varierer, men i gennemsnit er det omtrent følgende: Fe3C) eller støbejern. De har en kemisk aktivitet mellem i grad mellem ioniske og kovalente karbider.
Hver af disse underarter af klassen af kemiske forbindelser, vi diskuterer, har sin egen praktiske anvendelse. Hvordan og hvor skal man søgehver enkelt, vi taler om i næste afsnit.
Praktisk påføring af karbider
Som vi allerede har diskuteret, har kovalente karbider det bredeste udvalg af praktiske anvendelser. Disse er slibende og skærende materialer og kompositmaterialer, der anvendes inden for forskellige områder (for eksempel som et af de materialer, der udgør panser), og autodele og elektroniske enheder, og varmeelementer og atomenergi. Og dette er ikke en komplet liste over applikationer for disse superhårde karbider.
S altdannende karbider har den smalleste anvendelse. Deres reaktion med vand bruges som en laboratoriemetode til fremstilling af kulbrinter. Vi har allerede diskuteret, hvordan dette sker ovenfor.
Sammen med kovalente har metallignende karbider den bredeste anvendelse i industrien. Som vi allerede har sagt, er en sådan metallignende type af de forbindelser, vi diskuterer, stål, støbejern og andre metalforbindelser blandet med kulstof. Som regel tilhører metallet fundet i sådanne stoffer klassen af d-metaller. Det er derfor, det er tilbøjeligt til ikke at danne kovalente bindinger, men så at sige at blive indført i metallets struktur.
Efter vores mening har ovenstående forbindelser mere end nok praktiske anvendelser. Lad os nu tage et kig på processen med at få dem.
Produktion af karbider
De to første typer karbider, som vi undersøgte, nemlig kovalente og s altlignende, opnås oftest på én enkel måde: ved omsætning af grundstoffets oxid og koks ved høj temperatur. Samtidig delkoks, der består af kulstof, kombineres med et atom af et grundstof i sammensætningen af oxidet og danner et karbid. Den anden del "tager" ilt og danner kulilte. Denne metode er meget energikrævende, da den kræver at opretholde en høj temperatur (ca. 1600-2500 grader) i reaktionszonen.
Alternative reaktioner bruges til at opnå visse typer forbindelser. For eksempel nedbrydning af en forbindelse, som i sidste ende giver et karbid. Reaktionsformlen afhænger af den specifikke forbindelse, så vi vil ikke diskutere den.
Før vi afslutter vores artikel, lad os diskutere nogle interessante karbider og tale mere om dem.
Interessante forbindelser
Natriumcarbid. Formlen for denne forbindelse er C2Na2. Dette kan mere opfattes som et acetylenid (dvs. produktet af udskiftning af hydrogenatomer i acetylen med natriumatomer) snarere end et carbid. Den kemiske formel afspejler ikke fuldt ud disse finesser, så de skal søges i strukturen. Dette er et meget aktivt stof, og i enhver kontakt med vand interagerer det meget aktivt med det med dannelse af acetylen og alkali.
Magnesiumcarbid. Formel: MgC2. Fremgangsmåder til opnåelse af denne tilstrækkeligt aktive forbindelse er af interesse. En af dem involverer sintring af magnesiumfluorid med calciumcarbid ved høj temperatur. Som et resultat af dette opnås to produkter: calciumfluorid og det karbid, vi har brug for. Formlen for denne reaktion er ret enkel, og du kan læse den i den specialiserede litteratur, hvis du ønsker det.
Hvis du ikke er sikker på nytten af det materiale, der præsenteres i artiklen, så det følgendesektion til dig.
Hvordan kan dette være nyttigt i livet?
Tja, først og fremmest kan viden om kemiske forbindelser aldrig være overflødig. Det er altid bedre at være bevæbnet med viden end at stå uden den. For det andet, jo mere du ved om eksistensen af visse forbindelser, jo bedre forstår du mekanismen for deres dannelse og de love, der tillader dem at eksistere.
Før jeg går videre til slutningen, vil jeg gerne give et par anbefalinger til undersøgelsen af dette materiale.
Hvordan studerer man det?
Meget enkelt. Det er bare en gren af kemi. Og det bør studeres i kemi lærebøger. Start med skoleinformation, og gå videre til mere dybdegående information fra universitetets lærebøger og opslagsbøger.
Konklusion
Dette emne er ikke så enkelt og kedeligt, som det ser ud ved første øjekast. Kemi kan altid være interessant, hvis du finder dit formål med det.
