Карбід: формула, прымяненне і ўласцівасці

На свеце вядома вельмі шмат розных хімічных злучэнняў: парадку сотні мільёнаў. І ўсе яны, як людзі, індывідуальныя. Нельга знайсці два рэчывы, у якіх супадалі б хімічныя і фізічныя ўласцівасці пры розным складзе.

Аднымі з найцікавейшых неарганічных рэчываў, якія існуюць на белым свеце, з'яўляюцца карбіду. У дадзеным артыкуле мы абмяркуем іх будова, фізічныя і хімічныя ўласцівасці, прымяненне і разбяром тонкасці іх атрымання. Але для пачатку трохі пра гісторыю адкрыцця.

гісторыя

Карбід металаў, формулы якіх мы прывядзем ніжэй, не з'яўляюцца прыроднымі злучэннямі. Гэта абумоўлена тым, што іх малекулы схільныя распадацца пры ўзаемадзеянні з вадой. Таму тут варта казаць пра першыя спробах сінтэзу карбідам.

Пачынаючы з 1849 маюцца згадкі пра сінтэз карбіду крэмнія, аднак некаторыя з гэтых спробаў застаюцца непрызнанымі. Буйнамаштабнае вытворчасць пачаў ў 1893 годзе амерыканскі хімік Эдвард Ачесон па спосабе, які быў затым названы яго імем.

Гісторыя сінтэзу карбіду кальцыя таксама не адрозніваецца вялікай колькасцю звестак. У 1862 годзе яго атрымаў нямецкі хімік Фрыдрых Вёлер, награваючы сплавленных цынк і кальцый з вуглём.

Цяпер пяройдзем да больш цікавым раздзелах: хімічным і фізічных уласцівасцях. Бо менавіта ў іх заключана ўся сутнасць прымянення дадзенага класа рэчываў.

фізічныя ўласцівасці

Абсалютна ўсе карбіду адрозніваюцца сваёй цвёрдасцю. Напрыклад, адным з самых цвёрдых рэчываў па шкале Мооса з'яўляецца карбід вальфраму (9 з 10 магчымых балаў). Да таго ж гэтыя рэчывы вельмі тугаплаўкія: тэмпература плаўлення некаторых з іх дасягае двух тысяч градусаў.

Большасць карбідам хімічна інэртныя і ўзаемадзейнічаюць з невялікай колькасцю рэчываў. Яны не растваральныя ні ў якіх растваральніках. Аднак растварэннем можна лічыць узаемадзеянне з вадой з разбурэннем сувязяў і адукацыяй гідраксіду металу і вуглевадароду.

Аб апошняй рэакцыі і многіх іншых цікавых хімічных ператварэннях з удзелам карбідам мы пагаворым у наступным раздзеле.

хімічныя ўласцівасці

Амаль усе карбіду ўзаемадзейнічаюць з вадой. Нейкія - лёгка і без награвання (напрыклад, карбід кальцыя), а нейкія (напрыклад, карбід крэмнія) - пры награванні вадзянога пара да 1800 градусаў. Рэакцыйная здольнасць пры гэтым залежыць ад характару сувязі ў злучэнні, пра які мы пагаворым пазней. У рэакцыі з вадой утвараюцца розныя вуглевадароды. Адбываецца гэта таму, што вадарод, які змяшчаецца ў вадзе, злучаецца з вугляродам, якія знаходзяцца ў карбіду. Зразумець, які вуглевадарод атрымаецца (а можа атрымацца як лімітавае, так і непредельных злучэнне), можна, зыходзячы з валентнасці які змяшчаецца ў зыходным рэчыве вугляроду. Напрыклад, калі ў нас ёсць карбід кальцыя, формула якога CaC _2, мы бачым, што ён утрымлівае іён C ₂ ^2-. Значыць, да яго можна далучыць два іёна вадароду з зарадам +. Такім чынам, атрымліваем злучэнне C ₂ H ₂ - ацэтылен. Такім жа чынам з такога злучэння, як карбід алюмінія, формула якога Al ₄ C _3, атрымліваем CH _4. Чаму не C ₃ H _12, спытаеце вы? Бо іён мае зарад 12-. Справа ў тым, што максімальная колькасць атамаў вадароду вызначаецца формулай 2n + 2, дзе n - колькасць атамаў вугляроду. Значыць, можа існаваць толькі злучэнне з формулай C ₃ H ₈ (прапан), а той іён з зарадам 12- распадаецца на тры іёна з зарадам 4-, якія і даюць пры злучэнні з пратонамі малекулы метану.

Цікавымі ўяўляюцца рэакцыі акіслення карбідам. Яны могуць адбывацца як пры ўздзеянні моцных сумесяў акісляльнікаў, так і пры звычайным гарэнні ў атмасферы кіслароду. Калі з кіслародам усё зразумела: атрымліваюцца два окисда, то з іншымі акісляльнікамі цікавей. Усё залежыць ад прыроды металу, якое ўваходзіць у склад карбіду, а таксама ад прыроды акісляльніка. Напрыклад, карбід крэмнія, формула якога SiC, пры ўзаемадзеянні з сумессю азотнай і плавікавай кіслот ўтварае гексафторкремниевую кіслату з вылучэннем вуглякіслага газу. А пры правядзенні той жа рэакцыі, але з адной толькі азотнай кіслатой, атрымліваем аксід крэмнію і вуглякіслы газ. Да акісляльнік таксама можна аднесці галагены і халькогены. З імі ўзаемадзейнічае любы карбід, формула рэакцыі залежыць толькі ад яго будынка.

Карбід металаў, формулы якіх мы разгледзелі - далёка не адзіныя прадстаўнікі гэтага класа злучэнняў. Зараз мы больш падрабязна разгледзім кожнае прамыслова важнае злучэнне гэтага класа і затым пагаворым пра іх ужыванне ў нашым жыцці.

Якія бываюць карбіду?

Аказваецца, карбід, формула якога, скажам, CaC _2, істотна адрозніваецца па будынку ад SiC. І адрозненне гэта перш за ўсё ў характары сувязі паміж атамамі. У першым выпадку мы маем справу з солеобразных карбідам. Названы гэты клас злучэнняў так таму, што вядзе сябе фактычна як соль, гэта значыць здольны диссоциировать на іёны. Такая іённая сувязь вельмі слабая, што і дазваляе лёгка праводзіць рэакцыю гідролізу і многія іншыя ператварэння, якія ўключаюць ўзаемадзеяння паміж іёнамі.

Іншым, напэўна, больш прамыслова важным выглядам карбідам з'яўляюцца кавалентным карбіду: такія як, напрыклад, SiC або WC. Яны адрозніваюцца высокай шчыльнасцю і трываласцю. А таксама тугаплаўкія і інэртныя да разведзеным хімічным рэчывам.

Існуюць таксама металлоподобные карбіду. Іх хутчэй можна разглядаць як сплавы металаў з вугляродам. Сярод такіх можна вылучыць, напрыклад, цэмент (карбід жалеза, формула якога бывае рознай, але ў сярэднім яна прыкладна такая: Fe ₃ C) або чыгун. Яны маюць хімічную актыўнасць, прамежкавую па сваёй ступені паміж іённымі і кавалентная карбіду.

Кожны з гэтых падвідаў абмяркоўваецца намі класа хімічных злучэнняў мае сваё практычнае прымяненне. Пра тое, як і дзе ўжываецца кожны з іх, мы пагаворым у наступным раздзеле.

Практычнае прымяненне карбідам

Як мы ўжо абмеркавалі, кавалентным карбіду маюць самы вялікі дыяпазон практычных ужыванняў. Гэта і абразіўныя і рэжучыя матэрыялы, і кампазіцыйныя матэрыялы, якія выкарыстоўваюцца ў розных галінах (напрыклад, у якасці аднаго з матэрыялаў, якія ўваходзяць у склад бронекамізэлькі), і аўтадэталі, і электронныя прыборы, і награвальныя элементы, і ядзерная энергетыка. І гэта далёка не поўны спіс ужыванняў гэтых сверхтвёрдых карбідам.

Самае вузкае ўжыванне маюць солеобразующие карбіду. Іх рэакцыю з вадой выкарыстоўваюць як лабараторны спосаб атрымання вуглевадародаў. Тое, як гэта адбываецца, мы ўжо разабралі вышэй.

Нароўні з кавалентная, металлоподобные карбіду маюць вельмі шырокае прымяненне ў прамысловасці. Як мы ўжо казалі, такім металлоподобным выглядам абмяркоўваюцца намі злучэнняў з'яўляюцца сталі, чыгуны і іншыя злучэння металаў з украпінамі вугляроду. Як правіла, метал, які знаходзіцца ў такіх рэчывах, ставіцца да класа d-металаў. Менавіта таму ён схільны ўтвараць ня кавалентным сувязі, а як бы ўкараняцца ў структуру металу.

На наш погляд, практычных ужыванняў ў вышэйпералічаных злучэнняў больш чым дастаткова. Цяпер зірнем на працэс іх атрымання.

атрыманне карбідам

Першыя два выгляду карбідам, якія мы разгледзелі, а менавіта кавалентным і солеобразных, атрымліваюць часцей за ўсё адным простым спосабам: рэакцыяй аксіду элемента і коксу пры высокай тэмпературы. Пры гэтым частка коксу, які складаецца з вугляроду, злучаецца з атамам элемента ў складзе аксіду, і ўтварае карбід. Іншая частка "забірае" кісларод і ўтварае угарны газ. Такі спосаб вельмі энергазатрат, так як патрабуе падтрымання высокай тэмпературы (парадку 1600-2500 градусаў) у зоне рэакцыі.

Для атрымання некаторых відаў злучэнняў выкарыстоўваюць альтэрнатыўныя рэакцыі. Напрыклад, разлажэнне злучэння, якое ў канчатковым выніку дае карбід. Формула рэакцыі залежыць ад пэўнага злучэння, таму абмяркоўваць яе мы не будзем.

Перш чым завяршыць нашу артыкул, абмяркуем некалькі цікавых карбідам і пагаворым пра іх падрабязней.

цікавыя злучэння

Карбід натрыю. Формула гэтага злучэння C ₂ Na _2. Гэта можна ўявіць хутчэй як ацетиленид (гэта значыць прадукт замяшчэння атамаў вадароду ў ацэтыленам на атамы натрыю), а не карбід. Хімічная формула цалкам не адлюстроўвае гэтых тонкасцяў, таму іх трэба шукаць у будынку. Гэта вельмі актыўнае рэчыва і пры любым кантакце з вадой вельмі актыўна ўзаемадзейнічае з ёй з адукацыяй ацэтылену і шчолачы.

Карбід магнію. Формула: MgC _2. Цікавыя спосабы атрымання гэтага дастаткова актыўнага злучэння. Адзін з іх мяркуе спяканне фтарыду магнію з карбідам кальцыя пры высокай тэмпературы. У выніку гэтага атрымліваюцца два прадукту: фтарыд кальцыя і патрэбны нам карбід. Формула гэтай рэакцыі досыць простая, і вы можаце пры жаданні азнаёміцца з ёй у спецыялізаванай літаратуры.

Калі вы не ўпэўненыя ў карыснасці выкладзенага ў артыкуле матэрыялу, тады наступны падзел для вас.

Як гэта можа быць карысна ў жыцці?

Ну, па-першае, веданне хімічных злучэнняў ніколі не можа быць лішнім. Заўсёды лепш быць узброеным веданнем, чым застацца без яго. Па-другое, чым больш вы ведаеце пра існаванне пэўных злучэнняў, тым лепш разумееце механізм іх адукацыі і законы, якія дазваляюць ім існаваць.

Перад тым як перайсці да заканчэння, хацелася б даць некалькі рэкамендацый па вывучэнні гэтага матэрыялу.

Як гэта вывучаць?

Вельмі проста. Гэта ж усяго толькі раздзел хіміі. І вывучаць яго варта па падручніках хіміі. Пачніце са школьных звестак і пераходзіце да больш паглыбленым, з універсітэцкіх падручнікаў і даведнікаў.

заключэнне

Гэтая тэма не такая простая і сумная, як здаецца на першы погляд. Хімія заўсёды можа стаць цікавай, калі вы знойдзеце ў ёй сваю мэту.