Många olika kemiska föreningar är kända i världen: ungefär hundratals miljoner. Och alla är, liksom människor, individuella. Det är omöjligt att hitta två ämnen som skulle ha samma kemiska och fysikaliska egenskaper med olika sammansättning.
En av de mest intressanta oorganiska ämnena som finns i världen är karbider. I den här artikeln kommer vi att diskutera deras struktur, fysikaliska och kemiska egenskaper, tillämpningar och analysera krångligheterna i deras produktion. Men först lite om upptäcktens historia.
Historia
Metalkarbider, vars formler vi kommer att ge nedan, är inte naturliga föreningar. Detta beror på det faktum att deras molekyler tenderar att sönderfalla när de interagerar med vatten. Därför är det värt att prata om de första försöken att syntetisera karbider här.
Från 1849 finns det referenser till syntesen av kiselkarbid, men några av dessa försök förblir okända. Storskalig produktion påbörjades 1893 av den amerikanske kemisten Edward Acheson i en process som senare uppkallades efter honom.
Historien kring syntesen av kalciumkarbid skiljer sig inte heller åt i en stor mängd information. 1862 fick den tyske kemisten Friedrich Wöhler det genom att värma legerat zink och kalcium med kol.
Låt oss nu gå vidare till mer intressanta avsnitt: kemiska ochfysikaliska egenskaper. Det är trots allt i dem som hela essensen av användningen av denna klass av ämnen ligger.
Fysiska egenskaper
Absolut alla karbider kännetecknas av sin hårdhet. Till exempel är ett av de hårdaste ämnena på Mohs-skalan volframkarbid (9 av 10 möjliga poäng). Dessutom är dessa ämnen mycket eldfasta: smältpunkten för vissa av dem når två tusen grader.
De flesta karbider är kemiskt inerta och interagerar med en liten mängd ämnen. De är olösliga i några lösningsmedel. Upplösning kan dock betraktas som interaktion med vatten med förstörelse av bindningar och bildning av metallhydroxid och kolväte.
Vi kommer att prata om den sista reaktionen och många andra intressanta kemiska omvandlingar som involverar karbider i nästa avsnitt.
Kemiska egenskaper
Nästan alla karbider interagerar med vatten. Vissa - enkelt och utan uppvärmning (till exempel kalciumkarbid), och vissa (till exempel kiselkarbid) - genom att värma vattenånga till 1800 grader. Reaktiviteten i detta fall beror på typen av bindning i föreningen, vilket vi kommer att diskutera senare. I reaktionen med vatten bildas olika kolväten. Detta beror på att vätet som finns i vattnet kombineras med kolet i karbiden. Det är möjligt att förstå vilket kolväte som kommer att visa sig (och både mättade och omättade föreningar kan visa sig) baserat på valensen av kolet som finns i det ursprungliga ämnet. Till exempel, om uvi har kalciumkarbid, vars formel är CaC2, vi ser att den innehåller jonen C22-. Detta innebär att två vätejoner med en +-laddning kan fästas till den. Således får vi föreningen C2H2 - acetylen. På samma sätt, från en förening som aluminiumkarbid, vars formel är Al4C3, får vi CH 4. Varför inte C3H12, undrar du? När allt kommer omkring har jonen en laddning på 12-. Faktum är att det maximala antalet väteatomer bestäms av formeln 2n + 2, där n är antalet kolatomer. Det betyder att endast en förening med formeln C3H8 (propan) kan existera, och att jon med en laddning på 12- sönderfaller till tre joner med laddningen 4-, som ger metanmolekyler när de kombineras med protoner.
Oxidationsreaktioner av karbider är intressanta. De kan uppstå både när de utsätts för starka blandningar av oxidationsmedel, och vid vanlig förbränning i syreatmosfär. Om allt är klart med syre: två oxider erhålls, med andra oxidationsmedel är det mer intressant. Allt beror på typen av metall som är en del av karbiden, såväl som på oxidationsmedlets natur. Till exempel bildar kiselkarbid, vars formel är SiC, när den interagerar med en blandning av salpeter- och fluorvätesyror, hexafluorkiselsyra med frisättning av koldioxid. Och när vi utför samma reaktion, men med bara salpetersyra, får vi kiseloxid och koldioxid. Halogener och kalkogener kan också kallas oxidationsmedel. Alla karbider interagerar med dem, reaktionsformeln beror bara på dess struktur.
Metalkarbider, vars formler vi har övervägt, är långt ifrån de enda representanterna för denna klass av föreningar. Nu ska vi titta närmare på var och en av de industriellt viktiga föreningarna i denna klass och sedan prata om deras tillämpning i våra liv.
Vad är karbider?
Det visar sig att karbid, vars formel, säg, CaC2, skiljer sig markant i struktur från SiC. Och skillnaden ligger främst i typen av bindning mellan atomer. I det första fallet har vi att göra med s altliknande karbid. Denna klass av föreningar kallas så för att den faktiskt beter sig som ett s alt, det vill säga att den kan dissociera till joner. En sådan jonbindning är mycket svag, vilket gör det enkelt att utföra hydrolysreaktionen och många andra transformationer, inklusive interaktioner mellan joner.
En annan, kanske mer industriellt viktig, typ av karbid är den kovalenta karbiden, som SiC eller WC. De kännetecknas av hög densitet och styrka. Även eldfast och inerta för att späda ut kemikalier.
Det finns också metallliknande karbider. De kan snarare betraktas som legeringar av metaller med kol. Bland dessa kan man urskilja till exempel cementit (järnkarbid, vars formel varierar, men i genomsnitt är det ungefär följande: Fe3C) eller gjutjärn. De har en kemisk aktivitet mellan joniska och kovalenta karbider.
Var och en av dessa underarter av den klass av kemiska föreningar vi diskuterar har sin egen praktiska tillämpning. Hur och var man ansökervar och en kommer vi att prata om i nästa avsnitt.
Praktisk applicering av karbider
Som vi redan har diskuterat har kovalenta karbider det bredaste utbudet av praktiska tillämpningar. Dessa är slipande och skärande material, och kompositmaterial som används inom olika områden (till exempel som ett av de material som utgör pansar), och bildelar, och elektroniska enheter, och värmeelement och kärnenergi. Och det här är inte en komplett lista över applikationer för dessa superhårda karbider.
S altbildande karbider har den smalaste applikationen. Deras reaktion med vatten används som en laboratoriemetod för framställning av kolväten. Vi har redan diskuterat hur detta händer ovan.
Tillsammans med kovalenta har metallliknande karbider den bredaste användningen inom industrin. Som vi redan har sagt är en sådan metallliknande typ av föreningarna vi diskuterar stål, gjutjärn och andra metallföreningar varvat med kol. Som regel tillhör metallen som finns i sådana ämnen klassen d-metaller. Det är därför den är benägen att inte bilda kovalenta bindningar, utan så att säga att införas i metallens struktur.
Enligt vår åsikt har ovanstående föreningar mer än tillräckligt med praktiska tillämpningar. Låt oss nu ta en titt på processen för att skaffa dem.
Tillverkning av karbider
De två första typerna av karbider som vi undersökte, nämligen kovalenta och s altliknande, erhålls oftast på ett enkelt sätt: genom reaktion mellan grundämnets oxid och koks vid hög temperatur. Samtidigt, delkoks, som består av kol, kombineras med en atom av ett grundämne i sammansättningen av oxiden och bildar en karbid. Den andra delen "tar" syre och bildar kolmonoxid. Denna metod är mycket energikrävande, eftersom den kräver att man håller en hög temperatur (cirka 1600-2500 grader) i reaktionszonen.
Alternativa reaktioner används för att erhålla vissa typer av föreningar. Till exempel nedbrytningen av en förening, som i slutändan ger en karbid. Reaktionsformeln beror på den specifika föreningen, så vi kommer inte att diskutera den.
Innan vi avslutar vår artikel, låt oss diskutera några intressanta karbider och prata mer om dem.
Intressanta kontakter
Natriumkarbid. Formeln för denna förening är C2Na2. Detta kan ses mer som en acetylenid (d.v.s. produkten av ersättningen av väteatomer i acetylen med natriumatomer), snarare än en karbid. Den kemiska formeln återspeglar inte helt dessa subtiliteter, så de måste sökas i strukturen. Detta är ett mycket aktivt ämne och i all kontakt med vatten interagerar det mycket aktivt med det med bildning av acetylen och alkali.
Magnesiumkarbid. Formel: MgC2. Metoder för att erhålla denna tillräckligt aktiva förening är av intresse. En av dem involverar sintring av magnesiumfluorid med kalciumkarbid vid hög temperatur. Som ett resultat av detta erhålls två produkter: kalciumfluorid och karbiden vi behöver. Formeln för denna reaktion är ganska enkel, och du kan läsa den i den specialiserade litteraturen om du vill.
Om du inte är säker på användbarheten av materialet som presenteras i artikeln, då följandeavsnitt för dig.
Hur kan detta vara användbart i livet?
Tja, först och främst kan kunskap om kemiska föreningar aldrig vara överflödig. Det är alltid bättre att vara beväpnad med kunskap än att lämnas utan den. För det andra, ju mer du vet om förekomsten av vissa föreningar, desto bättre förstår du mekanismen för deras bildande och de lagar som tillåter dem att existera.
Innan jag går vidare till slutet vill jag ge några rekommendationer för att studera detta material.
Hur studerar man det?
Mycket enkelt. Det är bara en gren av kemin. Och det bör studeras i läroböcker i kemi. Börja med skolinformation och gå vidare till mer djupgående information från universitetets läroböcker och referensböcker.
Slutsats
Det här ämnet är inte så enkelt och tråkigt som det verkar vid första anblicken. Kemi kan alltid vara intressant om du hittar ditt syfte med den.
