Pasaulyje žinoma daug įvairių cheminių junginių: apie šimtus milijonų. Ir visi jie, kaip ir žmonės, yra individualūs. Neįmanoma rasti dviejų skirtingų sudėties medžiagų, kurios turėtų tas pačias chemines ir fizines savybes.
Viena iš įdomiausių neorganinių medžiagų, egzistuojančių pasaulyje, yra karbidai. Šiame straipsnyje aptarsime jų struktūrą, fizines ir chemines savybes, pritaikymą ir analizuosime jų gamybos subtilybes. Bet pirmiausia šiek tiek apie atradimo istoriją.
Istorija
Metalų karbidai, kurių formules pateiksime žemiau, nėra natūralūs junginiai. Taip yra dėl to, kad sąveikaudamos su vandeniu jų molekulės linkusios irti. Todėl čia verta pakalbėti apie pirmuosius bandymus sintetinti karbidus.
Nuo 1849 m. yra nuorodų į silicio karbido sintezę, tačiau kai kurie iš šių bandymų lieka nepripažinti. Didelės apimties gamybą 1893 m. pradėjo amerikiečių chemikas Edwardas Achesonas, vėliau pavadintas jo vardu.
Kalcio karbido sintezės istorija taip pat nesiskiria dideliu informacijos kiekiu. 1862 m. vokiečių chemikas Friedrichas Wöhleris jį gavo kaitindamas legiruotą cinką ir kalcį su anglimi.
Dabar pereikime prie įdomesnių skyrių: chemijos irfizines savybes. Juk būtent juose slypi visa šios klasės medžiagų naudojimo esmė.
Fizikinės savybės
Absoliučiai visi karbidai išsiskiria savo kietumu. Pavyzdžiui, viena kiečiausių medžiagų pagal Moso skalę yra volframo karbidas (9 balai iš 10 galimų). Be to, šios medžiagos yra labai atsparios ugniai: kai kurių iš jų lydymosi temperatūra siekia du tūkstančius laipsnių.
Dauguma karbidų yra chemiškai inertiški ir sąveikauja su nedideliu kiekiu medžiagų. Jie netirpūs jokiuose tirpikliuose. Tačiau tirpimas gali būti laikomas sąveika su vandeniu, suardant jungtis ir susidaro metalo hidroksidas bei angliavandeniliai.
Apie paskutinę reakciją ir daugybę kitų įdomių cheminių virsmų, susijusių su karbidais, kalbėsime kitame skyriuje.
Cheminės savybės
Beveik visi karbidai sąveikauja su vandeniu. Vieni – lengvai ir nekaitinant (pavyzdžiui, kalcio karbidas), o kai kurie (pavyzdžiui, silicio karbidas) – kaitinant vandens garus iki 1800 laipsnių. Reaktyvumas šiuo atveju priklauso nuo junginio ryšio pobūdžio, kurį aptarsime vėliau. Reakcijoje su vandeniu susidaro įvairūs angliavandeniliai. Taip nutinka todėl, kad vandenyje esantis vandenilis susijungia su karbido anglimi. Galima suprasti, kuris angliavandenilis pasirodys (ir sotieji, ir nesotieji junginiai gali pasirodyti), remiantis pradinėje medžiagoje esančios anglies valentiškumu. Pavyzdžiui, jei uturime kalcio karbido, kurio formulė yra CaC2, matome, kad jame yra jonas C22-. Tai reiškia, kad prie jo gali būti prijungti du vandenilio jonai su + krūviu. Taigi gauname junginį C2H2 - acetilenas. Tokiu pat būdu iš junginio, pavyzdžiui, aliuminio karbido, kurio formulė yra Al4C3, gauname CH 4. Kodėl gi ne C3H12, klausiate? Juk jonas turi 12-į krūvį. Faktas yra tas, kad didžiausias vandenilio atomų skaičius nustatomas pagal formulę 2n + 2, kur n yra anglies atomų skaičius. Tai reiškia, kad gali egzistuoti tik junginys, kurio formulė C3H8 (propanas), ir tas jonas, kurio krūvis yra 12-, skyla į tris jonai, kurių krūvis yra 4-, kurie kartu su protonais sudaro metano molekules.
Karbidų oksidacijos reakcijos yra įdomios. Jie gali atsirasti tiek veikiami stiprių oksiduojančių medžiagų mišinių, tiek įprasto degimo metu deguonies atmosferoje. Jei su deguonimi viskas aišku: gaunami du oksidai, tai su kitomis oksiduojančiomis medžiagomis įdomiau. Viskas priklauso nuo metalo, kuris yra karbido dalis, pobūdžio, taip pat nuo oksiduojančios medžiagos pobūdžio. Pavyzdžiui, silicio karbidas, kurio formulė yra SiC, sąveikaudamas su azoto ir vandenilio fluorido rūgščių mišiniu, sudaro heksafluorsilicio rūgštį, išskirdamas anglies dioksidą. Ir vykdydami tą pačią reakciją, bet tik su azoto rūgštimi, gauname silicio oksidą ir anglies dioksidą. Halogenai ir chalkogenai taip pat gali būti vadinami oksidatoriais. Bet koks karbidas sąveikauja su jais, reakcijos formulė priklauso tik nuo jo struktūros.
Metalo karbidai, kurių formules mes svarstėme, toli gražu nėra vieninteliai šios junginių klasės atstovai. Dabar atidžiau pažvelgsime į kiekvieną pramoniniu požiūriu svarbų šios klasės junginią ir tada pakalbėsime apie jų pritaikymą mūsų gyvenime.
Kas yra karbidai?
Paaiškėjo, kad karbidas, kurio formulė, tarkime, CaC2, struktūra labai skiriasi nuo SiC. Ir skirtumas visų pirma yra ryšio tarp atomų pobūdis. Pirmuoju atveju turime reikalą su į druską panašiu karbidu. Ši junginių klasė pavadinta taip, nes iš tikrųjų elgiasi kaip druska, tai yra, gali išsiskirti į jonus. Toks joninis ryšys yra labai silpnas, todėl lengva atlikti hidrolizės reakciją ir daugelį kitų virsmų, įskaitant jonų sąveiką.
Kitas, galbūt pramoniniu požiūriu svarbesnis karbido tipas yra kovalentinis karbidas, pvz., SiC arba WC. Jie pasižymi dideliu tankiu ir tvirtumu. Taip pat ugniai atsparus ir inertiškas skiesti cheminėms medžiagoms.
Yra ir į metalą panašių karbidų. Juos greičiau galima laikyti metalų ir anglies lydiniais. Tarp jų galima išskirti, pavyzdžiui, cementitą (geležies karbidą, kurio formulė skiriasi, bet vidutiniškai jis yra maždaug toks: Fe3C) arba ketaus. Jų cheminis aktyvumas yra tarpinis tarp joninių ir kovalentinių karbidų.
Kiekvienas iš šių cheminių junginių klasės porūšių, apie kurias kalbame, turi savo praktinį pritaikymą. Kaip ir kur kreiptisapie kiekvieną pakalbėsime kitame skyriuje.
Praktinis karbidų panaudojimas
Kaip jau aptarėme, kovalentiniai karbidai turi plačiausią praktinio pritaikymo spektrą. Tai abrazyvinės ir pjovimo medžiagos, įvairiose srityse naudojamos kompozicinės medžiagos (pavyzdžiui, kaip viena iš medžiagų, sudarančių šarvus), ir automobilių dalys, ir elektroniniai prietaisai, ir šildymo elementai, ir branduolinė energija. Ir tai nėra visas šių itin kietų karbidų pritaikymo sąrašas.
Druską formuojantys karbidai turi siauriausią pritaikymą. Jų reakcija su vandeniu naudojama kaip laboratorinis angliavandenilių gamybos metodas. Kaip tai vyksta, jau aptarėme aukščiau.
Kartu su kovalentiniais, į metalus panašūs karbidai yra plačiausiai naudojami pramonėje. Kaip jau minėjome, toks į metalą panašus junginių tipas, apie kurį kalbame, yra plienas, ketus ir kiti metalų junginiai, sumaišyti su anglimi. Paprastai tokiose medžiagose esantis metalas priklauso d-metalų klasei. Štai kodėl jis linkęs formuoti ne kovalentinius ryšius, o tarsi būti įtrauktas į metalo struktūrą.
Mūsų nuomone, pirmiau minėti junginiai turi daugiau nei pakankamai praktinio pritaikymo. Dabar pažvelkime į jų gavimo procesą.
Karbidų gamyba
Pirmieji du karbidų tipai, kuriuos mes ištyrėme, būtent kovalentiniai ir panašūs į druską, dažniausiai gaunami vienu paprastu būdu: elemento oksidui ir koksui reaguojant aukštoje temperatūroje. Tuo pačiu metu daliskoksas, sudarytas iš anglies, susijungia su oksido sudėtyje esančio elemento atomu ir sudaro karbidą. Kita dalis „paima“deguonį ir sudaro anglies monoksidą. Šis metodas reikalauja daug energijos, nes reakcijos zonoje reikia palaikyti aukštą temperatūrą (apie 1600–2500 laipsnių).
Tam tikrų tipų junginiams gauti naudojamos alternatyvios reakcijos. Pavyzdžiui, junginio skilimas, kuris galiausiai suteikia karbidą. Reakcijos formulė priklauso nuo konkretaus junginio, todėl mes apie tai nekalbėsime.
Prieš baigdami straipsnį, aptarkime keletą įdomių karbidų ir pakalbėkime apie juos išsamiau.
Įdomūs ryšiai
Natrio karbidas. Šio junginio formulė yra C2Na2. Tai gali būti labiau laikoma acetilenidu (ty acetileno vandenilio atomų pakeitimo natrio atomais produktas), o ne karbidu. Cheminė formulė nevisiškai atspindi šias subtilybes, todėl jų reikia ieškoti struktūroje. Tai labai aktyvi medžiaga ir bet kokiame sąlytyje su vandeniu ji labai aktyviai sąveikauja su ja sudarydama acetileną ir šarmą.
Manio karbidas. Formulė: MgC2. Įdomūs yra šio pakankamai aktyvaus junginio gavimo būdai. Vienas iš jų yra magnio fluorido sukepinimas su kalcio karbidu aukštoje temperatūroje. Dėl to gaunami du produktai: kalcio fluoridas ir mums reikalingas karbidas. Šios reakcijos formulė yra gana paprasta ir, jei norite, galite ją perskaityti specializuotoje literatūroje.
Jei nesate tikri dėl straipsnyje pateiktos medžiagos naudingumo, tadaskyrius jums.
Kaip tai gali būti naudinga gyvenime?
Na, visų pirma, žinios apie cheminius junginius niekada negali būti perteklinės. Visada geriau apsiginkluoti žiniomis, nei likti be jų. Antra, kuo daugiau žinote apie tam tikrų junginių egzistavimą, tuo geriau suprasite jų susidarymo mechanizmą ir dėsnius, leidžiančius jiems egzistuoti.
Prieš pereinant prie pabaigos, norėčiau pateikti keletą rekomendacijų dėl šios medžiagos studijavimo.
Kaip tai mokytis?
Labai paprasta. Tai tik chemijos šaka. Ir chemijos vadovėliuose tai turėtų būti studijuojama. Pradėkite nuo mokyklos informacijos ir pereikite prie išsamesnės informacijos iš universitetų vadovėlių ir žinynų.
Išvada
Ši tema nėra tokia paprasta ir nuobodi, kaip atrodo iš pirmo žvilgsnio. Chemija visada gali būti įdomi, jei randi joje savo tikslą.
