На світлі відомо дуже багато різних хімічнихз'єднань: близько сотні мільйонів. І всі вони, як люди, індивідуальні. Не можна знайти два речовини, у яких збігалися б хімічні і фізичні властивості при різному складі.
Одними з найцікавіших неорганічних речовин,існуючих на білому світі, є карбіди. У даній статті ми обговоримо їх будова, фізичні та хімічні властивості, застосування і розберемо тонкощі їх отримання. Але для початку трохи про історію відкриття.
Карбіди металів, формули яких ми наведемонижче, 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 синтезкарбіду кремнію, проте деякі з цих спроб залишаються невизнаними. Великомасштабне виробництво почав в 1893 році американський хімік Едвард Ачесон за способом, який був потім названий його ім'ям.
Історія синтезу карбіду кальцію також не відрізняється великою кількістю відомостей. У 1862 році його отримав німецький хімік Фрідріх Велер, нагріваючи сплавлений цинк і кальцій з вугіллям.
Тепер перейдемо до більш цікавим розділах: хімічним і фізичним властивостям. Адже саме в них міститься вся суть застосування даного класу речовин.
Абсолютно все карбіди відрізняються своєю твердістю. Наприклад, одним з найбільш 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 івзаємодіють з невеликою кількістю речовин. Вони не розчиняються ні в яких розчинниках. Однак розчиненням можна вважати взаємодію з водою з руйнуванням зв'язків і утворенням гідроксиду металу і вуглеводню.
Про останню реакції і багатьох інших цікавих хімічних перетвореннях за участю карбідів ми поговоримо в наступному розділі.
Майже всі карбіди взаємодіють з водою. Якісь - легко і без нагрівання (наприклад, карбід кальцію), а якісь (наприклад, карбід кремнію) - при нагріванні водяної пари до 1800 градусів. Реакційна здатність при цьому залежить від характеру зв'язку в з'єднанні, 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 граничне, так і неграничне з'єднання), можна, виходячи з валентності міститься у вихідному речовині вуглецю. Наприклад, якщо у нас є карбід кальцію, формула якого CaC2, Ми бачимо, що він містить іон C22-. Значить, до нього можна приєднати два іона водню з зарядом +. Таким чином, отримуємо з'єднання C2Х2 - ацетилен. Таким же чином з такого з'єднання, як карбід алюмінію, формула якого Al4З3, Отримуємо CH4. Чому не C3Х12, Запитаєте ви? Адже іон має заряд 12-. Справа в тому, що максимальна кількість атомів водню визначається формулою 2n + 2, де n - кількість атомів вуглецю. Значить, може існувати тільки сполука з формулою C3Х8 (Пропан), а той іон із зарядом 12- розпадається на три іона із зарядом 4, які і дають при з'єднанні з протонами молекули метану.
Цікавими видаються реакції окисленнякарбідів. Вони можуть відбуватися як при впливі сильних сумішей окислювачів, так і при звичайному горінні в атмосфері кисню. Якщо з киснем все зрозуміло: виходять два окісда, то з іншими окислювачами цікавіше. Все залежить від природи металу, що входить до складу карбіду, а також від природи окислювача. Наприклад, карбід кремнію, формула якого SiC, при взаємодії з сумішшю азотної і плавикової кислот утворює гексафторкремніевую 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 халькогена. 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 докладніше розглянемо кожне промислово важлива сполука цього класу і потім поговоримо про їх застосування в нашому житті.
Виявляється, карбід, формула якого, скажімо, CaC2, істотно відрізняється за будовою від SiC. І відмінність це перш за все в характері зв'язку між атомами. У першому випадку ми маємо справу з солеобразний карбідом. Названо цей клас сполук так тому, що поводиться фактично як сіль, тобто здатний диссоциировать на іони. Така іонна зв'язок дуже слабка, що і дозволяє легко проводити реакцію гідролізу і багато інших перетворення, що включають взаємодії між іонами.
Іншим, мабуть, більш промислово важливим видомкарбідів є ковалентні карбіди: такі як, наприклад, SiC або WC. Вони відрізняються високою щільністю і міцністю. А також тугоплавкі і інертні до розведеним хімічним речовинам.
Існують також металлоподобниє карбіди. Їх швидше 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: Fe3C) або чавун. Вони мають хімічну активність, проміжну по своїй мірі між іонними і ковалентними карбидами.
Кожен з цих підвидів обговорюваного нами класу хімічних сполук має своє практичне застосування. Про те, як і де застосовується кожен з них, ми поговоримо в наступному розділі.
Як ми вже обговорили, ковалентні карбіди маютьнайбільший діапазон практичних застосувань. Це і абразивні і ріжучі матеріали, і композиційні матеріали, використовувані 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.
Найвужче застосування мають солеобразующіе карбіди. Їх реакцію з водою використовують як лабораторний спосіб отримання вуглеводнів. Те, як це відбувається, ми вже розібрали вище.
Нарівні з ковалентними, металлоподобниє карбідимають найширше застосування в промисловості. Як ми вже говорили, таким металоподібними видом обговорюваних нами з'єднань є стали, чавуни і інші сполуки металів з вкрапленнями вуглецю. Як правило, метал, що знаходиться в таких речовинах, відноситься до класу d-металів. Саме тому він схильний утворювати НЕ ковалентні зв'язки, а як би впроваджуватися в структуру металу.
На наш погляд, практичних застосувань у перерахованих вище сполук більш ніж достатньо. Тепер поглянемо на процес їх отримання.
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 енерговитрат, так як вимагає підтримки високої температури (близько 1600-2500 градусів) в зоні реакції.
Для отримання деяких видів з'єднаньвикористовують альтернативні реакції. Наприклад, розкладання сполуки, яке в кінцевому підсумку 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.
Карбід натрію. Формула цього з'єднання C2на2. Це можна уявити швидше як ацетіленід (тоє 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 лугу.
Карбід магнію. Формула: MgC2. Цікаві способи отримання цього достатньоактивного з'єднання. Один з них передбачає спікання фториду магнію з карбідом кальцію при високій температурі. В результаті цього виходять 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.
Ну, по-перше, знання хімічних сполукніколи 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 і закони, які дозволяють їм існувати.
Перед тим як перейти до закінчення, хотілося б дати кілька рекомендацій з вивчення цього матеріалу.
Дуже просто. Адже це всього лише розділ хімії. І вивчати його слід за підручниками хімії. Почніть зі шкільних відомостей і переходите до більш поглибленим, з університетських підручників і довідників.
Ця тема не така проста і нудна, як здається на перший погляд. Хімія завжди може стати цікавою, якщо ви знайдете в ній свою мету.
