Mange forskjellige kjemiske forbindelser er kjent i verden: rundt hundrevis av millioner. Og alle av dem, som mennesker, er individuelle. Det er umulig å finne to stoffer som vil ha de samme kjemiske og fysiske egenskapene med ulik sammensetning.
Et av de mest interessante uorganiske stoffene som finnes i verden er karbider. I denne artikkelen vil vi diskutere deres struktur, fysiske og kjemiske egenskaper, applikasjoner og analysere vanskelighetene ved produksjonen. Men først, litt om historien til funnet.
Historie
Metallkarbider, hvis formler vi vil gi nedenfor, er ikke naturlige forbindelser. Dette skyldes det faktum at molekylene deres har en tendens til å dekomponere når de samhandler med vann. Derfor er det verdt å snakke om de første forsøkene på å syntetisere karbider her.
Fra 1849 er det referanser til syntesen av silisiumkarbid, men noen av disse forsøkene er fortsatt ukjente. Storskala produksjon startet i 1893 av den amerikanske kjemikeren Edward Acheson i en prosess som senere ble oppk alt etter ham.
Historien om syntesen av kalsiumkarbid skiller seg heller ikke ut i store mengder informasjon. I 1862 fikk den tyske kjemikeren Friedrich Wöhler det ved å varme legert sink og kalsium med kull.
La oss nå gå videre til mer interessante seksjoner: kjemisk ogfysiske egenskaper. Tross alt er det i dem hele essensen av bruken av denne klassen av stoffer ligger.
Fysiske egenskaper
Absolutt alle karbider utmerker seg ved deres hardhet. For eksempel er et av de hardeste stoffene på Mohs-skalaen wolframkarbid (9 av 10 mulige poeng). I tillegg er disse stoffene svært ildfaste: smeltepunktet for noen av dem når to tusen grader.
De fleste karbider er kjemisk inerte og interagerer med en liten mengde stoffer. De er uløselige i noen løsemidler. Imidlertid kan oppløsning betraktes som interaksjon med vann med ødeleggelse av bindinger og dannelse av metallhydroksid og hydrokarbon.
Vi vil snakke om den siste reaksjonen og mange andre interessante kjemiske transformasjoner som involverer karbider i neste avsnitt.
Kjemiske egenskaper
Nesten alle karbider samhandler med vann. Noen - enkelt og uten oppvarming (for eksempel kalsiumkarbid), og noen (for eksempel silisiumkarbid) - ved å varme opp vanndamp til 1800 grader. Reaktiviteten i dette tilfellet avhenger av arten av bindingen i forbindelsen, som vi vil diskutere senere. I reaksjonen med vann dannes ulike hydrokarboner. Dette skjer fordi hydrogenet i vannet kombineres med karbonet i karbidet. Det er mulig å forstå hvilket hydrokarbon som vil vise seg (og både mettede og umettede forbindelser kan vise seg) basert på valensen til karbonet i det opprinnelige stoffet. For eksempel, hvis uvi har kalsiumkarbid, hvis formel er CaC2, vi ser at det inneholder ionet C22-. Dette betyr at to hydrogenioner med en + ladning kan festes til den. Dermed får vi forbindelsen C2H2 - acetylen. På samme måte, fra en forbindelse som aluminiumkarbid, hvis formel er Al4C3, får vi CH 4. Hvorfor ikke C3H12, spør du? Tross alt har ionet en ladning på 12-. Faktum er at det maksimale antallet hydrogenatomer bestemmes av formelen 2n + 2, hvor n er antall karbonatomer. Dette betyr at bare en forbindelse med formelen C3H8 (propan) kan eksistere, og at ionet med en ladning på 12- henfaller til tre ioner med en ladning på 4-, som gir metanmolekyler når de kombineres med protoner.
Oksidasjonsreaksjoner av karbider er interessante. De kan oppstå både når de utsettes for sterke blandinger av oksidasjonsmidler, og ved vanlig forbrenning i oksygenatmosfære. Hvis alt er klart med oksygen: to oksider oppnås, så med andre oksidasjonsmidler er det mer interessant. Alt avhenger av arten av metallet som er en del av karbidet, så vel som av oksidasjonsmidlets natur. For eksempel danner silisiumkarbid, hvis formel er SiC, når det interagerer med en blanding av salpetersyre og flussyre, heksafluorkiselsyre med frigjøring av karbondioksid. Og når vi utfører samme reaksjon, men med bare salpetersyre, får vi silisiumoksid og karbondioksid. Halogener og kalkogener kan også refereres til som oksidasjonsmidler. Ethvert karbid interagerer med dem, reaksjonsformelen avhenger bare av strukturen.
Metalkarbider, hvis formler vi har vurdert, er langt fra de eneste representantene for denne klassen av forbindelser. Nå skal vi se nærmere på hver av de industrielt viktige forbindelsene i denne klassen og deretter snakke om deres anvendelse i livene våre.
Hva er karbider?
Det viser seg at karbid, hvis formel for eksempel CaC2, skiller seg vesentlig fra SiC i struktur. Og forskjellen ligger først og fremst i arten av bindingen mellom atomer. I det første tilfellet har vi å gjøre med s altlignende karbid. Denne klassen av forbindelser er navngitt slik fordi den faktisk oppfører seg som et s alt, det vil si at den er i stand til å dissosiere til ioner. En slik ionisk binding er svært svak, noe som gjør det enkelt å utføre hydrolysereaksjonen og mange andre transformasjoner, inkludert interaksjoner mellom ioner.
En annen, kanskje mer industrielt viktig, karbidtype er kovalent karbid, som SiC eller WC. De er preget av høy tetthet og styrke. Også ildfast og inert for å fortynne kjemikalier.
Det finnes også metalllignende karbider. De kan heller betraktes som legeringer av metaller med karbon. Blant disse kan man skille for eksempel sementitt (jernkarbid, hvis formel varierer, men i gjennomsnitt er det omtrent følgende: Fe3C) eller støpejern. De har en kjemisk aktivitet mellom i grad mellom ioniske og kovalente karbider.
Hver av disse underartene av klassen av kjemiske forbindelser vi diskuterer har sin egen praktiske anvendelse. Hvordan og hvor du skal søkehver av dem skal vi snakke om i neste avsnitt.
Praktisk påføring av karbider
Som vi allerede har diskutert, har kovalente karbider det bredeste spekteret av praktiske bruksområder. Dette er slipende og skjærende materialer, og komposittmaterialer som brukes på ulike felt (for eksempel som et av materialene som utgjør kroppsrustning), og bildeler, og elektroniske enheter, og varmeelementer, og kjernekraft. Og dette er ikke en fullstendig liste over bruksområder for disse superharde karbidene.
S altdannende karbider har den smaleste anvendelsen. Deres reaksjon med vann brukes som en laboratoriemetode for å produsere hydrokarboner. Vi har allerede diskutert hvordan dette skjer ovenfor.
Sammen med kovalente har metalllignende karbider den bredeste anvendelsen i industrien. Som vi allerede har sagt, er en slik metalllignende type av forbindelsene vi diskuterer stål, støpejern og andre metallforbindelser ispedd karbon. Som regel tilhører metallet som finnes i slike stoffer klassen d-metaller. Det er derfor den er tilbøyelig til ikke å danne kovalente bindinger, men så å si å bli innført i metallets struktur.
Etter vår mening har de ovennevnte forbindelsene mer enn nok praktiske anvendelser. La oss nå ta en titt på prosessen med å skaffe dem.
Produksjon av karbider
De to første karbidtypene som vi undersøkte, nemlig kovalente og s altlignende, oppnås oftest på én enkel måte: ved reaksjon av grunnstoffets oksid og koks ved høy temperatur. Samtidig delkoks, bestående av karbon, kombineres med et atom av et grunnstoff i sammensetningen av oksidet, og danner et karbid. Den andre delen «tar» oksygen og danner karbonmonoksid. Denne metoden er svært energikrevende, da den krever å opprettholde en høy temperatur (ca. 1600-2500 grader) i reaksjonssonen.
Alternative reaksjoner brukes for å oppnå visse typer forbindelser. For eksempel dekomponering av en forbindelse, som til slutt gir et karbid. Reaksjonsformelen avhenger av den spesifikke forbindelsen, så vi vil ikke diskutere den.
Før vi avslutter artikkelen vår, la oss diskutere noen interessante karbider og snakke mer om dem.
Interessante forbindelser
Natriumkarbid. Formelen for denne forbindelsen er C2Na2. Dette kan betraktes mer som et acetylenid (dvs. produktet av erstatning av hydrogenatomer i acetylen med natriumatomer), i stedet for et karbid. Den kjemiske formelen reflekterer ikke fullt ut disse finessene, så de må søkes i strukturen. Dette er et veldig aktivt stoff, og i all kontakt med vann interagerer det veldig aktivt med det med dannelse av acetylen og alkali.
Magnesiumkarbid. Formel: MgC2. Metoder for å oppnå denne tilstrekkelig aktive forbindelsen er av interesse. En av dem involverer sintring av magnesiumfluorid med kalsiumkarbid ved høy temperatur. Som et resultat av dette oppnås to produkter: kalsiumfluorid og karbiden vi trenger. Formelen for denne reaksjonen er ganske enkel, og du kan lese den i faglitteraturen hvis du ønsker det.
Hvis du ikke er sikker på nytten av materialet som presenteres i artikkelen, så det følgendedelen for deg.
Hvordan kan dette være nyttig i livet?
Vel, for det første kan kunnskap om kjemiske forbindelser aldri være overflødig. Det er alltid bedre å være bevæpnet med kunnskap enn å stå uten den. For det andre, jo mer du vet om eksistensen av visse forbindelser, jo bedre forstår du mekanismen for deres dannelse og lovene som tillater dem å eksistere.
Før jeg går videre til slutten, vil jeg gi noen anbefalinger for studiet av dette materialet.
Hvordan studere det?
Veldig enkelt. Det er bare en gren av kjemi. Og det bør studeres i lærebøker i kjemi. Begynn med skoleinformasjon og gå videre til mer dyptgående informasjon fra universitetets lærebøker og oppslagsverk.
Konklusjon
Dette emnet er ikke så enkelt og kjedelig som det ser ut ved første øyekast. Kjemi kan alltid være interessant hvis du finner hensikten din med den.
