В света са известни много различни химични съединения: около стотици милиони. И всички те, като хората, са индивидуални. Невъзможно е да се намерят две вещества, които да имат еднакви химични и физични свойства с различен състав.
Едни от най-интересните неорганични вещества, които съществуват в света, са карбидите. В тази статия ще обсъдим тяхната структура, физични и химични свойства, приложения и ще анализираме тънкостите на тяхното производство. Но първо, малко за историята на откритието.
История
Металните карбиди, чиито формули ще дадем по-долу, не са естествени съединения. Това се дължи на факта, че техните молекули са склонни да се разлагат при взаимодействие с вода. Ето защо си струва да говорим за първите опити за синтезиране на карбиди тук.
От 1849 г. има препратки към синтеза на силициев карбид, но някои от тези опити остават неразпознати. Мащабното производство започва през 1893 г. от американския химик Едуард Ачесън в процес, който по-късно е кръстен на него.
Историята на синтеза на калциев карбид също не се различава в голямо количество информация. През 1862 г. немският химик Фридрих Вьолер го получава чрез нагряване на легиран цинк и калций с въглища.
Сега нека преминем към по-интересни раздели: химически ифизични свойства. В крайна сметка именно в тях се крие цялата същност на използването на този клас вещества.
Физически свойства
Абсолютно всички карбиди се отличават със своята твърдост. Например, едно от най-твърдите вещества по скалата на Моос е волфрамовият карбид (9 от 10 възможни точки). Освен това тези вещества са много огнеупорни: точката на топене на някои от тях достига две хиляди градуса.
Повечето карбиди са химически инертни и взаимодействат с малко количество вещества. Те са неразтворими във всякакви разтворители. Въпреки това, разтварянето може да се счита за взаимодействие с вода с разрушаване на връзките и образуване на метален хидроксид и въглеводород.
Ще говорим за последната реакция и много други интересни химически трансформации, включващи карбиди в следващия раздел.
Химически свойства
Почти всички карбиди взаимодействат с вода. Някои - лесно и без нагряване (например калциев карбид), а някои (например силициев карбид) - чрез нагряване на водна пара до 1800 градуса. Реактивността в този случай зависи от естеството на връзката в съединението, което ще обсъдим по-късно. При реакцията с вода се образуват различни въглеводороди. Това се случва, защото водородът, съдържащ се във водата, се комбинира с въглерода в карбида. Възможно е да се разбере кой въглеводород ще се окаже (и могат да се получат както наситени, така и ненаситени съединения) въз основа на валентността на въглерода, съдържащ се в първоначалното вещество. Например, ако uимаме калциев карбид, чиято формула е CaC2, виждаме, че съдържа йона C22-. Това означава, че към него могат да бъдат прикрепени два водородни йона със заряд +. Така получаваме съединението C2H2 - ацетилен. По същия начин, от съединение като алуминиев карбид, чиято формула е Al4C3, получаваме CH 4. Защо не C3H12, питате? В крайна сметка, йонът има заряд от 12-. Факт е, че максималният брой водородни атоми се определя от формулата 2n + 2, където n е броят на въглеродните атоми. Това означава, че може да съществува само съединение с формула C3H8 (пропан) и този йон със заряд 12- се разпада на три йони със заряд 4-, които дават молекули на метан, когато се комбинират с протони.
Окислителните реакции на карбидите са интересни. Те могат да възникнат както при излагане на силни смеси от окислители, така и при обикновено изгаряне в кислородна атмосфера. Ако всичко е ясно с кислорода: получават се два оксида, тогава с други окислители е по-интересно. Всичко зависи от естеството на метала, който е част от карбида, както и от естеството на окислителя. Например, силициевият карбид, чиято формула е SiC, когато взаимодейства със смес от азотна и флуороводородна киселина, образува хексафлуоросилициева киселина с освобождаване на въглероден диоксид. И когато провеждаме същата реакция, но само с азотна киселина, получаваме силициев оксид и въглероден диоксид. Халогените и халкогените също могат да бъдат посочени като окислители. Всеки карбид взаимодейства с тях, формулата на реакцията зависи само от неговата структура.
Металните карбиди, чиито формули разгледахме, далеч не са единствените представители на този клас съединения. Сега ще разгледаме по-отблизо всяко от индустриално важните съединения от този клас и след това ще поговорим за тяхното приложение в живота ни.
Какво са карбидите?
Оказва се, че карбидът, чиято формула, да речем, CaC2, се различава значително по структура от SiC. И разликата е преди всичко в естеството на връзката между атомите. В първия случай имаме работа със солеподобен карбид. Този клас съединения е наречен така, защото всъщност се държи като сол, тоест е в състояние да се дисоциира на йони. Такава йонна връзка е много слаба, което улеснява провеждането на реакцията на хидролиза и много други трансформации, включително взаимодействия между йони.
Друг, може би по-важен от промишлеността, тип карбид е ковалентният карбид, като SiC или WC. Те се характеризират с висока плътност и здравина. Също огнеупорен и инертен за разреждане на химикали.
Има и металоподобни карбиди. Те по-скоро могат да се разглеждат като сплави на метали с въглерод. Сред тях може да се разграничи например циментит (железен карбид, чиято формула варира, но средно е приблизително следната: Fe3C) или чугун. Те имат химическа активност, междинна по степен между йонни и ковалентни карбиди.
Всеки от тези подвидове от класа химични съединения, които обсъждаме, има свое практическо приложение. Как и къде да кандидатстватеза всеки един, ще говорим за следващия раздел.
Практическо приложение на карбиди
Както вече обсъдихме, ковалентните карбиди имат най-широк спектър от практически приложения. Това са абразивни и режещи материали и композитни материали, използвани в различни области (например като един от материалите, които изграждат бронежилетки), и авточасти, и електронни устройства, и нагревателни елементи, и ядрена енергия. И това не е пълен списък с приложения за тези свръхтвърди карбиди.
Солобразуващите карбиди имат най-тясно приложение. Тяхната реакция с вода се използва като лабораторен метод за производство на въглеводороди. Вече обсъдихме как става това по-горе.
Наред с ковалентните, металоподобните карбиди имат най-широко приложение в индустрията. Както вече казахме, подобен металоподобен тип съединения, които обсъждаме, са стомани, чугун и други метални съединения, разпръснати с въглерод. По правило металът, открит в такива вещества, принадлежи към класа d-метали. Ето защо той е склонен да образува не ковалентни връзки, а сякаш да бъде въведен в структурата на метала.
Според нас горните съединения имат повече от достатъчно практически приложения. Сега нека да разгледаме процеса на получаването им.
Производство на карбиди
Първите два типа карбиди, които изследвахме, а именно ковалентни и соленоподобни, най-често се получават по един прост начин: чрез реакцията на оксида на елемента и кокса при висока температура. В същото време, часткоксът, състоящ се от въглерод, се свързва с атом на елемент в състава на оксида и образува карбид. Другата част "поема" кислород и образува въглероден окис. Този метод е много енергоемък, тъй като изисква поддържане на висока температура (около 1600-2500 градуса) в зоната на реакция.
Алтернативни реакции се използват за получаване на определени видове съединения. Например, разлагането на съединение, което в крайна сметка дава карбид. Реакционната формула зависи от конкретното съединение, така че няма да я обсъждаме.
Преди да приключим нашата статия, нека обсъдим някои интересни карбиди и да поговорим за тях по-подробно.
Интересни връзки
Натриев карбид. Формулата за това съединение е C2Na2. Това може да се разглежда повече като ацетиленид (т.е. продукт от заместването на водородните атоми в ацетилена с натриеви атоми), а не като карбид. Химическата формула не отразява напълно тези тънкости, така че те трябва да се търсят в структурата. Това е много активно вещество и при всеки контакт с вода много активно взаимодейства с него с образуването на ацетилен и алкали.
Манезиев карбид. Формула: MgC2. Интерес представляват методите за получаване на това достатъчно активно съединение. Един от тях включва синтероване на магнезиев флуорид с калциев карбид при висока температура. В резултат на това се получават два продукта: калциев флуорид и необходимият ни карбид. Формулата за тази реакция е доста проста и можете да я прочетете в специализираната литература, ако желаете.
Ако не сте сигурни в полезността на материала, представен в статията, тогава следнотораздел за вас.
Как може това да бъде полезно в живота?
Е, първо, познаването на химичните съединения никога не може да бъде излишно. Винаги е по-добре да си въоръжен със знание, отколкото да останеш без него. Второ, колкото повече знаете за съществуването на определени съединения, толкова по-добре разбирате механизма на тяхното образуване и законите, които им позволяват да съществуват.
Преди да преминем към края, бих искал да дам няколко препоръки за изучаването на този материал.
Как да го изучавам?
Много просто. Това е просто клон на химията. И трябва да се изучава в учебниците по химия. Започнете с училищна информация и преминете към по-задълбочена информация от университетски учебници и справочници.
Заключение
Тази тема не е толкова проста и скучна, колкото изглежда на пръв поглед. Химията винаги може да бъде интересна, ако намерите целта си в нея.
