Maailmassa tunnetaan paljon erilaisia kemiallisia yhdisteitä: noin satoja miljoonia. Ja kaikki he, kuten ihmiset, ovat yksilöllisiä. On mahdotonta löytää kahta ainetta, joilla olisi samat kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet eri koostumuksella.
Yksi mielenkiintoisimmista epäorgaanisista aineista maailmassa on karbidit. Tässä artikkelissa käsittelemme niiden rakennetta, fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia, sovelluksia ja analysoimme niiden tuotannon monimutkaisuutta. Mutta ensin vähän löydön historiasta.
Historia
Metallikarbidit, joiden kaavat annamme alla, eivät ole luonnollisia yhdisteitä. Tämä johtuu siitä, että niiden molekyyleillä on taipumus hajota vuorovaikutuksessa veden kanssa. Siksi tässä on syytä puhua ensimmäisistä karbidien syntetisointiyrityksistä.
Vuodesta 1849 lähtien piikarbidin synteesiin on viitattu, mutta joitakin näistä yrityksistä ei tunnisteta. Amerikkalainen kemisti Edward Acheson aloitti laajamittaisen tuotannon vuonna 1893 prosessilla, joka nimettiin myöhemmin hänen mukaansa.
Kalsiumkarbidin synteesin historia ei myöskään eroa suuressa määrässä tietoa. Vuonna 1862 saksalainen kemisti Friedrich Wöhler sai sen kuumentamalla seostettua sinkkiä ja kalsiumia hiilellä.
Nyt siirrytään kiinnostavampiin osiin: kemialliset jafyysiset ominaisuudet. Loppujen lopuksi juuri niissä piilee tämän aineluokan käytön koko ydin.
Fysikaaliset ominaisuudet
Ehdottomasti kaikki karbidit erottuvat kovuudestaan. Esimerkiksi yksi kovimmista aineista Mohsin asteikolla on volframikarbidi (9 pistettä 10 mahdollisesta). Lisäksi nämä aineet ovat erittäin tulenkestäviä: joidenkin sulamispiste saavuttaa kaksi tuhatta astetta.
Useimmat karbidit ovat kemiallisesti inerttejä ja ovat vuorovaikutuksessa pienen määrän aineita kanssa. Ne eivät liukene mihinkään liuottimiin. Liukenemista voidaan kuitenkin pitää vuorovaikutuksena veden kanssa, mikä johtaa sidosten tuhoutumiseen ja metallihydroksidin ja hiilivedyn muodostumiseen.
Puhumme seuraavassa osiossa viimeisestä reaktiosta ja monista mielenkiintoisista kemiallisista muutoksista, joihin liittyy karbideja.
Kemialliset ominaisuudet
Melkein kaikki karbidit ovat vuorovaikutuksessa veden kanssa. Jotkut - helposti ja ilman lämmitystä (esimerkiksi kalsiumkarbidi) ja jotkut (esimerkiksi piikarbidi) - lämmittämällä vesihöyryä 1800 asteeseen. Reaktiivisuus tässä tapauksessa riippuu yhdisteessä olevan sidoksen luonteesta, josta keskustelemme myöhemmin. Reaktiossa veden kanssa muodostuu erilaisia hiilivetyjä. Tämä tapahtuu, koska vedessä oleva vety yhdistyy karbidin hiilen kanssa. Alkuperäisen aineen sisältämän hiilen valenssin perusteella on mahdollista ymmärtää, mikä hiilivety muodostuu (ja sekä tyydyttyneet että tyydyttymättömät yhdisteet voivat muodostua). Esimerkiksi jos umeillä on kalsiumkarbidi, jonka kaava on CaC2, näemme, että se sisältää ionin C22-. Tämä tarkoittaa, että siihen voidaan kiinnittää kaksi +-varauksella varustettua vety-ionia. Siten saamme yhdisteen C2H2 - asetyleeni. Samalla tavalla yhdisteestä, kuten alumiinikarbidista, jonka kaava on Al4C3, saadaan CH 4. Miksi ei C3H12, kysyt? Loppujen lopuksi ionin varaus on 12-. Tosiasia on, että vetyatomien enimmäismäärä määräytyy kaavalla 2n + 2, jossa n on hiiliatomien lukumäärä. Tämä tarkoittaa, että vain yhdiste, jonka kaava on C3H8 (propaani) voi olla olemassa, ja tämä ioni, jonka varaus on 12-, hajoaa kolmeksi osaksi. ionit, joiden varaus on 4- ja jotka muodostavat metaanimolekyylejä yhdistettynä protoniin.
Karbidien hapetusreaktiot ovat mielenkiintoisia. Niitä voi esiintyä sekä altistuessaan voimakkaille hapettavien aineiden seoksille että tavanomaisessa palamisessa happiatmosfäärissä. Jos kaikki on selvää hapen kanssa: saadaan kaksi oksidia, niin muiden hapettimien kanssa se on mielenkiintoisempaa. Kaikki riippuu karbidiin kuuluvan metallin luonteesta sekä hapettimen luonteesta. Esimerkiksi piikarbidi, jonka kaava on SiC, muodostaa vuorovaikutuksessa typpi- ja fluorivetyhapon seoksen kanssa heksafluoripiihappoa vapauttaen hiilidioksidia. Ja kun suoritetaan sama reaktio, mutta vain typpihapolla, saadaan piioksidia ja hiilidioksidia. Halogeeneja ja kalkogeeneja voidaan kutsua myös hapettimiksi. Mikä tahansa karbidi on vuorovaikutuksessa niiden kanssa, reaktiokaava riippuu vain sen rakenteesta.
Metallikarbidit, joiden kaavoja olemme tarkastelleet, eivät ole kaukana tämän yhdisteluokan ainoista edustajista. Nyt tarkastelemme lähemmin jokaista tämän luokan teollisesti tärkeitä yhdisteitä ja puhumme sitten niiden käytöstä elämässämme.
Mitä ovat karbidit?
On käynyt ilmi, että karbidi, jonka kaava esimerkiksi CaC2, eroaa rakenteeltaan merkittävästi SiC:stä. Ja ero on ensisijaisesti atomien välisen sidoksen luonteessa. Ensimmäisessä tapauksessa kyseessä on suolan k altainen karbidi. Tämä yhdisteluokka on nimetty siten, koska se itse asiassa käyttäytyy kuin suola, eli se pystyy hajoamaan ioneiksi. Tällainen ionisidos on erittäin heikko, minkä vuoksi hydrolyysireaktion ja monien muiden muunnosten, mukaan lukien ionien välisten vuorovaikutusten, suorittaminen on helppoa.
Toinen, ehkä teollisesti tärkeämpi karbidityyppi on kovalenttinen karbidi, kuten piikarbidi tai WC. Niille on ominaista korkea tiheys ja lujuus. Myös tulenkestävä ja inertti laimennetuille kemikaaleille.
On myös metallin k altaisia karbideja. Niitä voidaan pikemminkin pitää metalliseoksina hiilen kanssa. Näistä voidaan erottaa esimerkiksi sementiitti (rautakarbidi, jonka kaava vaihtelee, mutta keskimäärin se on suunnilleen seuraava: Fe3C) tai valurauta. Niiden kemiallinen aktiivisuus on ionisten ja kovalenttisten karbidien välissä.
Jokaisella näistä käsittelemämme kemiallisten yhdisteiden luokan alalajeista on oma käytännön sovelluksensa. Miten ja minne hakeajokaisesta, puhumme seuraavassa osiossa.
Käytännöllinen karbidien käyttö
Kuten olemme jo keskustelleet, kovalenttisilla karbidilla on laajin valikoima käytännön sovelluksia. Näitä ovat hioma- ja leikkausmateriaalit sekä eri aloilla käytettävät komposiittimateriaalit (esimerkiksi yhtenä panssarimateriaalina), autonosat ja elektroniset laitteet sekä lämmityselementit ja ydinenergia. Ja tämä ei ole täydellinen luettelo näiden superkovien karbidien sovelluksista.
Suolaa muodostavilla karbidilla on kapein käyttökohde. Niiden reaktiota veden kanssa käytetään laboratoriomenetelmänä hiilivetyjen tuottamiseksi. Olemme jo keskustelleet edellä siitä, miten tämä tapahtuu.
Kovalenttien ohella metallin k altaisilla karbidilla on laajin käyttö teollisuudessa. Kuten olemme jo todenneet, tällaisia metallimaisia yhdisteitä, joista keskustelemme, ovat teräkset, valuraudat ja muut metalliyhdisteet, joissa on hiiltä. Tällaisissa aineissa esiintyvä metalli kuuluu pääsääntöisesti d-metallien luokkaan. Siksi se ei ole taipuvainen muodostamaan kovalenttisia sidoksia, vaan ikään kuin sisällytettäväksi metallin rakenteeseen.
Mielestämme edellä mainituilla yhdisteillä on enemmän kuin tarpeeksi käytännön sovelluksia. Katsotaanpa nyt niiden hankkimisprosessia.
Karbidien tuotanto
Kaksi ensimmäistä tutkimamme karbidityyppiä, nimittäin kovalenttiset ja suolan k altaiset, saadaan useimmiten yhdellä yksinkertaisella tavalla: alkuaineen oksidin ja koksin reaktiolla korkeassa lämpötilassa. Samalla osakoksi, joka koostuu hiilestä, yhdistyy oksidin koostumuksessa olevan alkuaineen atomin kanssa ja muodostaa karbidin. Toinen osa "ottaa" happea ja muodostaa hiilimonoksidia. Tämä menetelmä on erittäin energiaa kuluttava, koska se vaatii ylläpitämään korkeaa lämpötilaa (noin 1600-2500 astetta) reaktioalueella.
Vaihtoehtoisia reaktioita käytetään tietyntyyppisten yhdisteiden saamiseksi. Esimerkiksi yhdisteen hajoaminen, joka lopulta antaa karbidin. Reaktiokaava riippuu tietystä yhdisteestä, joten emme keskustele siitä.
Ennen kuin päätämme artikkelimme, keskustellaan mielenkiintoisista karbideista ja keskustellaan niistä tarkemmin.
Mielenkiintoisia yhteyksiä
Natriumkarbidi. Tämän yhdisteen kaava on C2Na2. Tätä voidaan pitää pikemminkin asetylenidina (eli asetyleenin vetyatomien korvaamisen tuotteena natriumatomeilla) eikä karbidina. Kemiallinen kaava ei täysin heijasta näitä hienouksia, joten niitä on etsittävä rakenteesta. Tämä on erittäin aktiivinen aine, ja joutuessaan kosketuksiin veden kanssa se on erittäin aktiivisesti vuorovaikutuksessa sen kanssa muodostaen asetyleeniä ja alkalia.
Magnesiumkarbidi. Kaava: MgC2. Menetelmät tämän riittävän aktiivisen yhdisteen saamiseksi ovat kiinnostavia. Yksi niistä sisältää magnesiumfluoridin sintrauksen kalsiumkarbidin kanssa korkeassa lämpötilassa. Tämän seurauksena saadaan kaksi tuotetta: kalsiumfluoridi ja tarvitsemamme karbidi. Tämän reaktion kaava on melko yksinkertainen, ja voit halutessasi lukea sen erikoiskirjallisuudesta.
Jos et ole varma artikkelissa esitetyn materiaalin hyödyllisyydestä, toimi seuraavastiosio sinulle.
Kuinka tästä voi olla hyötyä elämässä?
No, ensinnäkin tieto kemiallisista yhdisteistä ei voi koskaan olla tarpeetonta. On aina parempi olla aseistettu tiedolla kuin jäädä ilman sitä. Toiseksi, mitä enemmän tiedät tiettyjen yhdisteiden olemassaolosta, sitä paremmin ymmärrät niiden muodostumismekanismin ja lakeja, jotka sallivat niiden olemassaolon.
Ennen kuin siirryn loppuun, haluaisin antaa muutamia suosituksia tämän materiaalin tutkimiseen.
Kuinka opiskella sitä?
Hyvin yksinkertainen. Se on vain kemian ala. Ja sitä pitäisi tutkia kemian oppikirjoissa. Aloita koulutiedoista ja siirry syvempään tietoon yliopiston oppikirjoista ja hakuteoista.
Johtopäätös
Tämä aihe ei ole niin yksinkertainen ja tylsä kuin miltä ensi silmäyksellä näyttää. Kemia voi aina olla mielenkiintoista, jos löydät sen tarkoituksen.
