Vo svete je známych veľa rôznych chemických zlúčenín: asi stovky miliónov. A všetci, ako ľudia, sú individuálni. Je nemožné nájsť dve látky, ktoré by mali rovnaké chemické a fyzikálne vlastnosti s rôznym zložením.
Jednou z najzaujímavejších anorganických látok, ktoré na svete existujú, sú karbidy. V tomto článku sa budeme zaoberať ich štruktúrou, fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami, aplikáciami a analyzovať zložitosť ich výroby. Najprv však niečo o histórii objavu.
História
Kovové karbidy, ktorých vzorce uvedieme nižšie, nie sú prírodné zlúčeniny. Je to spôsobené tým, že ich molekuly majú tendenciu sa pri interakcii s vodou rozkladať. Preto tu stojí za to hovoriť o prvých pokusoch syntetizovať karbidy.
Z roku 1849 existujú zmienky o syntéze karbidu kremíka, ale niektoré z týchto pokusov zostávajú nerozpoznané. Veľkosériovú výrobu začal v roku 1893 americký chemik Edward Acheson v procese, ktorý bol neskôr pomenovaný po ňom.
História syntézy karbidu vápnika sa tiež nelíši vo veľkom množstve informácií. V roku 1862 ho získal nemecký chemik Friedrich Wöhler zahrievaním legovaného zinku a vápnika uhlím.
Teraz prejdime k zaujímavejším sekciám: chemické afyzikálne vlastnosti. Koniec koncov, práve v nich spočíva celá podstata použitia tejto triedy látok.
Fyzikálne vlastnosti
Absolútne všetky karbidy sa vyznačujú svojou tvrdosťou. Napríklad jednou z najtvrdších látok na Mohsovej stupnici je karbid volfrámu (9 z 10 možných bodov). Okrem toho sú tieto látky veľmi žiaruvzdorné: bod topenia niektorých z nich dosahuje dvetisíc stupňov.
Väčšina karbidov je chemicky inertná a interaguje s malým množstvom látok. Sú nerozpustné v akýchkoľvek rozpúšťadlách. Rozpúšťanie však možno považovať za interakciu s vodou s deštrukciou väzieb a tvorbou hydroxidu kovu a uhľovodíka.
O poslednej reakcii a mnohých ďalších zaujímavých chemických premenách zahŕňajúcich karbidy si povieme v ďalšej časti.
Chemické vlastnosti
Takmer všetky karbidy interagujú s vodou. Niektoré - ľahko a bez zahrievania (napríklad karbid vápnika) a niektoré (napríklad karbid kremíka) - ohrevom vodnej pary na 1800 stupňov. Reaktivita v tomto prípade závisí od povahy väzby v zlúčenine, o ktorej budeme diskutovať neskôr. Pri reakcii s vodou vznikajú rôzne uhľovodíky. Stáva sa to preto, že vodík obsiahnutý vo vode sa spája s uhlíkom v karbide. Je možné pochopiť, ktorý uhľovodík sa ukáže (a môžu sa objaviť nasýtené aj nenasýtené zlúčeniny) na základe mocnosti uhlíka obsiahnutého v pôvodnej látke. Napríklad, ak umáme karbid vápnika, ktorého vzorec je CaC2, vidíme, že obsahuje ión C22-. To znamená, že k nemu môžu byť pripojené dva vodíkové ióny s nábojom +. Tak dostaneme zlúčeninu C2H2 - acetylén. Rovnakým spôsobom zo zlúčeniny, ako je karbid hliníka, ktorej vzorec je Al4C3, dostaneme CH 4. Prečo nie C3H12, pýtate sa? Veď ión má náboj 12-. Faktom je, že maximálny počet atómov vodíka je určený vzorcom 2n + 2, kde n je počet atómov uhlíka. To znamená, že môže existovať iba zlúčenina so vzorcom C3H8 (propán) a ten ión s nábojom 12- sa rozpadne na tri ióny s nábojom 4-, ktoré pri spojení s protónmi dávajú molekuly metánu.
Oxidačné reakcie karbidov sú zaujímavé. Môžu sa vyskytnúť tak pri vystavení silným zmesiam oxidačných činidiel, ako aj pri bežnom spaľovaní v kyslíkovej atmosfére. Ak je všetko jasné s kyslíkom: získajú sa dva oxidy, potom s inými oxidačnými činidlami je to zaujímavejšie. Všetko závisí od povahy kovu, ktorý je súčasťou karbidu, ako aj od povahy oxidačného činidla. Napríklad karbid kremíka, ktorého vzorec je SiC, pri interakcii so zmesou kyseliny dusičnej a fluorovodíkovej vytvára kyselinu hexafluórkremičitú za uvoľňovania oxidu uhličitého. A pri vykonávaní rovnakej reakcie, ale iba s kyselinou dusičnou, získame oxid kremičitý a oxid uhličitý. Halogény a chalkogény môžu byť tiež označované ako oxidačné činidlá. Akýkoľvek karbid s nimi interaguje, reakčný vzorec závisí iba od jeho štruktúry.
Kovové karbidy, ktorých vzorce sme uvažovali, nie sú ani zďaleka jedinými predstaviteľmi tejto triedy zlúčenín. Teraz sa bližšie pozrieme na každú z priemyselne dôležitých zlúčenín tejto triedy a potom sa porozprávame o ich aplikácii v našom živote.
Čo sú karbidy?
Ukazuje sa, že karbid, ktorého vzorec, povedzme, CaC2, sa svojou štruktúrou výrazne líši od SiC. A rozdiel je predovšetkým v povahe väzby medzi atómami. V prvom prípade máme do činenia s karbidom podobným soli. Táto trieda zlúčenín je pomenovaná tak, pretože sa v skutočnosti správa ako soľ, to znamená, že je schopná disociovať na ióny. Takáto iónová väzba je veľmi slabá, čo uľahčuje uskutočnenie hydrolyzačnej reakcie a mnohých ďalších transformácií, vrátane interakcií medzi iónmi.
Ďalším, možno priemyselne dôležitejším typom karbidu je kovalentný karbid, ako napríklad SiC alebo WC. Vyznačujú sa vysokou hustotou a pevnosťou. Tiež žiaruvzdorné a inertné voči riedeniu chemikálií.
Existujú aj karbidy podobné kovu. Možno ich skôr považovať za zliatiny kovov s uhlíkom. Medzi nimi možno rozlíšiť napríklad cementit (karbid železa, ktorého vzorec je rôzny, ale v priemere je približne nasledujúci: Fe3C) alebo liatinu. Majú strednú chemickú aktivitu medzi iónovými a kovalentnými karbidmi.
Každý z týchto poddruhov triedy chemických zlúčenín, o ktorých diskutujeme, má svoje vlastné praktické využitie. Ako a kde podať žiadosťo každom z nich si povieme v ďalšej časti.
Praktická aplikácia karbidov
Ako sme už diskutovali, kovalentné karbidy majú najširšiu škálu praktických aplikácií. Sú to brúsne a rezné materiály a kompozitné materiály používané v rôznych oblastiach (napríklad ako jeden z materiálov tvoriacich nepriestrelné vesty), automobilové súčiastky a elektronické zariadenia, vykurovacie telesá a jadrová energia. A toto nie je úplný zoznam aplikácií pre tieto supertvrdé karbidy.
Najužšie uplatnenie majú karbidy tvoriace soľ. Ich reakcia s vodou sa používa ako laboratórna metóda na výrobu uhľovodíkov. O tom, ako sa to stane, sme už hovorili vyššie.
Spolu s kovalentnými karbidy podobnými kovu majú najširšie uplatnenie v priemysle. Ako sme už povedali, takým kovom podobným typom zlúčenín, o ktorých diskutujeme, sú ocele, liatiny a iné zlúčeniny kovov rozptýlené uhlíkom. Kov nachádzajúci sa v takýchto látkach spravidla patrí do triedy d-kovov. To je dôvod, prečo má tendenciu vytvárať nie kovalentné väzby, ale akoby sa zavádzať do štruktúry kovu.
Podľa nášho názoru majú vyššie uvedené zlúčeniny viac než dosť praktických aplikácií. Teraz sa pozrime na proces ich získania.
Výroba karbidov
Prvé dva typy karbidov, ktoré sme skúmali, a to kovalentné a soli podobné, sa najčastejšie získavajú jedným jednoduchým spôsobom: reakciou oxidu prvku a koksu pri vysokej teplote. Zároveň časťkoks, pozostávajúci z uhlíka, sa spája s atómom prvku v zložení oxidu a vytvára karbid. Druhá časť „berie“kyslík a tvorí oxid uhoľnatý. Táto metóda je veľmi energeticky náročná, pretože vyžaduje udržiavanie vysokej teploty (asi 1600-2500 stupňov) v reakčnej zóne.
Na získanie určitých typov zlúčenín sa používajú alternatívne reakcie. Napríklad rozkladom zlúčeniny, ktorá v konečnom dôsledku dáva karbid. Reakčný vzorec závisí od konkrétnej zlúčeniny, takže ho nebudeme rozoberať.
Skôr než dokončíme náš článok, poďme si rozobrať niektoré zaujímavé karbidy a porozprávať sa o nich podrobnejšie.
Zaujímavé spojenia
Karbid sodný. Vzorec pre túto zlúčeninu je C2Na2. Toto možno považovať skôr za acetylénid (t. j. produkt nahradenia atómov vodíka v acetyléne atómami sodíka), než za karbid. Chemický vzorec tieto jemnosti úplne neodráža, preto ich treba hľadať v štruktúre. Je to veľmi aktívna látka a pri akomkoľvek kontakte s vodou s ňou veľmi aktívne interaguje za vzniku acetylénu a alkálií.
Karbid horčíka. Vzorec: MgC2. Zaujímavé sú spôsoby získania tejto dostatočne aktívnej zlúčeniny. Jedným z nich je spekanie fluoridu horečnatého s karbidom vápnika pri vysokej teplote. V dôsledku toho sa získajú dva produkty: fluorid vápenatý a karbid, ktorý potrebujeme. Vzorec pre túto reakciu je pomerne jednoduchý a ak chcete, môžete si ho prečítať v odbornej literatúre.
Ak si nie ste istí užitočnosťou materiálu prezentovaného v článku, postupujte taktosekcia pre vás.
Ako to môže byť užitočné v živote?
Po prvé, znalosť chemických zlúčenín nemôže byť nikdy zbytočná. Vždy je lepšie byť vyzbrojený vedomosťami, ako zostať bez nich. Po druhé, čím viac viete o existencii určitých zlúčenín, tým lepšie rozumiete mechanizmu ich vzniku a zákonitostiam, ktoré umožňujú ich existenciu.
Skôr než prejdeme na koniec, rád by som dal niekoľko odporúčaní na štúdium tohto materiálu.
Ako to študovať?
Veľmi jednoduché. Je to len odvetvie chémie. A treba to študovať v učebniciach chémie. Začnite informáciami o škole a prejdite na podrobnejšie informácie z vysokoškolských učebníc a referenčných kníh.
Záver
Táto téma nie je taká jednoduchá a nudná, ako sa na prvý pohľad zdá. Chémia môže byť vždy zaujímavá, ak v nej nájdete svoj účel.
