U svijetu je poznato mnogo različitih kemijskih spojeva: oko stotine milijuna. I svi su oni, kao i ljudi, individualni. Nemoguće je pronaći dvije tvari koje bi imale ista kemijska i fizička svojstva s različitim sastavom.
Jedna od najzanimljivijih anorganskih tvari koje postoje u svijetu su karbidi. U ovom ćemo članku raspravljati o njihovoj strukturi, fizikalnim i kemijskim svojstvima, primjeni i analizirati zamršenosti njihove proizvodnje. Ali prvo, malo o povijesti otkrića.
Povijest
Metalni karbidi, čije formule ćemo dati u nastavku, nisu prirodni spojevi. To je zbog činjenice da se njihove molekule teže razgrađuju u interakciji s vodom. Stoga ovdje vrijedi govoriti o prvim pokušajima sintetiziranja karbida.
Od 1849. postoje reference na sintezu silicij karbida, ali neki od tih pokušaja ostaju neprepoznati. Veliku proizvodnju započeo je 1893. američki kemičar Edward Acheson u procesu koji je kasnije nazvan po njemu.
Povijest sinteze kalcijevog karbida također se ne razlikuje u velikoj količini informacija. Godine 1862. njemački kemičar Friedrich Wöhler dobio ga je zagrijavanjem legiranog cinka i kalcija s ugljenom.
Sad prijeđimo na zanimljivije odjeljke: kemijski ifizikalna svojstva. Uostalom, upravo u njima leži cijela bit upotrebe ove klase tvari.
Fizička svojstva
Apsolutno svi karbidi se razlikuju po svojoj tvrdoći. Na primjer, jedna od najtvrđih tvari na Mohsovoj ljestvici je volfram karbid (9 od 10 mogućih točaka). Osim toga, ove tvari su vrlo vatrostalne: točka taljenja nekih od njih doseže dvije tisuće stupnjeva.
Većina karbida je kemijski inertna i u interakciji s malom količinom tvari. Oni su netopivi u bilo kojim otapalima. Međutim, otapanje se može smatrati interakcijom s vodom uz uništavanje veza i stvaranje metalnog hidroksida i ugljikovodika.
O posljednjoj reakciji i mnogim drugim zanimljivim kemijskim transformacijama koje uključuju karbide govorit ćemo u sljedećem odjeljku.
Kemijska svojstva
Gotovo svi karbidi su u interakciji s vodom. Neki - lako i bez zagrijavanja (na primjer, kalcijev karbid), a neki (na primjer, silicij karbid) - zagrijavanjem vodene pare na 1800 stupnjeva. Reaktivnost u ovom slučaju ovisi o prirodi veze u spoju, o čemu ćemo kasnije raspravljati. U reakciji s vodom nastaju različiti ugljikovodici. To se događa jer se vodik sadržan u vodi kombinira s ugljikom u karbidu. Moguće je razumjeti koji će se ugljikovodik ispostaviti (a mogu ispasti i zasićeni i nezasićeni spojevi) na temelju valencije ugljika sadržanog u izvornoj tvari. Na primjer, ako uimamo kalcijev karbid, čija je formula CaC2, vidimo da sadrži ion C22-. To znači da se na njega mogu vezati dva vodikova iona s nabojem +. Tako dobivamo spoj C2H2 - acetilen. Na isti način, iz spoja kao što je aluminijev karbid, čija je formula Al4C3, dobivamo CH 4. Zašto ne C3H12, pitate se? Uostalom, ion ima naboj od 12-. Činjenica je da je maksimalni broj atoma vodika određen formulom 2n + 2, gdje je n broj ugljikovih atoma. To znači da samo spoj formule C3H8 (propan) može postojati i da se taj ion s nabojem od 12- raspada na tri ioni s nabojem od 4-, koji daju molekule metana u kombinaciji s protonima.
Zanimljive su reakcije oksidacije karbida. Mogu se pojaviti i kada su izloženi jakim smjesama oksidacijskih sredstava i tijekom običnog izgaranja u atmosferi kisika. Ako je s kisikom sve jasno: dobivaju se dva oksida, onda je s drugim oksidantima zanimljivije. Sve ovisi o prirodi metala koji je dio karbida, kao i o prirodi oksidacijskog sredstva. Na primjer, silicij karbid, čija je formula SiC, kada je u interakciji sa smjesom dušične i fluorovodične kiseline, tvori heksafluorosilicijsku kiselinu s oslobađanjem ugljičnog dioksida. A pri provođenju iste reakcije, ali samo s dušičnom kiselinom, dobivamo silicij oksid i ugljični dioksid. Halogeni i halkogeni se također mogu nazvati oksidacijskim sredstvima. Svaki karbid stupa u interakciju s njima, formula reakcije ovisi samo o njegovoj strukturi.
Metalni karbidi, čije smo formule razmatrali, daleko su od jedinih predstavnika ove klase spojeva. Sada ćemo pobliže pogledati svaki od industrijski važnih spojeva ove klase, a zatim razgovarati o njihovoj primjeni u našim životima.
Što su karbidi?
Ispostavilo se da se karbid, čija se formula, recimo, CaC2, značajno razlikuje po strukturi od SiC. A razlika je prvenstveno u prirodi veze između atoma. U prvom slučaju imamo posla s karbidom sličnim soli. Ova klasa spojeva je tako nazvana jer se zapravo ponaša kao sol, odnosno može se disocirati na ione. Takva ionska veza je vrlo slaba, što olakšava izvođenje reakcije hidrolize i mnogih drugih transformacija, uključujući interakcije između iona.
Druga, možda industrijski važnija, vrsta karbida je kovalentni karbid, kao što je SiC ili WC. Karakteriziraju ih visoka gustoća i čvrstoća. Također je vatrostalan i inertan za razrjeđivanje kemikalija.
Postoje i karbidi slični metalu. Radije se mogu smatrati legurama metala s ugljikom. Među njima se može razlikovati, na primjer, cementit (željezni karbid, čija formula varira, ali u prosjeku je otprilike sljedeća: Fe3C) ili lijevano željezo. Imaju kemijsku aktivnost srednjeg stupnja između ionskih i kovalentnih karbida.
Svaka od ovih podvrsta klase kemijskih spojeva o kojoj raspravljamo ima svoju praktičnu primjenu. Kako i gdje se prijavitio svakoj ćemo govoriti u sljedećem odjeljku.
Praktična primjena karbida
Kao što smo već raspravljali, kovalentni karbidi imaju najširi raspon praktične primjene. Riječ je o abrazivnim i reznim materijalima, te kompozitnim materijalima koji se koriste u raznim područjima (npr. kao jedan od materijala koji čine pancire), i autodijelovima, i elektroničkim uređajima, i grijaćim elementima, te nuklearnoj energiji. I ovo nije potpuni popis primjena za ove supertvrde karbide.
Karbidi koji tvore sol imaju najužu primjenu. Njihova reakcija s vodom koristi se kao laboratorijska metoda za proizvodnju ugljikovodika. Već smo gore raspravljali o tome kako se to događa.
Uz kovalentne, metalu slični karbidi imaju najširu primjenu u industriji. Kao što smo već rekli, takva metalna vrsta spojeva o kojima raspravljamo su čelici, lijevano željezo i drugi metalni spojevi prošarani ugljikom. U pravilu, metal koji se nalazi u takvim tvarima pripada klasi d-metala. Zato je sklon stvaranju ne kovalentnih veza, već, takoreći, biti uveden u strukturu metala.
Po našem mišljenju, gornji spojevi imaju više nego dovoljno praktične primjene. Sada pogledajmo proces njihovog dobivanja.
Proizvodnja karbida
Prve dvije vrste karbida koje smo ispitali, a to su kovalentni i slani, najčešće se dobivaju na jedan jednostavan način: reakcijom oksida elementa i koksa na visokoj temperaturi. U isto vrijeme, diokoks, koji se sastoji od ugljika, spaja se s atomom elementa u sastavu oksida i tvori karbid. Drugi dio "uzima" kisik i stvara ugljični monoksid. Ova metoda je vrlo energetska, jer zahtijeva održavanje visoke temperature (oko 1600-2500 stupnjeva) u zoni reakcije.
Alternativne reakcije se koriste za dobivanje određenih vrsta spojeva. Na primjer, razlaganje spoja, što u konačnici daje karbid. Reakcijska formula ovisi o specifičnom spoju, pa o tome nećemo raspravljati.
Prije nego što završimo naš članak, raspravimo neke zanimljive karbide i razgovarajmo o njima detaljnije.
Zanimljive veze
Natrijev karbid. Formula za ovaj spoj je C2Na2. Ovo se više može smatrati acetilenidom (tj. produktom zamjene atoma vodika u acetilenu atomima natrija), a ne karbidom. Kemijska formula ne odražava u potpunosti ove suptilnosti, pa ih se mora tražiti u strukturi. Ovo je vrlo aktivna tvar i u svakom kontaktu s vodom vrlo aktivno stupa u interakciju s njom stvaranjem acetilena i lužine.
Magnezijev karbid. Formula: MgC2. Zanimljive su metode za dobivanje ovog dovoljno aktivnog spoja. Jedan od njih uključuje sinteriranje magnezijevog fluorida s kalcijevim karbidom na visokoj temperaturi. Kao rezultat toga dobivaju se dva proizvoda: kalcijev fluorid i karbid koji nam je potreban. Formula za ovu reakciju je prilično jednostavna, a možete je pročitati u stručnoj literaturi ako želite.
Ako niste sigurni u korisnost materijala predstavljenog u članku, onda sljedećeodjeljak za vas.
Kako ovo može biti korisno u životu?
Pa, prije svega, znanje o kemijskim spojevima nikada ne može biti suvišno. Uvijek je bolje biti naoružan znanjem nego ostati bez njega. Drugo, što više znate o postojanju određenih spojeva, to bolje razumijete mehanizam njihovog nastanka i zakone koji im omogućuju postojanje.
Prije nego pređemo na kraj, želio bih dati nekoliko preporuka za proučavanje ovog materijala.
Kako to proučiti?
Vrlo jednostavno. To je samo grana kemije. I to treba proučavati u udžbenicima kemije. Počnite sa školskim informacijama i prijeđite na detaljnije informacije iz sveučilišnih udžbenika i priručnika.
Zaključak
Ova tema nije tako jednostavna i dosadna kao što se čini na prvi pogled. Kemija uvijek može biti zanimljiva ako u njoj pronađete svoju svrhu.
