Maailmas on teada palju erinevaid keemilisi ühendeid: umbes sadu miljoneid. Ja kõik nad, nagu inimesed, on individuaalsed. On võimatu leida kahte erineva koostisega ainet, millel oleks samad keemilised ja füüsikalised omadused.
Üks huvitavamaid anorgaanilisi aineid maailmas on karbiidid. Selles artiklis käsitleme nende struktuuri, füüsikalisi ja keemilisi omadusi, rakendusi ja analüüsime nende tootmise keerukust. Aga kõigepe alt natuke avastuse ajaloost.
Ajalugu
Metallkarbiidid, mille valemid esitame allpool, ei ole looduslikud ühendid. See on tingitud asjaolust, et nende molekulid kipuvad veega suhtlemisel lagunema. Seetõttu tasub siin rääkida esimestest katsetest karbiidide sünteesimisel.
Alates 1849. aastast on viiteid ränikarbiidi sünteesile, kuid mõnda neist katsetest ei tunnustata. Suuremahulist tootmist alustas 1893. aastal Ameerika keemik Edward Acheson protsessiga, mis hiljem nimetati tema järgi.
K altsiumkarbiidi sünteesi ajalugu ei erine suurel hulgal teabest. 1862. aastal sai saksa keemik Friedrich Wöhler selle legeeritud tsingi ja k altsiumi söega kuumutamisel.
Liigume nüüd huvitavamate osade juurde: keemia- jafüüsikalised omadused. Lõppude lõpuks peitub nendes ainete kogu kasutamise olemus.
Füüsikalised omadused
Absoluutselt kõik karbiidid eristuvad kõvaduse poolest. Näiteks üks kõvemaid aineid Mohsi skaalal on volframkarbiid (9 punkti 10-st võimalikust). Lisaks on need ained väga tulekindlad: mõnede sulamistemperatuur ulatub kahe tuhande kraadini.
Enamik karbiide on keemiliselt inertsed ja interakteeruvad väikese koguse ainetega. Need ei lahustu mis tahes lahustites. Siiski võib lahustumist pidada koostoimeks veega, millega kaasneb sidemete hävimine ning metallhüdroksiidi ja süsivesinike moodustumine.
Järgmises osas räägime viimasest reaktsioonist ja paljudest muudest huvitavatest keemilistest muundumistest, mis hõlmavad karbiide.
Keemilised omadused
Peaaegu kõik karbiidid interakteeruvad veega. Mõned - lihts alt ja ilma kuumutamata (näiteks k altsiumkarbiid) ja mõned (näiteks ränikarbiid) - veeauru kuumutamisel 1800 kraadini. Reaktsioonivõime sõltub sel juhul ühendis oleva sideme olemusest, mida käsitleme hiljem. Reaktsioonis veega tekivad mitmesugused süsivesinikud. See juhtub seetõttu, et vees sisalduv vesinik ühineb karbiidis oleva süsinikuga. Algses aines sisalduva süsiniku valentsuse põhjal on võimalik aru saada, milline süsivesinik saadakse (ja nii küllastunud kui ka küllastumata ühendid). Näiteks kui umeil on k altsiumkarbiid, mille valem on CaC2, näeme, et see sisaldab iooni C22-. See tähendab, et selle külge saab kinnitada kaks + laenguga vesinikiooni. Seega saame ühendi C2H2 - atsetüleen. Samamoodi saame ühendist nagu alumiiniumkarbiid, mille valem on Al4C3, CH 4. Miks mitte C3H12, küsite? Ioonil on ju laeng 12-. Fakt on see, et vesinikuaatomite maksimaalne arv määratakse valemiga 2n + 2, kus n on süsinikuaatomite arv. See tähendab, et eksisteerida saab ainult ühend valemiga C3H8 (propaan) ja see ioon laenguga 12- laguneb kolmeks. ioonid laenguga 4-, mis annavad prootonitega kombineerimisel metaani molekule.
Karbiidide oksüdatsioonireaktsioonid on huvitavad. Need võivad tekkida nii kokkupuutel tugevate oksüdeerivate ainete segudega kui ka tavalisel põlemisel hapniku atmosfääris. Kui hapnikuga on kõik selge: saadakse kaks oksiidi, siis teiste oksüdeerivate ainetega on see huvitavam. Kõik sõltub karbiidi koostises oleva metalli olemusest, samuti oksüdeeriva aine olemusest. Näiteks ränikarbiid, mille valem on SiC, moodustab lämmastik- ja vesinikfluoriidhappe seguga interaktsioonis heksafluorränihappe koos süsinikdioksiidi vabanemisega. Ja sama reaktsiooni läbiviimisel, kuid ainult lämmastikhappega, saame ränioksiidi ja süsinikdioksiidi. Halogeene ja kalkogeene võib nimetada ka oksüdeerivateks aineteks. Iga karbiid suhtleb nendega, reaktsioonivalem sõltub ainult selle struktuurist.
Metallkarbiidid, mille valemeid oleme kaalunud, pole kaugeltki selle ühendite klassi ainsad esindajad. Nüüd vaatleme lähem alt kõiki selle klassi tööstuslikult olulisi ühendeid ja räägime seejärel nende kasutamisest meie elus.
Mis on karbiidid?
Selgub, et karbiid, mille valem näiteks CaC2, erineb struktuurilt oluliselt SiC-st. Ja erinevus seisneb eelkõige aatomitevahelise sideme olemuses. Esimesel juhul on tegemist soolataolise karbiidiga. Seda ühendite klassi nimetatakse nii, kuna see käitub tegelikult nagu sool, st on võimeline dissotsieeruma ioonideks. Selline ioonside on väga nõrk, mistõttu on lihtne läbi viia hüdrolüüsireaktsiooni ja paljusid muid muundumisi, sealhulgas ioonidevahelisi interaktsioone.
Teine, võib-olla tööstuslikult olulisem karbiidi tüüp on kovalentne karbiid, näiteks SiC või WC. Neid iseloomustab suur tihedus ja tugevus. Samuti tulekindel ja inertne lahjendatud kemikaalidele.
On ka metallitaolisi karbiide. Neid võib pigem pidada metallide sulamiteks süsinikuga. Nende hulgas võib eristada näiteks tsementiiti (raudkarbiid, mille valem varieerub, kuid keskmiselt on see ligikaudu järgmine: Fe3C) või malmi. Nende keemiline aktiivsus on ioonsete ja kovalentsete karbiidide vahepealne.
Igal nendel meie käsitletava keemiliste ühendite klassi alamliikidel on oma praktiline rakendus. Kuidas ja kuhu kandideeridamillest igaühest räägime järgmises jaotises.
Karbiidide praktiline kasutamine
Nagu oleme juba arutanud, on kovalentsetel karbiididel kõige laiem valik praktilisi rakendusi. Need on abrasiivsed ja lõikematerjalid ning erinevates valdkondades kasutatavad komposiitmaterjalid (näiteks ühe soomusvestide materjalina), autoosad ja elektroonikaseadmed ning kütteelemendid ja tuumaenergia. Ja see ei ole nende ülikõvade karbiidide rakenduste täielik loetelu.
Soola moodustavatel karbiididel on kõige kitsam kasutusala. Nende reaktsiooni veega kasutatakse süsivesinike tootmise laborimeetodina. Oleme juba eespool arutanud, kuidas see juhtub.
Koos kovalentsetega on metallitaolistel karbiididel tööstuses kõige laiem kasutusala. Nagu me juba ütlesime, on sellised metallitaolised ühendid, mida me käsitleme, terased, malmid ja muud süsinikuga segatud metalliühendid. Reeglina kuulub sellistes ainetes leiduv metall d-metallide klassi. Sellepärast kaldub see moodustama mitte kovalentseid sidemeid, vaid justkui sisestama metalli struktuuri.
Meie arvates on ül altoodud ühenditel praktilisi rakendusi enam kui piisav alt. Nüüd vaatame nende hankimise protsessi.
Karbiidide tootmine
Kaks esimest uuritud karbiiditüüpi, nimelt kovalentsed ja soolataolised, saadakse enamasti ühel lihtsal viisil: elemendi oksiidi ja koksi reaktsioonil kõrgel temperatuuril. Samas osakoks, mis koosneb süsinikust, ühineb oksiidi koostises oleva elemendi aatomiga ja moodustab karbiidi. Teine osa "võtab" hapnikku ja moodustab süsinikmonooksiidi. See meetod on väga energiakulukas, kuna nõuab reaktsioonitsoonis kõrge temperatuuri (umbes 1600–2500 kraadi) hoidmist.
Teatud tüüpi ühendite saamiseks kasutatakse alternatiivseid reaktsioone. Näiteks ühendi lagunemine, mis lõpuks annab karbiidi. Reaktsiooni valem sõltub konkreetsest ühendist, seega me seda ei käsitle.
Enne artikli lõpetamist arutleme mõne huvitava karbiidi üle ja räägime neist üksikasjalikum alt.
Huvitavad seosed
Naatriumkarbiid. Selle ühendi valem on C2Na2. Seda võib pidada pigem atsetüleniidiks (st atsetüleeni vesinikuaatomite asendamisel naatriumi aatomitega), mitte karbiidiks. Keemiline valem ei kajasta neid peensusi täielikult, seetõttu tuleb neid struktuurist otsida. See on väga aktiivne aine ja mis tahes kokkupuutel veega mõjutab see sellega väga aktiivselt atsetüleeni ja leelist.
Magneesiumkarbiid. Valem: MgC2. Meetodid selle piisav alt aktiivse ühendi saamiseks pakuvad huvi. Üks neist hõlmab magneesiumfluoriidi paagutamist k altsiumkarbiidiga kõrgel temperatuuril. Selle tulemusena saadakse kaks toodet: k altsiumfluoriid ja meile vajalik karbiid. Selle reaktsiooni valem on üsna lihtne ja soovi korral saate seda lugeda erialakirjandusest.
Kui te pole kindel artiklis esitatud materjali kasulikkuses, tehke järgmistjaotis teile.
Kuidas saab sellest elus kasu olla?
Esiteks, teadmised keemilistest ühenditest ei saa kunagi olla üleliigsed. Alati on parem olla teadmistega relvastatud, kui jääda sellest ilma. Teiseks, mida rohkem teate teatud ühendite olemasolust, seda paremini mõistate nende tekkemehhanismi ja seadusi, mis võimaldavad neil eksisteerida.
Enne lõppu jätkamist tahaksin anda mõned soovitused selle materjali uurimiseks.
Kuidas seda uurida?
Väga lihtne. See on lihts alt keemia haru. Ja seda tuleks uurida keemiaõpikutes. Alustage kooliteabega ja liikuge edasi põhjalikuma teabeni ülikooliõpikutest ja teatmeteostest.
Järeldus
See teema pole nii lihtne ja igav, kui esmapilgul tundub. Keemia võib alati olla huvitav, kui leiad selles oma eesmärgi.
