Na svetu je znanih veliko različnih kemičnih spojin: približno na stotine milijonov. In vsi so, tako kot ljudje, individualni. Nemogoče je najti dve snovi, ki bi imeli enake kemične in fizikalne lastnosti z različno sestavo.
Ena izmed najbolj zanimivih anorganskih snovi, ki obstajajo na svetu, so karbidi. V tem članku bomo razpravljali o njihovi strukturi, fizikalnih in kemijskih lastnostih, uporabi in analizirali zapletenosti njihove proizvodnje. Najprej pa malo o zgodovini odkritja.
Zgodovina
Kovinski karbidi, katerih formule bomo navedli spodaj, niso naravne spojine. To je posledica dejstva, da se njihove molekule pri interakciji z vodo nagibajo k razgradnji. Zato je tukaj vredno govoriti o prvih poskusih sintetiziranja karbidov.
Od leta 1849 obstajajo sklicevanja na sintezo silicijevega karbida, vendar nekateri od teh poskusov ostajajo neprepoznani. Obsežno proizvodnjo je leta 1893 začel ameriški kemik Edward Acheson v procesu, ki je bil pozneje poimenovan po njem.
Zgodovina sinteze kalcijevega karbida se prav tako ne razlikuje po veliki količini informacij. Leta 1862 ga je nemški kemik Friedrich Wöhler pridobil s segrevanjem legiranega cinka in kalcija s premogom.
Sedaj pa pojdimo na bolj zanimive razdelke: kemični infizične lastnosti. Navsezadnje je v njih celotno bistvo uporabe tega razreda snovi.
Fizične lastnosti
Absolutno vse karbide odlikuje trdota. Na primer, ena najtrših snovi na Mohsovi lestvici je volframov karbid (9 od 10 možnih točk). Poleg tega so te snovi zelo ognjevzdržne: tališče nekaterih doseže dva tisoč stopinj.
Večina karbidov je kemično inertnih in medsebojno delujejo z majhno količino snovi. So netopni v nobenem topilu. Vendar pa lahko raztapljanje štejemo za interakcijo z vodo z uničenjem vezi in tvorbo kovinskega hidroksida in ogljikovodika.
O zadnji reakciji in številnih drugih zanimivih kemičnih transformacijah, ki vključujejo karbide, bomo govorili v naslednjem razdelku.
Kemijske lastnosti
Skoraj vsi karbidi sodelujejo z vodo. Nekateri - enostavno in brez segrevanja (na primer kalcijev karbid), nekateri (na primer silicijev karbid) - s segrevanjem vodne pare na 1800 stopinj. Reaktivnost je v tem primeru odvisna od narave vezi v spojini, o kateri bomo govorili kasneje. Pri reakciji z vodo nastanejo različni ogljikovodiki. To se zgodi, ker se vodik v vodi združi z ogljikom v karbidu. Na podlagi valence ogljika, ki ga vsebuje prvotna snov, je mogoče razumeti, kateri ogljikovodik se bo izkazal (in lahko se izkažejo tako nasičene kot nenasičene spojine. Na primer, če uimamo kalcijev karbid, katerega formula je CaC2, vidimo, da vsebuje ion C22-. To pomeni, da se lahko nanj pritrdita dva vodikova iona z nabojem +. Tako dobimo spojino C2H2 - acetilen. Na enak način iz spojine, kot je aluminijev karbid, katere formula je Al4C3, dobimo CH 4. Zakaj ne C3H12, vprašate? Konec koncev ima ion naboj 12-. Dejstvo je, da je največje število vodikovih atomov določeno s formulo 2n + 2, kjer je n število ogljikovih atomov. To pomeni, da lahko obstaja samo spojina s formulo C3H8 (propan) in ta ion z nabojem 12- razpade na tri ioni z nabojem 4-, ki dajejo molekule metana v kombinaciji s protoni.
Oksidacijske reakcije karbidov so zanimive. Pojavijo se lahko tako pri izpostavljenosti močnim mešanicam oksidantov kot pri običajnem zgorevanju v kisikovi atmosferi. Če je s kisikom vse jasno: dobimo dva oksida, potem je z drugimi oksidanti bolj zanimivo. Vse je odvisno od narave kovine, ki je del karbida, pa tudi od narave oksidacijskega sredstva. Na primer, silicijev karbid, katerega formula je SiC, pri interakciji z mešanico dušikove in fluorovodikove kisline tvori heksafluorosilicijevo kislino s sproščanjem ogljikovega dioksida. In ko izvajamo isto reakcijo, vendar samo z dušikovo kislino, dobimo silicijev oksid in ogljikov dioksid. Halogene in halkogene lahko imenujemo tudi oksidanti. Vsak karbid deluje z njimi, reakcijska formula je odvisna samo od njegove strukture.
Kovinski karbidi, katerih formule smo obravnavali, še zdaleč niso edini predstavniki tega razreda spojin. Zdaj si bomo podrobneje ogledali vsako od industrijsko pomembnih spojin tega razreda in nato spregovorili o njihovi uporabi v našem življenju.
Kaj so karbidi?
Izkazalo se je, da se karbid, katerega formula, recimo, CaC2, , po strukturi bistveno razlikuje od SiC. In razlika je predvsem v naravi vezi med atomi. V prvem primeru imamo opravka s soli podobnim karbidom. Ta razred spojin je poimenovan tako, ker se dejansko obnaša kot sol, torej je sposoben disociirati na ione. Takšna ionska vez je zelo šibka, kar olajša izvedbo reakcije hidrolize in številnih drugih transformacij, vključno z interakcijami med ioni.
Druga, morda bolj industrijsko pomembna vrsta karbida je kovalentni karbid, kot sta SiC ali WC. Zanje je značilna visoka gostota in moč. Tudi ognjevzdržen in inerten za redčenje kemikalij.
Obstajajo tudi kovini podobni karbidi. Raje jih lahko obravnavamo kot zlitine kovin z ogljikom. Med njimi lahko ločimo na primer cementit (železov karbid, katerega formula je različna, v povprečju pa je približno naslednja: Fe3C) ali lito železo. Imajo vmesno kemično aktivnost med ionskimi in kovalentnimi karbidi.
Vsaka od teh podvrst razreda kemičnih spojin, o katerih razpravljamo, ima svojo praktično uporabo. Kako in kje se prijavitio vsakem bomo govorili v naslednjem razdelku.
Praktična uporaba karbidov
Kot smo že razpravljali, imajo kovalentni karbidi najširšo paleto praktičnih aplikacij. To so abrazivni in rezalni materiali ter kompozitni materiali, ki se uporabljajo na različnih področjih (na primer kot eden od materialov, ki sestavljajo neprebojni jopiči), ter avtomobilski deli, elektronske naprave, grelni elementi in jedrska energija. In to ni popoln seznam aplikacij za te supertrde karbide.
Karbidi, ki tvorijo sol, imajo najožjo uporabo. Njihova reakcija z vodo se uporablja kot laboratorijska metoda za proizvodnjo ogljikovodikov. Kako se to zgodi, smo že razpravljali zgoraj.
Poleg kovalentnih kovinam podobni karbidi imajo najširšo uporabo v industriji. Kot smo že povedali, so takšne kovine podobne spojine, o katerih razpravljamo, jekla, lito železo in druge kovinske spojine, prepletene z ogljikom. Kovina, ki jo najdemo v takih snoveh, praviloma spada v razred d-kovinov. Zato je nagnjen k temu, da ne tvori kovalentnih vezi, ampak se tako rekoč vnaša v strukturo kovine.
Po našem mnenju imajo zgornje spojine več kot dovolj praktičnih uporab. Zdaj pa si poglejmo postopek njihove pridobitve.
Proizvodnja karbidov
Prvi dve vrsti karbidov, ki smo jih preučevali, in sicer kovalentni in soli podobni, najpogosteje dobimo na en preprost način: z reakcijo oksida elementa in koksa pri visoki temperaturi. Hkrati pa delkoks, sestavljen iz ogljika, se združi z atomom elementa v sestavi oksida in tvori karbid. Drugi del "vzame" kisik in tvori ogljikov monoksid. Ta metoda je zelo energijsko potratna, saj zahteva vzdrževanje visoke temperature (približno 1600-2500 stopinj) v reakcijskem območju.
Alternativne reakcije se uporabljajo za pridobivanje določenih vrst spojin. Na primer, razgradnja spojine, ki na koncu daje karbid. Reakcijska formula je odvisna od specifične spojine, zato o njej ne bomo razpravljali.
Preden zaključimo naš članek, se pogovorimo o nekaj zanimivih karbidih in se o njih pogovorimo podrobneje.
Zanimive povezave
Natrijev karbid. Formula za to spojino je C2Na2. To si lahko bolj predstavljamo kot acetilenid (tj. produkt zamenjave vodikovih atomov v acetilenu z natrijevimi atomi), ne pa karbid. Kemična formula teh tankosti ne odraža v celoti, zato jih je treba iskati v strukturi. To je zelo aktivna snov in v vsakem stiku z vodo zelo aktivno sodeluje z njo s tvorbo acetilena in alkalij.
Magnezijev karbid. Formula: MgC2. Zanimive so metode za pridobivanje te dovolj aktivne spojine. Eden od njih vključuje sintranje magnezijevega fluorida s kalcijevim karbidom pri visoki temperaturi. Kot rezultat tega dobimo dva produkta: kalcijev fluorid in karbid, ki ga potrebujemo. Formula za to reakcijo je precej preprosta in jo lahko preberete v strokovni literaturi, če želite.
Če niste prepričani o uporabnosti gradiva, predstavljenega v članku, potem naslednjeoddelek za vas.
Kako je to lahko koristno v življenju?
No, najprej poznavanje kemičnih spojin nikoli ne more biti odveč. Vedno je bolje biti oborožen z znanjem kot ostati brez njega. Drugič, več ko veste o obstoju določenih spojin, bolje razumete mehanizem njihovega nastanka in zakonitosti, ki jim omogočajo obstoj.
Preden nadaljujem do konca, bi rad dal nekaj priporočil za preučevanje tega gradiva.
Kako ga preučiti?
Zelo preprosto. To je samo veja kemije. In to bi bilo treba študirati v učbenikih kemije. Začnite s šolskimi informacijami in pojdite na bolj poglobljene informacije iz univerzitetnih učbenikov in referenčnih knjig.
Sklep
Ta tema ni tako preprosta in dolgočasna, kot se zdi na prvi pogled. Kemija je lahko vedno zanimiva, če v njej najdeš svoj namen.
