U svijetu je poznato mnogo različitih hemijskih jedinjenja: oko stotine miliona. I svi su oni, kao i ljudi, individualni. Nemoguće je pronaći dvije supstance koje bi imale ista hemijska i fizička svojstva sa različitim sastavom.
Jedna od najzanimljivijih neorganskih supstanci koje postoje u svijetu su karbidi. U ovom članku ćemo raspravljati o njihovoj strukturi, fizičkim i kemijskim svojstvima, primjeni i analizirati zamršenosti njihove proizvodnje. Ali prvo, malo o istoriji otkrića.
Historija
Metalni karbidi, čije formule ćemo dati u nastavku, nisu prirodna jedinjenja. To je zbog činjenice da se njihovi molekuli razlažu u interakciji s vodom. Stoga je ovdje vrijedno govoriti o prvim pokušajima sintetiziranja karbida.
Od 1849. postoje reference na sintezu silicijum karbida, ali neki od ovih pokušaja ostaju neprepoznati. Veliku proizvodnju započeo je 1893. američki hemičar Edward Acheson u procesu koji je kasnije nazvan po njemu.
Istorija sinteze kalcijum karbida se takođe ne razlikuje u velikoj količini informacija. Godine 1862. njemački hemičar Friedrich Wöhler ga je dobio zagrijavanjem legiranog cinka i kalcija sa ugljem.
Sada pređimo na zanimljivije odjeljke: kemijska ifizička svojstva. Uostalom, upravo u njima leži cijela suština upotrebe ove klase supstanci.
Fizička svojstva
Apsolutno svi karbidi se razlikuju po svojoj tvrdoći. Na primjer, jedna od najtvrđih tvari na Mohsovoj skali je volfram karbid (9 od 10 mogućih bodova). Osim toga, ove supstance su veoma vatrostalne: tačka topljenja nekih od njih dostiže dve hiljade stepeni.
Većina karbida je hemijski inertna i u interakciji sa malom količinom supstanci. Nerastvorljivi su ni u kakvim rastvaračima. Međutim, otapanje se može smatrati interakcijom s vodom s razaranjem veza i stvaranjem metalnog hidroksida i ugljovodonika.
O posljednjoj reakciji i mnogim drugim zanimljivim kemijskim transformacijama koje uključuju karbide govorit ćemo u sljedećem odjeljku.
Hemijska svojstva
Gotovo svi karbidi stupaju u interakciju s vodom. Neki - lako i bez zagrijavanja (na primjer, kalcijev karbid), a neki (na primjer, silicijum karbid) - zagrijavanjem vodene pare do 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 zato što se vodonik sadržan u vodi kombinira s ugljikom u karbidu. Moguće je razumjeti koji će ugljikovodik ispasti (a mogu se ispostaviti i zasićeni i nezasićeni spojevi) na osnovu valencije ugljika sadržanog u izvornoj tvari. Na primjer, ako uimamo kalcijum karbid, čija je formula CaC2, vidimo da sadrži jon C22-. To znači da se na njega mogu vezati dva vodonikova jona sa + nabojem. Tako dobijamo jedinjenje C2H2 - acetilen. Na isti način, iz jedinjenja kao što je aluminijum karbid, čija je formula Al4C3, dobijamo CH 4. Zašto ne C3H12, pitate se? Na kraju krajeva, jon ima naelektrisanje od 12-. Činjenica je da je maksimalni broj atoma vodika određen formulom 2n + 2, gdje je n broj atoma ugljika. To znači da samo jedinjenje sa formulom C3H8 (propan) može postojati, a taj jon sa nabojem od 12- raspada se na tri joni sa nabojem od 4-, koji daju molekule metana kada se kombinuju sa protonima.
Zanimljive su reakcije oksidacije karbida. Mogu se pojaviti i kada su izloženi jakim mješavinama oksidirajućih sredstava, i tijekom običnog sagorijevanja 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, silicijum karbid, čija je formula SiC, kada je u interakciji sa mješavinom dušične i fluorovodične kiseline, stvara heksafluorosilicijsku kiselinu uz oslobađanje ugljičnog dioksida. A pri provođenju iste reakcije, ali samo s dušičnom kiselinom, dobivamo silicijum oksid i ugljični dioksid. Halogeni i halkogeni se takođe mogu nazvati oksidacionim agensima. Bilo koji 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 svako od industrijski važnih jedinjenja ove klase, a zatim razgovarati o njihovoj primjeni u našim životima.
Šta 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 radi se o karbidu nalik soli. Ova klasa jedinjenja je tako nazvana jer se zapravo ponaša kao so, odnosno sposobna je da se disocira na jone. Takva ionska veza je vrlo slaba, što olakšava izvođenje reakcije hidrolize i mnogih drugih transformacija, uključujući interakcije između jona.
Drugi, možda industrijski važniji, tip karbida je kovalentni karbid, kao što je SiC ili WC. Odlikuju se velikom gustinom i čvrstoćom. Također je vatrostalna i inertna za razrjeđivanje hemikalija.
Postoje i karbidi slični metalu. Prije se mogu smatrati legurama metala s ugljikom. Među njima se može razlikovati, na primjer, cementit (gvozdeni karbid, čija formula varira, ali u proseku je otprilike sledeća: Fe3C) ili liveno gvožđe. Imaju hemijsku aktivnost srednjeg stepena između jonskih i kovalentnih karbida.
Svaka od ovih podvrsta klase hemijskih jedinjenja o kojoj raspravljamo ima svoju praktičnu primenu. Kako i gdje se prijavitio svakom ćemo govoriti u sljedećem odjeljku.
Praktična primjena karbida
Kao što smo već raspravljali, kovalentni karbidi imaju najširi spektar praktične primjene. To su abrazivni i rezni materijali, te kompozitni materijali koji se koriste u raznim oblastima (na primjer, kao jedan od materijala koji čine pancire), i auto dijelovi, i elektronički uređaji, i grijači, i nuklearna energija. I ovo nije potpuna lista primjena za ove supertvrde karbide.
Karbidi koji tvore so imaju najužu primjenu. Njihova reakcija s vodom koristi se kao laboratorijska metoda za proizvodnju ugljikovodika. Već smo raspravljali o tome kako se to dešava iznad.
Uz kovalentne karbide nalik metalima imaju najširu primjenu u industriji. Kao što smo već rekli, takva vrsta jedinjenja nalik metalu o kojoj govorimo su čelici, liveno gvožđe i druga metalna jedinjenja prošarana ugljenikom. Po pravilu, metal koji se nalazi u takvim supstancama pripada klasi d-metala. Zato je sklon da formira ne kovalentne veze, već da se, takoreći, uvede u strukturu metala.
Po našem mišljenju, gornji spojevi imaju više nego dovoljno praktične primjene. Sada pogledajmo proces njihovog dobijanja.
Proizvodnja karbida
Prve dvije vrste karbida koje smo ispitivali, a to su kovalentni i slani, najčešće se dobijaju 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 stvara karbid. Drugi dio "uzima" kisik i formira ugljični monoksid. Ova metoda je veoma energetska, jer zahtijeva održavanje visoke temperature (oko 1600-2500 stepeni) u zoni reakcije.
Alternativne reakcije se koriste za dobijanje određenih vrsta jedinjenja. Na primjer, razlaganje spoja, što na kraju daje karbid. Reakciona formula zavisi od specifičnog jedinjenja, tako da o tome nećemo raspravljati.
Pre nego što završimo naš članak, hajde da razgovaramo o nekim zanimljivim karbidima i razgovarajmo o njima detaljnije.
Zanimljive veze
Natrijum karbid. Formula za ovo jedinjenje je C2Na2. Ovo se više može smatrati acetilenidom (tj. proizvodom zamjene atoma vodika u acetilenu atomima natrija), a ne karbidom. Hemijska formula ne odražava u potpunosti ove suptilnosti, pa ih se mora tražiti u strukturi. Ovo je vrlo aktivna supstanca i u svakom kontaktu s vodom vrlo aktivno stupa u interakciju s njom stvaranjem acetilena i lužine.
Magnezijum karbid. Formula: MgC2. Metode za dobijanje ovog dovoljno aktivnog jedinjenja su od interesa. Jedan od njih uključuje sinterovanje magnezijum fluorida sa kalcijum karbidom na visokoj temperaturi. Kao rezultat toga dobijaju se dva proizvoda: kalcijum 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, pre svega, poznavanje hemijskih jedinjenja nikada ne može biti suvišno. Uvijek je bolje biti naoružan znanjem nego ostati bez njega. Drugo, što više znate o postojanju određenih jedinjenja, to bolje razumete mehanizam njihovog formiranja i zakone koji im omogućavaju postojanje.
Pre nego što pređemo na kraj, želeo bih da dam nekoliko preporuka za proučavanje ovog materijala.
Kako to proučiti?
Vrlo jednostavno. To je samo grana hemije. I to treba učiti u udžbenicima hemije. Počnite sa školskim informacijama i prijeđite na detaljnije informacije iz univerzitetskih udžbenika i priručnika.
Zaključak
Ova tema nije tako jednostavna i dosadna kao što se čini na prvi pogled. Hemija uvijek može biti zanimljiva ako u njoj nađete svoju svrhu.
