Pasaulē ir zināms ļoti daudz dažādu ķīmisko savienojumu: aptuveni simtiem miljonu. Un viņi visi, tāpat kā cilvēki, ir individuāli. Nav iespējams atrast divas vielas, kurām būtu vienādas ķīmiskās un fizikālās īpašības ar atšķirīgu sastāvu.
Viena no interesantākajām neorganiskajām vielām, kas pastāv pasaulē, ir karbīdi. Šajā rakstā mēs apspriedīsim to struktūru, fizikālās un ķīmiskās īpašības, pielietojumu un analizēsim to ražošanas sarežģītības. Bet vispirms nedaudz par atklājuma vēsturi.
Vēsture
Metālu karbīdi, kuru formulas sniegsim tālāk, nav dabiski savienojumi. Tas ir saistīts ar faktu, ka to molekulām ir tendence sadalīties, mijiedarbojoties ar ūdeni. Tāpēc šeit ir vērts runāt par pirmajiem mēģinājumiem sintezēt karbīdus.
No 1849. gada ir atsauces uz silīcija karbīda sintēzi, taču daži no šiem mēģinājumiem joprojām nav atpazīti. Liela mēroga ražošanu 1893. gadā sāka amerikāņu ķīmiķis Edvards Eišesons procesā, kas vēlāk tika nosaukts viņa vārdā.
Kalcija karbīda sintēzes vēsture arī neatšķiras ar lielu informācijas apjomu. 1862. gadā vācu ķīmiķis Frīdrihs Vēlers to ieguva, karsējot leģēto cinku un kalciju ar akmeņoglēm.
Tagad pāriesim pie interesantākām sadaļām: ķīmiskās unfizikālās īpašības. Galu galā tieši tajās slēpjas visa šīs klases vielu lietošanas būtība.
Fizikālās īpašības
Absolūti visi karbīdi atšķiras ar savu cietību. Piemēram, viena no cietākajām vielām pēc Mosa skalas ir volframa karbīds (9 no 10 iespējamiem punktiem). Turklāt šīs vielas ir ļoti ugunsizturīgas: dažu no tām kušanas temperatūra sasniedz divus tūkstošus grādu.
Lielākā daļa karbīdu ir ķīmiski inerti un mijiedarbojas ar nelielu vielu daudzumu. Tie nešķīst jebkuros šķīdinātājos. Tomēr izšķīšanu var uzskatīt par mijiedarbību ar ūdeni, iznīcinot saites un veidojot metāla hidroksīdu un ogļūdeņražus.
Par pēdējo reakciju un daudzām citām interesantām ķīmiskām pārvērtībām, kas saistītas ar karbīdiem, mēs runāsim nākamajā sadaļā.
Ķīmiskās īpašības
Gandrīz visi karbīdi mijiedarbojas ar ūdeni. Daži - viegli un bez sildīšanas (piemēram, kalcija karbīds), bet daži (piemēram, silīcija karbīds) - uzsildot ūdens tvaikus līdz 1800 grādiem. Reaktivitāte šajā gadījumā ir atkarīga no savienojuma saites rakstura, par ko mēs runāsim vēlāk. Reakcijā ar ūdeni veidojas dažādi ogļūdeņraži. Tas notiek tāpēc, ka ūdenī esošais ūdeņradis apvienojas ar oglekli karbīdā. Ir iespējams saprast, kurš ogļūdeņradis izrādīsies (un var izrādīties gan piesātinātie, gan nepiesātinātie savienojumi), pamatojoties uz sākotnējā vielā esošā oglekļa valenci. Piemēram, ja umums ir kalcija karbīds, kura formula ir CaC2, mēs redzam, ka tas satur jonu C22-. Tas nozīmē, ka tam var pievienot divus ūdeņraža jonus ar + lādiņu. Tādējādi iegūstam savienojumu C2H2 - acetilēns. Tādā pašā veidā no tāda savienojuma kā alumīnija karbīds, kura formula ir Al4C3, mēs iegūstam CH 4. Kāpēc ne C3H12, jūs jautājat? Galu galā jona lādiņš ir 12-. Fakts ir tāds, ka maksimālo ūdeņraža atomu skaitu nosaka pēc formulas 2n + 2, kur n ir oglekļa atomu skaits. Tas nozīmē, ka var pastāvēt tikai savienojums ar formulu C3H8 (propāns), un šis jons ar lādiņu 12 sadalās trīs daļās. joni ar lādiņu 4-, kas kopā ar protoniem veido metāna molekulas.
Interesantas ir karbīdu oksidācijas reakcijas. Tie var rasties gan tad, ja tiek pakļauti spēcīgiem oksidētāju maisījumiem, gan parastās sadegšanas laikā skābekļa atmosfērā. Ja ar skābekli viss ir skaidrs: tiek iegūti divi oksīdi, tad ar citiem oksidētājiem ir interesantāk. Tas viss ir atkarīgs no metāla, kas ir daļa no karbīda, īpašībām, kā arī no oksidētāja īpašībām. Piemēram, silīcija karbīds, kura formula ir SiC, mijiedarbojoties ar slāpekļskābes un fluorūdeņražskābes maisījumu, veido heksafluorsilicskābi ar oglekļa dioksīda izdalīšanos. Un, veicot to pašu reakciju, bet tikai ar slāpekļskābi, mēs iegūstam silīcija oksīdu un oglekļa dioksīdu. Halogēnus un halkogēnus var saukt arī par oksidētājiem. Jebkurš karbīds mijiedarbojas ar tiem, reakcijas formula ir atkarīga tikai no tā struktūras.
Metālu karbīdi, kuru formulas esam apsvēruši, nebūt nav vienīgie šīs savienojumu klases pārstāvji. Tagad mēs sīkāk aplūkosim katru no rūpnieciski nozīmīgākajiem šīs klases savienojumiem un pēc tam runāsim par to pielietojumu mūsu dzīvē.
Kas ir karbīdi?
Izrādās, ka karbīds, kura formula, teiksim, CaC2, pēc struktūras būtiski atšķiras no SiC. Un atšķirība galvenokārt ir saites starp atomiem būtībā. Pirmajā gadījumā mums ir darīšana ar sāls līdzīgu karbīdu. Šī savienojumu klase ir nosaukta tā, jo tā faktiski uzvedas kā sāls, tas ir, tā spēj sadalīties jonos. Šāda jonu saite ir ļoti vāja, kas ļauj viegli veikt hidrolīzes reakciju un daudzas citas pārvērtības, tostarp mijiedarbību starp joniem.
Cits, iespējams, rūpnieciski svarīgāks karbīda veids ir kovalentais karbīds, piemēram, SiC vai WC. Tiem raksturīgs augsts blīvums un izturība. Arī ugunsizturīgi un inerti pret ķīmisko vielu atšķaidīšanu.
Ir arī metālam līdzīgi karbīdi. Tos drīzāk var uzskatīt par metālu sakausējumiem ar oglekli. Starp tiem var atšķirt, piemēram, cementītu (dzelzs karbīdu, kura formula ir dažāda, bet vidēji tā ir aptuveni šāda: Fe3C) vai čugunu. To ķīmiskā aktivitāte ir starp jonu un kovalentiem karbīdiem.
Katrai no šīm ķīmisko savienojumu klases apakšsugām, par kurām mēs runājam, ir savs praktisks pielietojums. Kā un kur pieteiktiesPar katru no tiem mēs runāsim nākamajā sadaļā.
Praktisks karbīdu pielietojums
Kā mēs jau apspriedām, kovalentajiem karbīdiem ir visplašākais praktisko pielietojumu klāsts. Tie ir abrazīvie un griešanas materiāli, un kompozītmateriāli, ko izmanto dažādās jomās (piemēram, kā viens no materiāliem, kas veido bruņuvestes), un automašīnu daļas, un elektroniskās ierīces, un sildelementi un kodolenerģija. Un šis nav pilns šo īpaši cieto karbīdu lietojumu saraksts.
Sāli veidojošiem karbīdiem ir šaurākais pielietojums. To reakciju ar ūdeni izmanto kā laboratorijas metodi ogļūdeņražu iegūšanai. Mēs jau iepriekš apspriedām, kā tas notiek.
Kopā ar kovalentiem metāliem līdzīgiem karbīdiem rūpniecībā ir visplašākais pielietojums. Kā jau teicām, šāds metālam līdzīgs savienojumu veids, par kuru mēs runājam, ir tērauds, čuguns un citi metālu savienojumi, kas mijas ar oglekli. Parasti šādās vielās atrodamais metāls pieder d-metālu klasei. Tieši tāpēc tas tiecas veidot nevis kovalentās saites, bet it kā iekļauties metāla struktūrā.
Mūsuprāt, iepriekšminētajiem savienojumiem ir vairāk nekā pietiekami praktisks pielietojums. Tagad apskatīsim to iegūšanas procesu.
Karbīdu ražošana
Pirmie divi mūsu pārbaudītie karbīdu veidi, proti, kovalentie un sāls līdzīgie, visbiežāk tiek iegūti vienā vienkāršā veidā: elementa oksīda un koksa reakcijā augstā temperatūrā. Tajā pašā laikā daļakokss, kas sastāv no oglekļa, savienojas ar elementa atomu oksīda sastāvā un veido karbīdu. Otra daļa "paņem" skābekli un veido oglekļa monoksīdu. Šī metode ir ļoti energoietilpīga, jo reakcijas zonā ir jāuztur augsta temperatūra (apmēram 1600-2500 grādi).
Lai iegūtu noteiktu veidu savienojumus, tiek izmantotas alternatīvas reakcijas. Piemēram, savienojuma sadalīšanās, kas galu galā dod karbīdu. Reakcijas formula ir atkarīga no konkrētā savienojuma, tāpēc mēs to neapspriedīsim.
Pirms pabeidzam rakstu, apspriedīsim dažus interesantus karbīdus un parunāsim par tiem sīkāk.
Interesanti sakari
Nātrija karbīds. Šī savienojuma formula ir C2Na2. To drīzāk var uzskatīt par acetilenīdu (t.i., produktu, kas rodas, acetilēna ūdeņraža atomu aizstāšanai ar nātrija atomiem), nevis karbīdu. Ķīmiskā formula pilnībā neatspoguļo šīs smalkumus, tāpēc tie ir jāmeklē struktūrā. Šī ir ļoti aktīva viela, un jebkurā saskarē ar ūdeni tā ļoti aktīvi mijiedarbojas ar to, veidojot acetilēnu un sārmu.
Magnija karbīds. Formula: MgC2. Interesantas ir metodes šī pietiekami aktīvā savienojuma iegūšanai. Viens no tiem ietver magnija fluorīda saķepināšanu ar kalcija karbīdu augstā temperatūrā. Tā rezultātā tiek iegūti divi produkti: kalcija fluorīds un mums nepieciešamais karbīds. Šīs reakcijas formula ir diezgan vienkārša, un, ja vēlaties, varat to izlasīt specializētajā literatūrā.
Ja neesat pārliecināts par rakstā sniegtā materiāla lietderību, tadsadaļa jums.
Kā tas var noderēt dzīvē?
Nu, pirmkārt, zināšanas par ķīmiskajiem savienojumiem nekad nevar būt liekas. Vienmēr ir labāk būt bruņotam ar zināšanām, nekā palikt bez tām. Otrkārt, jo vairāk jūs zināt par noteiktu savienojumu esamību, jo labāk izprotat to veidošanās mehānismu un likumus, kas ļauj tiem pastāvēt.
Pirms pāriet uz beigām, es vēlos sniegt dažus ieteikumus šī materiāla izpētei.
Kā to izpētīt?
Ļoti vienkārši. Tā ir tikai ķīmijas nozare. Un tas būtu jāmācās ķīmijas mācību grāmatās. Sāciet ar informāciju par skolu un pārejiet pie padziļinātas informācijas no universitātes mācību grāmatām un uzziņu grāmatām.
Secinājums
Šī tēma nav tik vienkārša un garlaicīga, kā šķiet pirmajā mirklī. Ķīmija vienmēr var būt interesanta, ja atrodi tajā savu mērķi.
