Er zijn veel verschillende chemische verbindingen bekend in de wereld: ongeveer honderden miljoenen. En ze zijn allemaal, net als mensen, individueel. Het is onmogelijk om twee stoffen te vinden die dezelfde chemische en fysische eigenschappen zouden hebben met een verschillende samenstelling.
Een van de interessantste anorganische stoffen die er in de wereld bestaan, zijn carbiden. In dit artikel zullen we hun structuur, fysische en chemische eigenschappen, toepassingen bespreken en de fijne kneepjes van hun productie analyseren. Maar eerst iets over de geschiedenis van de ontdekking.
Geschiedenis
Metaalcarbiden, waarvan we de formules hieronder zullen geven, zijn geen natuurlijke verbindingen. Dit komt door het feit dat hun moleculen de neiging hebben om te ontleden bij interactie met water. Daarom is het de moeite waard om hier te praten over de eerste pogingen om carbiden te synthetiseren.
Vanaf 1849 zijn er verwijzingen naar de synthese van siliciumcarbide, maar sommige van deze pogingen worden niet herkend. Grootschalige productie begon in 1893 door de Amerikaanse chemicus Edward Acheson in een proces dat later naar hem werd genoemd.
De geschiedenis van de synthese van calciumcarbide verschilt ook niet in een grote hoeveelheid informatie. In 1862 verkreeg de Duitse chemicus Friedrich Wöhler het door gelegeerd zink en calcium te verhitten met steenkool.
Laten we nu verder gaan met meer interessante secties: chemisch enfysieke eigenschappen. Daarin ligt immers de hele essentie van het gebruik van deze klasse van stoffen.
Fysieke eigenschappen
Absoluut alle carbiden onderscheiden zich door hun hardheid. Een van de hardste stoffen op de schaal van Mohs is bijvoorbeeld wolfraamcarbide (9 van de 10 mogelijke punten). Bovendien zijn deze stoffen zeer vuurvast: het smeltpunt van sommige bereikt tweeduizend graden.
De meeste carbiden zijn chemisch inert en hebben een wisselwerking met een kleine hoeveelheid stoffen. Ze zijn onoplosbaar in alle oplosmiddelen. Oplossen kan echter worden beschouwd als interactie met water met de vernietiging van bindingen en de vorming van metaalhydroxide en koolwaterstof.
We zullen het hebben over de laatste reactie en vele andere interessante chemische transformaties waarbij carbiden betrokken zijn in de volgende sectie.
Chemische eigenschappen
Bijna alle carbiden hebben een wisselwerking met water. Sommige - gemakkelijk en zonder verwarming (bijvoorbeeld calciumcarbide), en sommige (bijvoorbeeld siliciumcarbide) - door waterdamp te verwarmen tot 1800 graden. De reactiviteit hangt in dit geval af van de aard van de binding in de verbinding, die we later zullen bespreken. Bij de reactie met water worden verschillende koolwaterstoffen gevormd. Dit gebeurt omdat de waterstof in het water wordt gecombineerd met de koolstof in het carbide. Het is mogelijk om te begrijpen welke koolwaterstof zal blijken (en zowel verzadigde als onverzadigde verbindingen kunnen blijken) op basis van de valentie van de koolstof in de oorspronkelijke stof. Als u bijvoorbeeldwe hebben calciumcarbide, waarvan de formule CaC2 is, we zien dat het het ion C22- bevat. Dit betekent dat er twee waterstofionen met een + lading aan vast kunnen zitten. Zo krijgen we de verbinding C2H2 - acetyleen. Op dezelfde manier krijgen we van een verbinding zoals aluminiumcarbide, waarvan de formule Al4C3 is, CH 4. Waarom niet C3H12, vraag je? Het ion heeft immers een lading van 12-. Feit is dat het maximale aantal waterstofatomen wordt bepaald door de formule 2n + 2, waarbij n het aantal koolstofatomen is. Dit betekent dat alleen een verbinding met de formule C3H8 (propaan) kan bestaan, en dat ion met een lading van 12- verv alt in drie ionen met een lading van 4-, die methaanmoleculen geven in combinatie met protonen.
Oxidatiereacties van carbiden zijn interessant. Ze kunnen zowel optreden bij blootstelling aan sterke mengsels van oxidatiemiddelen als bij gewone verbranding in een zuurstofatmosfeer. Als alles duidelijk is met zuurstof: er worden twee oxiden verkregen, dan is het met andere oxidatiemiddelen interessanter. Het hangt allemaal af van de aard van het metaal dat deel uitmaakt van het carbide, evenals van de aard van het oxidatiemiddel. Siliciumcarbide, waarvan de formule SiC is, vormt bijvoorbeeld bij interactie met een mengsel van salpeterzuur en fluorwaterstofzuur hexafluorkiezelzuur met de afgifte van koolstofdioxide. En als we dezelfde reactie uitvoeren, maar met alleen salpeterzuur, krijgen we siliciumoxide en koolstofdioxide. Halogenen en chalcogenen kunnen ook oxidatiemiddelen worden genoemd. Elk carbide interageert ermee, de reactieformule hangt alleen af van de structuur ervan.
Metaalcarbiden, waarvan we de formules hebben overwogen, zijn verre van de enige vertegenwoordigers van deze klasse van verbindingen. Nu zullen we elk van de industrieel belangrijke verbindingen van deze klasse nader bekijken en dan praten over hun toepassing in ons leven.
Wat zijn carbiden?
Het blijkt dat carbide, waarvan de formule bijvoorbeeld CaC2, qua structuur aanzienlijk verschilt van SiC. En het verschil zit vooral in de aard van de binding tussen atomen. In het eerste geval hebben we te maken met zoutachtig carbide. Deze klasse van verbindingen wordt zo genoemd omdat het zich eigenlijk als een zout gedraagt, dat wil zeggen, het kan dissociëren in ionen. Zo'n ionische binding is erg zwak, wat het gemakkelijk maakt om de hydrolysereactie en vele andere transformaties uit te voeren, inclusief interacties tussen ionen.
Een ander, misschien industrieel belangrijker type carbide is het covalente carbide, zoals SiC of WC. Ze worden gekenmerkt door een hoge dichtheid en sterkte. Ook vuurvast en inert om chemicaliën te verdunnen.
Er zijn ook metaalachtige carbiden. Ze kunnen eerder worden beschouwd als legeringen van metalen met koolstof. Hiervan kan men bijvoorbeeld cementiet (ijzercarbide, waarvan de formule varieert, maar gemiddeld ongeveer het volgende is: Fe3C) of gietijzer onderscheiden. Ze hebben een chemische activiteit die qua graad tussen ionische en covalente carbiden ligt.
Elk van deze ondersoorten van de klasse van chemische verbindingen die we bespreken, heeft zijn eigen praktische toepassing. Hoe en waar aanvragen?elk daarvan zullen we in de volgende sectie bespreken.
Praktische toepassing van carbiden
Zoals we al hebben besproken, hebben covalente carbiden het breedste scala aan praktische toepassingen. Dit zijn schurende en snijdende materialen en composietmaterialen die op verschillende gebieden worden gebruikt (bijvoorbeeld als een van de materialen waaruit kogelvrije kleding bestaat), en auto-onderdelen, en elektronische apparaten, en verwarmingselementen, en kernenergie. En dit is geen volledige lijst met toepassingen voor deze superharde carbiden.
Zoutvormende carbiden hebben de smalste toepassing. Hun reactie met water wordt gebruikt als laboratoriummethode voor het produceren van koolwaterstoffen. We hebben hierboven al besproken hoe dit gebeurt.
Samen met covalente hebben metaalachtige carbiden de breedste toepassing in de industrie. Zoals we al zeiden, een dergelijk metaalachtig type van de verbindingen die we bespreken, zijn staal, gietijzer en andere metaalverbindingen afgewisseld met koolstof. Het metaal dat in dergelijke stoffen wordt aangetroffen, behoort in de regel tot de klasse van de d-metalen. Daarom is het geneigd om geen covalente bindingen te vormen, maar als het ware in de structuur van het metaal te worden ingebracht.
Naar onze mening hebben bovenstaande verbindingen meer dan genoeg praktische toepassingen. Laten we nu eens kijken naar het proces om ze te verkrijgen.
Productie van carbiden
De eerste twee soorten carbiden die we hebben onderzocht, namelijk covalent en zoutachtig, worden meestal op één eenvoudige manier verkregen: door de reactie van het oxide van het element en cokes bij hoge temperatuur. Tegelijkertijd deelcokes, bestaande uit koolstof, combineert met een atoom van een element in de samenstelling van het oxide en vormt een carbide. Het andere deel "neemt" zuurstof op en vormt koolmonoxide. Deze methode kost veel energie, omdat er een hoge temperatuur (ongeveer 1600-2500 graden) in de reactiezone moet worden gehandhaafd.
Alternatieve reacties worden gebruikt om bepaalde soorten verbindingen te verkrijgen. Bijvoorbeeld de ontleding van een verbinding, die uiteindelijk een carbide geeft. De reactieformule is afhankelijk van de specifieke verbinding, dus we zullen het niet bespreken.
Laten we, voordat we ons artikel afsluiten, enkele interessante carbiden bespreken en er meer in detail over praten.
Interessante connecties
Natriumcarbide. De formule voor deze verbinding is C2Na2. Dit kan meer worden gezien als een acetylenide (d.w.z. het product van de vervanging van waterstofatomen in acetyleen door natriumatomen), dan als een carbide. De chemische formule weerspiegelt deze subtiliteiten niet volledig, dus ze moeten in de structuur worden gezocht. Dit is een zeer actieve stof en bij elk contact met water werkt het er zeer actief mee samen onder vorming van acetyleen en alkali.
Magnesiumcarbide. Formule: MgC2. Methoden voor het verkrijgen van deze voldoende actieve verbinding zijn van belang. Een daarvan betreft het sinteren van magnesiumfluoride met calciumcarbide bij hoge temperatuur. Hierdoor ontstaan twee producten: calciumfluoride en het carbide dat we nodig hebben. De formule voor deze reactie is vrij eenvoudig en u kunt deze desgewenst in de gespecialiseerde literatuur lezen.
Als je niet zeker bent van het nut van het materiaal dat in het artikel wordt gepresenteerd, dan is het volgende:sectie voor jou.
Hoe kan dit nuttig zijn in het leven?
Ten eerste, kennis van chemische verbindingen kan nooit overbodig zijn. Het is altijd beter om met kennis gewapend te zijn dan zonder. Ten tweede, hoe meer je weet over het bestaan van bepaalde verbindingen, hoe beter je het mechanisme van hun vorming begrijpt en de wetten waardoor ze kunnen bestaan.
Voordat ik verder ga met het einde, zou ik graag een paar aanbevelingen willen geven voor de studie van dit materiaal.
Hoe het te bestuderen?
Heel eenvoudig. Het is gewoon een tak van de chemie. En het zou in scheikundeboeken moeten worden bestudeerd. Begin met schoolinformatie en ga verder met meer diepgaande informatie uit studieboeken en naslagwerken van de universiteit.
Conclusie
Dit onderwerp is niet zo eenvoudig en saai als het op het eerste gezicht lijkt. Scheikunde kan altijd interessant zijn als je er je doel in vindt.
