Karbida: formula, penggunaan dan sifat

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-17 05:36

Banyak sebatian kimia yang berbeza diketahui di dunia: kira-kira ratusan juta. Dan kesemuanya, seperti manusia, adalah individu. Adalah mustahil untuk mencari dua bahan yang mempunyai sifat kimia dan fizikal yang sama dengan komposisi yang berbeza.

Salah satu bahan tak organik paling menarik yang wujud di dunia ialah karbida. Dalam artikel ini, kita akan membincangkan struktur, sifat fizikal dan kimia, aplikasi dan menganalisis selok-belok pengeluarannya. Tetapi pertama-tama, sedikit tentang sejarah penemuan.

Sejarah

Karbida logam, formula yang akan kami berikan di bawah, bukanlah sebatian semula jadi. Ini disebabkan oleh fakta bahawa molekul mereka cenderung terurai apabila berinteraksi dengan air. Oleh itu, adalah wajar bercakap tentang percubaan pertama untuk mensintesis karbida di sini.

Dari tahun 1849 terdapat rujukan kepada sintesis silikon karbida, tetapi beberapa percubaan ini masih tidak diiktiraf. Pengeluaran berskala besar bermula pada 1893 oleh ahli kimia Amerika Edward Acheson dalam proses yang kemudiannya dinamakan sempena namanya.

Sejarah sintesis kalsium karbida juga tidak berbeza dalam sejumlah besar maklumat. Pada tahun 1862, ahli kimia Jerman Friedrich Wöhler memperolehnya dengan memanaskan zink dan kalsium aloi dengan arang batu.

Sekarang mari kita beralih kepada bahagian yang lebih menarik: kimia danciri-ciri fizikal. Lagipun, pada merekalah intipati keseluruhan penggunaan bahan kelas ini.

Sifat fizikal

Semestinya semua karbida dibezakan oleh kekerasannya. Sebagai contoh, salah satu bahan paling keras pada skala Mohs ialah tungsten karbida (9 daripada 10 mata yang mungkin). Di samping itu, bahan ini sangat tahan api: takat lebur sesetengah daripadanya mencapai dua ribu darjah.

Kebanyakan karbida tidak aktif secara kimia dan berinteraksi dengan sejumlah kecil bahan. Mereka tidak larut dalam mana-mana pelarut. Walau bagaimanapun, pelarutan boleh dianggap sebagai interaksi dengan air dengan pemusnahan ikatan dan pembentukan logam hidroksida dan hidrokarbon.

Kita akan bercakap tentang tindak balas terakhir dan banyak lagi transformasi kimia menarik yang melibatkan karbida dalam bahagian seterusnya.

Sifat kimia

Hampir semua karbida berinteraksi dengan air. Beberapa - dengan mudah dan tanpa pemanasan (contohnya, kalsium karbida), dan beberapa (contohnya, silikon karbida) - dengan memanaskan wap air hingga 1800 darjah. Kereaktifan dalam kes ini bergantung pada sifat ikatan dalam sebatian, yang akan kita bincangkan kemudian. Dalam tindak balas dengan air, pelbagai hidrokarbon terbentuk. Ini berlaku kerana hidrogen yang terkandung dalam air bergabung dengan karbon dalam karbida. Adalah mungkin untuk memahami hidrokarbon mana yang akan keluar (dan kedua-dua sebatian tepu dan tak tepu boleh berubah) berdasarkan valensi karbon yang terkandung dalam bahan asal. Contohnya, jika ukita mempunyai kalsium karbida, formulanya ialah CaC₂, kita lihat ia mengandungi ion C₂^{2-. Ini bermakna dua ion hidrogen dengan cas + boleh dilekatkan padanya. Oleh itu, kita mendapat sebatian C}2_H2 _{- asetilena. Dengan cara yang sama, daripada sebatian seperti aluminium karbida, formulanya ialah Al}4_C3_{, kita mendapat CH} 4_{. Mengapa tidak C}3_H12_{, anda bertanya? Lagipun, ion mempunyai cas 12-. Hakikatnya ialah bilangan maksimum atom hidrogen ditentukan oleh formula 2n + 2, di mana n ialah bilangan atom karbon. Ini bermakna hanya sebatian dengan formula C}3_H8 _{(propana) boleh wujud, dan ion dengan caj 12- mereput kepada tiga ion dengan cas 4-, yang memberikan molekul metana apabila digabungkan dengan proton.}

Tindak balas pengoksidaan karbida adalah menarik. Ia boleh berlaku apabila terdedah kepada campuran kuat agen pengoksidaan, dan semasa pembakaran biasa dalam suasana oksigen. Sekiranya semuanya jelas dengan oksigen: dua oksida diperoleh, maka dengan agen pengoksidaan lain ia lebih menarik. Semuanya bergantung pada sifat logam yang merupakan sebahagian daripada karbida, serta sifat agen pengoksidaan. Sebagai contoh, silikon karbida, formulanya adalah SiC, apabila berinteraksi dengan campuran asid nitrik dan hidrofluorik, membentuk asid heksafluorosilisik dengan pembebasan karbon dioksida. Dan apabila menjalankan tindak balas yang sama, tetapi dengan hanya asid nitrik, kita mendapat silikon oksida dan karbon dioksida. Halogen dan kalkogen juga boleh dirujuk sebagai agen pengoksida. Mana-mana karbida berinteraksi dengannya, formula tindak balas hanya bergantung pada strukturnya.

Karbida logam, formula yang telah kami pertimbangkan, jauh daripada satu-satunya wakil kelas sebatian ini. Sekarang kita akan melihat dengan lebih dekat setiap sebatian penting dalam industri kelas ini dan kemudian bercakap tentang aplikasinya dalam kehidupan kita.

Apakah itu karbida?

Ternyata karbida, yang formulanya, katakan, CaC_2, berbeza dengan ketara dalam struktur daripada SiC. Dan perbezaannya adalah terutamanya dalam sifat ikatan antara atom. Dalam kes pertama, kita berurusan dengan karbida seperti garam. Kelas sebatian ini dinamakan demikian kerana ia sebenarnya berkelakuan seperti garam, iaitu, ia mampu berpecah menjadi ion. Ikatan ionik sedemikian adalah sangat lemah, yang menjadikannya mudah untuk menjalankan tindak balas hidrolisis dan banyak transformasi lain, termasuk interaksi antara ion.

Satu lagi, mungkin lebih penting dari segi industri, jenis karbida ialah karbida kovalen, seperti SiC atau WC. Mereka dicirikan oleh ketumpatan tinggi dan kekuatan. Juga tahan api dan lengai untuk mencairkan bahan kimia.

Terdapat juga karbida seperti logam. Mereka boleh dianggap sebagai aloi logam dengan karbon. Di antara ini, seseorang boleh membezakan, sebagai contoh, simentit (besi karbida, formulanya berbeza-beza, tetapi secara purata ia adalah lebih kurang seperti berikut: Fe₃C) atau besi tuang. Mereka mempunyai aktiviti kimia tahap pertengahan antara karbida ionik dan kovalen.

Setiap subspesies kelas sebatian kimia yang kita bincangkan ini mempunyai aplikasi praktikalnya sendiri. Bagaimana dan di mana untuk memohonsetiap satu, kita akan bincangkan di bahagian seterusnya.

Aplikasi praktikal karbida

Seperti yang telah kita bincangkan, karbida kovalen mempunyai rangkaian aplikasi praktikal yang paling luas. Ini adalah bahan pelelas dan pemotongan, dan bahan komposit yang digunakan dalam pelbagai bidang (contohnya, sebagai salah satu bahan yang membentuk perisai badan), dan bahagian auto, dan peranti elektronik, dan elemen pemanas, dan tenaga nuklear. Dan ini bukan senarai lengkap aplikasi untuk karbida superhard ini.

Karbida pembentuk garam mempunyai penggunaan paling sempit. Tindak balas mereka dengan air digunakan sebagai kaedah makmal untuk menghasilkan hidrokarbon. Kami telah membincangkan bagaimana ini berlaku di atas.

Bersama-sama dengan kovalen, karbida seperti logam mempunyai aplikasi terluas dalam industri. Seperti yang telah kita katakan, jenis sebatian seperti logam yang kita bincangkan adalah keluli, besi tuang dan sebatian logam lain yang diselingi dengan karbon. Sebagai peraturan, logam yang terdapat dalam bahan tersebut tergolong dalam kelas d-logam. Itulah sebabnya ia cenderung untuk membentuk bukan ikatan kovalen, tetapi, seolah-olah, untuk dimasukkan ke dalam struktur logam.

Pada pendapat kami, sebatian di atas mempunyai lebih daripada cukup aplikasi praktikal. Sekarang mari kita lihat proses mendapatkannya.

Pengeluaran karbida

Dua jenis karbida pertama yang kami periksa, iaitu kovalen dan seperti garam, paling kerap diperoleh dengan satu cara mudah: melalui tindak balas oksida unsur dan kok pada suhu tinggi. Pada masa yang sama, bahagiankok, yang terdiri daripada karbon, bergabung dengan atom unsur dalam komposisi oksida, dan membentuk karbida. Bahagian lain "mengambil" oksigen dan membentuk karbon monoksida. Kaedah ini sangat memakan tenaga, kerana ia memerlukan mengekalkan suhu tinggi (kira-kira 1600-2500 darjah) dalam zon tindak balas.

Tindak balas alternatif digunakan untuk mendapatkan jenis sebatian tertentu. Sebagai contoh, penguraian sebatian, yang akhirnya memberikan karbida. Formula tindak balas bergantung pada sebatian tertentu, jadi kami tidak akan membincangkannya.

Sebelum kita mengakhiri artikel kita, mari kita bincangkan beberapa karbida yang menarik dan bercakap tentangnya dengan lebih terperinci.

Sambungan menarik

Natrium karbida. Formula untuk sebatian ini ialah C₂Na₂. Ini boleh dianggap lebih sebagai asetilenida (iaitu, hasil penggantian atom hidrogen dalam asetilena oleh atom natrium), dan bukannya karbida. Formula kimia tidak mencerminkan sepenuhnya kehalusan ini, jadi ia mesti dicari dalam struktur. Ini adalah bahan yang sangat aktif dan dalam sebarang sentuhan dengan air ia sangat aktif berinteraksi dengannya dengan pembentukan asetilena dan alkali.

Magnesium karbida. Formula: MgC₂. Kaedah untuk mendapatkan sebatian yang cukup aktif ini adalah menarik. Salah satunya melibatkan pensinteran magnesium fluorida dengan kalsium karbida pada suhu tinggi. Hasil daripada ini, dua produk diperolehi: kalsium fluorida dan karbida yang kita perlukan. Formula untuk tindak balas ini agak mudah, dan anda boleh membacanya dalam kesusasteraan khusus jika anda mahu.

Jika anda tidak pasti tentang kegunaan bahan yang dibentangkan dalam artikel, maka perkara berikutbahagian untuk anda.

Bagaimanakah ini boleh berguna dalam kehidupan?

Nah, pertama sekali, pengetahuan tentang sebatian kimia tidak boleh berlebihan. Ia sentiasa lebih baik untuk dipersenjatai dengan ilmu daripada ditinggalkan tanpanya. Kedua, lebih banyak anda mengetahui tentang kewujudan sebatian tertentu, lebih baik anda memahami mekanisme pembentukannya dan undang-undang yang membenarkannya wujud.

Sebelum meneruskan ke penghujung, saya ingin memberikan beberapa cadangan untuk kajian bahan ini.

Bagaimana cara mempelajarinya?

Sangat mudah. Ia hanya satu cabang kimia. Dan ia harus dipelajari dalam buku teks kimia. Mulakan dengan maklumat sekolah dan teruskan kepada maklumat yang lebih mendalam daripada buku teks universiti dan buku rujukan.

Kesimpulan

Topik ini tidak semudah dan membosankan seperti yang kelihatan pada pandangan pertama. Kimia sentiasa menarik jika anda mendapati tujuan anda di dalamnya.