Viele verschiedene chemische Verbindungen sind auf der Welt bekannt: etwa hundert Millionen. Und alle sind, wie Menschen, individuell. Es ist unmöglich, zwei Substanzen zu finden, die bei unterschiedlicher Zusammensetzung die gleichen chemischen und physikalischen Eigenschaften haben.
Eine der interessantesten anorganischen Substanzen, die es auf der Welt gibt, sind Karbide. In diesem Artikel werden wir ihre Struktur, physikalischen und chemischen Eigenschaften und Anwendungen diskutieren und die Feinheiten ihrer Herstellung analysieren. Aber zuerst ein wenig zur Geschichte der Entdeckung.
Verlauf
Metallkarbide, deren Formeln wir weiter unten angeben, sind keine natürlichen Verbindungen. Dies liegt daran, dass ihre Moleküle dazu neigen, sich bei der Wechselwirkung mit Wasser zu zersetzen. Daher lohnt es sich, hier über die ersten Versuche zur Synthese von Karbiden zu sprechen.
Ab 1849 gibt es Hinweise auf die Synthese von Siliciumcarbid, aber einige dieser Versuche bleiben unerkannt. Die großtechnische Produktion begann 1893 durch den amerikanischen Chemiker Edward Acheson in einem später nach ihm benannten Verfahren.
Die Geschichte der Synthese von Calciumcarbid unterscheidet sich auch nicht in einer großen Menge an Informationen. 1862 erhielt es der deutsche Chemiker Friedrich Wöhler durch Erhitzen von legiertem Zink und Calcium mit Kohle.
Nun kommen wir zu interessanteren Abschnitten: Chemie undphysikalische Eigenschaften. Schließlich liegt in ihnen die ganze Essenz der Verwendung dieser Stoffklasse.
Physikalische Eigenschaften
Absolut alle Hartmetalle zeichnen sich durch ihre Härte aus. Einer der härtesten Stoffe auf der Mohs-Skala ist beispielsweise Wolframcarbid (9 von 10 möglichen Punkten). Außerdem sind diese Substanzen sehr feuerfest: Der Schmelzpunkt einiger von ihnen erreicht zweitausend Grad.
Die meisten Karbide sind chemisch inert und interagieren mit einer geringen Menge an Substanzen. Sie sind in allen Lösungsmitteln unlöslich. Die Auflösung kann jedoch als Wechselwirkung mit Wasser mit der Zerstörung von Bindungen und der Bildung von Metallhydroxid und Kohlenwasserstoff betrachtet werden.
Wir werden im nächsten Abschnitt über die letzte Reaktion und viele andere interessante chemische Umwandlungen mit Carbiden sprechen.
Chemische Eigenschaften
Fast alle Karbide interagieren mit Wasser. Einige - leicht und ohne Erhitzen (z. B. Calciumcarbid) und einige (z. B. Siliziumcarbid) - durch Erhitzen von Wasserdampf auf 1800 Grad. Die Reaktivität hängt in diesem Fall von der Art der Bindung in der Verbindung ab, auf die wir später noch eingehen werden. Bei der Reaktion mit Wasser entstehen verschiedene Kohlenwasserstoffe. Dies geschieht, weil sich der im Wasser enth altene Wasserstoff mit dem Kohlenstoff im Karbid verbindet. Es ist möglich, anhand der Wertigkeit des in der ursprünglichen Substanz enth altenen Kohlenstoffs zu verstehen, welcher Kohlenwasserstoff entstehen wird (und es können sowohl gesättigte als auch ungesättigte Verbindungen entstehen). Zum Beispiel, wenn uWir haben Calciumcarbid, dessen Formel CaC2 ist, wir sehen, dass es das Ion C22- enthält. Das bedeutet, dass zwei Wasserstoffionen mit einer + Ladung daran angelagert werden können. So erh alten wir die Verbindung C2H2 - Acetylen. Auf die gleiche Weise erh alten wir aus einer Verbindung wie Aluminiumcarbid, deren Formel Al4C3 ist, CH 4. Warum nicht C3H12, fragen Sie? Immerhin hat das Ion eine Ladung von 12-. Tatsache ist, dass die maximale Anzahl von Wasserstoffatomen durch die Formel 2n + 2 bestimmt wird, wobei n die Anzahl der Kohlenstoffatome ist. Das bedeutet, dass nur eine Verbindung mit der Formel C3H8 (Propan) existieren kann und dieses Ion mit der Ladung 12- in drei zerfällt Ionen mit einer Ladung von 4-, die in Verbindung mit Protonen Methanmoleküle ergeben.
Oxidationsreaktionen von Karbiden sind interessant. Sie können sowohl auftreten, wenn sie starken Mischungen von Oxidationsmitteln ausgesetzt werden, als auch während einer gewöhnlichen Verbrennung in einer Sauerstoffatmosphäre. Wenn mit Sauerstoff alles klar ist: Es werden zwei Oxide erh alten, dann ist es mit anderen Oxidationsmitteln interessanter. Es hängt alles von der Art des Metalls ab, das Teil des Carbids ist, sowie von der Art des Oxidationsmittels. Beispielsweise bildet Siliziumkarbid, dessen Formel SiC ist, bei Wechselwirkung mit einer Mischung aus Salpeter- und Flusssäure unter Freisetzung von Kohlendioxid Hexafluorkieselsäure. Und wenn wir die gleiche Reaktion durchführen, aber nur mit Salpetersäure, erh alten wir Siliziumoxid und Kohlendioxid. Halogene und Chalkogene können auch als Oxidationsmittel bezeichnet werden. Jedes Carbid interagiert mit ihnen, die Reaktionsformel hängt nur von seiner Struktur ab.
Metallcarbide, deren Formeln wir betrachtet haben, sind bei weitem nicht die einzigen Vertreter dieser Verbindungsklasse. Jetzt werden wir uns jede der industriell wichtigen Verbindungen dieser Klasse genauer ansehen und dann über ihre Anwendung in unserem Leben sprechen.
Was sind Karbide?
Es stellt sich heraus, dass sich das Karbid, dessen Formel etwa CaC2, in der Struktur deutlich von SiC unterscheidet. Und der Unterschied liegt hauptsächlich in der Art der Bindung zwischen Atomen. Im ersten Fall haben wir es mit salzartigem Karbid zu tun. Diese Klasse von Verbindungen wird so genannt, weil sie sich tatsächlich wie ein Salz verhält, dh in Ionen dissoziieren kann. Solch eine ionische Bindung ist sehr schwach, was es einfach macht, die Hydrolysereaktion und viele andere Transformationen durchzuführen, einschließlich Wechselwirkungen zwischen Ionen.
Eine andere, vielleicht industriell wichtigere Art von Karbid ist das kovalente Karbid, wie SiC oder WC. Sie zeichnen sich durch hohe Dichte und Festigkeit aus. Auch feuerfest und inert gegenüber verdünnten Chemikalien.
Es gibt auch metallähnliche Karbide. Sie können vielmehr als Legierungen von Metallen mit Kohlenstoff betrachtet werden. Darunter kann man zum Beispiel Zementit (Eisencarbid, dessen Formel variiert, aber im Durchschnitt etwa so lautet: Fe3C) oder Gusseisen unterscheiden. Sie haben eine chemische Aktivität, die im Grad zwischen ionischen und kovalenten Karbiden liegt.
Jede dieser Unterarten der Klasse chemischer Verbindungen, die wir diskutieren, hat ihre eigene praktische Anwendung. Wie und wo bewerbenüber jeden sprechen wir im nächsten Abschnitt.
Praktische Anwendung von Hartmetallen
Wie wir bereits besprochen haben, haben kovalente Karbide die breiteste Palette praktischer Anwendungen. Dies sind Schleif- und Schneidmaterialien und Verbundmaterialien, die in verschiedenen Bereichen verwendet werden (z. B. als eines der Materialien, aus denen Körperpanzer bestehen), Autoteile und elektronische Geräte und Heizelemente und Kernenergie. Und dies ist keine vollständige Liste von Anwendungen für diese superharten Hartmetalle.
Salzbildende Karbide haben den engsten Anwendungsbereich. Ihre Reaktion mit Wasser wird als Labormethode zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen verwendet. Wie dies geschieht, haben wir oben bereits besprochen.
Neben kovalenten haben metallähnliche Karbide die breiteste Anwendung in der Industrie. Wie wir bereits gesagt haben, handelt es sich bei einer solchen metallähnlichen Art der Verbindungen um Stähle, Gusseisen und andere mit Kohlenstoff durchsetzte Metallverbindungen. Das in solchen Substanzen enth altene Metall gehört in der Regel zur Klasse der d-Metalle. Deshalb neigt es dazu, keine kovalenten Bindungen einzugehen, sondern gleichsam in die Struktur des Metalls eingebaut zu werden.
Die oben genannten Verbindungen haben unserer Meinung nach mehr als genug praktische Anwendungen. Sehen wir uns nun an, wie man sie erhält.
Karbidherstellung
Die ersten beiden Arten von Carbiden, die wir untersucht haben, nämlich kovalente und salzartige, werden am häufigsten auf eine einfache Weise erh alten: durch die Reaktion des Oxids des Elements und Koks bei hoher Temperatur. Gleichzeitig TeilKoks, bestehend aus Kohlenstoff, verbindet sich mit einem Atom eines Elements in der Zusammensetzung des Oxids und bildet ein Carbid. Der andere Teil „nimmt“Sauerstoff auf und bildet Kohlenmonoxid. Dieses Verfahren ist sehr energieaufwändig, da es die Aufrechterh altung einer hohen Temperatur (etwa 1600-2500 Grad) in der Reaktionszone erfordert.
Alternative Reaktionen werden verwendet, um bestimmte Arten von Verbindungen zu erh alten. Zum Beispiel die Zersetzung einer Verbindung, die schließlich ein Carbid ergibt. Die Reaktionsformel hängt von der spezifischen Verbindung ab, daher werden wir sie nicht diskutieren.
Bevor wir unseren Artikel abschließen, lassen Sie uns einige interessante Carbide besprechen und ausführlicher darüber sprechen.
Interessante Verbindungen
Natriumcarbid. Die Formel für diese Verbindung ist C2Na2. Dies kann eher als Acetylenid (d. h. das Produkt des Ersatzes von Wasserstoffatomen in Acetylen durch Natriumatome) denn als Carbid betrachtet werden. Die chemische Formel gibt diese Feinheiten nicht vollständig wieder, sie müssen also in der Struktur gesucht werden. Dies ist eine sehr aktive Substanz und bei jedem Kontakt mit Wasser interagiert es sehr aktiv mit ihm unter Bildung von Acetylen und Alkali.
Magnesiumcarbid. Formel: MgC2. Verfahren zum Erh alt dieser ausreichend wirksamen Verbindung sind von Interesse. Eine davon beinh altet das Sintern von Magnesiumfluorid mit Calciumcarbid bei hoher Temperatur. Als Ergebnis erhält man zwei Produkte: Calciumfluorid und das von uns benötigte Carbid. Die Formel für diese Reaktion ist recht einfach und kann bei Bedarf in der Fachliteratur nachgelesen werden.
Wenn Sie sich nicht sicher sind, ob das im Artikel vorgestellte Material nützlich ist, dann das FolgendeAbschnitt für Sie.
Wie kann das im Leben nützlich sein?
Nun, zunächst einmal kann das Wissen um chemische Verbindungen niemals überflüssig sein. Es ist immer besser, mit Wissen bewaffnet zu sein, als ohne es zu bleiben. Zweitens, je mehr Sie über die Existenz bestimmter Verbindungen wissen, desto besser verstehen Sie den Mechanismus ihrer Bildung und die Gesetze, die ihre Existenz zulassen.
Bevor ich zum Ende übergehe, möchte ich einige Empfehlungen für das Studium dieses Materials geben.
Wie lernt man es?
Sehr einfach. Es ist nur ein Zweig der Chemie. Und es sollte in Chemielehrbüchern studiert werden. Beginnen Sie mit Schulinformationen und fahren Sie mit weiterführenden Informationen aus Universitätslehrbüchern und Nachschlagewerken fort.
Schlussfolgerung
Dieses Thema ist nicht so einfach und langweilig, wie es auf den ersten Blick scheint. Chemie kann immer interessant sein, wenn man darin seine Bestimmung findet.
