În lume sunt cunoscuți o mulțime de compuși chimici diferiți: aproximativ sute de milioane. Și toți, ca și oamenii, sunt individuali. Este imposibil să găsești două substanțe care ar avea aceleași proprietăți chimice și fizice cu compoziție diferită.
Una dintre cele mai interesante substanțe anorganice care există în lume sunt carburile. În acest articol, vom discuta structura lor, proprietățile fizice și chimice, aplicațiile și vom analiza complexitățile producției lor. Dar mai întâi, puțin despre istoria descoperirii.
Istorie
Carburele metalice, ale căror formule le vom da mai jos, nu sunt compuși naturali. Acest lucru se datorează faptului că moleculele lor tind să se descompună atunci când interacționează cu apa. Prin urmare, merită să vorbim aici despre primele încercări de a sintetiza carburi.
Din 1849 există referiri la sinteza carburii de siliciu, dar unele dintre aceste încercări rămân nerecunoscute. Producția pe scară largă a început în 1893 de către chimistul american Edward Acheson într-un proces care a fost numit ulterior după el.
Istoria sintezei carburii de calciu, de asemenea, nu diferă într-o cantitate mare de informații. În 1862, chimistul german Friedrich Wöhler l-a obținut prin încălzirea zincului și calciului aliat cu cărbune.
Acum să trecem la secțiuni mai interesante: chimică șiproprietăți fizice. La urma urmei, în ele se află întreaga esență a utilizării acestei clase de substanțe.
Proprietăți fizice
Absolut toate carburile se disting prin duritatea lor. De exemplu, una dintre cele mai dure substanțe de pe scara Mohs este carbura de tungsten (9 din 10 puncte posibile). În plus, aceste substanțe sunt foarte refractare: punctul de topire al unora dintre ele atinge două mii de grade.
Majoritatea carburilor sunt inerte din punct de vedere chimic și interacționează cu o cantitate mică de substanțe. Sunt insolubile în orice solvenți. Cu toate acestea, dizolvarea poate fi considerată interacțiune cu apa cu distrugerea legăturilor și formarea de hidroxid metalic și hidrocarbură.
Vom vorbi despre ultima reacție și multe alte transformări chimice interesante care implică carburi în secțiunea următoare.
Proprietăți chimice
Aproape toate carburile interacționează cu apa. Unele - ușor și fără încălzire (de exemplu, carbură de calciu), iar altele (de exemplu, carbură de siliciu) - prin încălzirea vaporilor de apă la 1800 de grade. Reactivitatea în acest caz depinde de natura legăturii din compus, despre care vom discuta mai târziu. În reacția cu apa se formează diferite hidrocarburi. Acest lucru se întâmplă deoarece hidrogenul conținut în apă se combină cu carbonul din carbură. Este posibil să înțelegem ce hidrocarbură va rezulta (și pot apărea atât compușii saturati, cât și nesaturați) pe baza valenței carbonului conținut în substanța originală. De exemplu, dacă uavem carbură de calciu, a cărei formulă este CaC2, vedem că conține ionul C22-. Aceasta înseamnă că îi pot fi atașați doi ioni de hidrogen cu o sarcină +. Astfel, obținem compusul C2H2 - acetilena. În același mod, dintr-un compus precum carbura de aluminiu, a cărui formulă este Al4C3, obținem CH 4. De ce nu C3H12, întrebați? La urma urmei, ionul are o sarcină de 12-. Faptul este că numărul maxim de atomi de hidrogen este determinat de formula 2n + 2, unde n este numărul de atomi de carbon. Aceasta înseamnă că numai un compus cu formula C3H8 (propan) poate exista, iar acel ion cu o sarcină de 12- se descompune în trei ioni cu o sarcină de 4-, care dau molecule de metan atunci când sunt combinați cu protoni.
Reacțiile de oxidare ale carburilor sunt interesante. Ele pot apărea atât atunci când sunt expuse la amestecuri puternice de agenți oxidanți, cât și în timpul arderii obișnuite într-o atmosferă de oxigen. Dacă totul este clar cu oxigen: se obțin doi oxizi, atunci cu alți agenți oxidanți este mai interesant. Totul depinde de natura metalului care face parte din carbură, precum și de natura agentului de oxidare. De exemplu, carbura de siliciu, a cărei formulă este SiC, atunci când interacționează cu un amestec de acizi azotic și fluorhidric, formează acid hexafluorosilic cu eliberarea de dioxid de carbon. Și când se efectuează aceeași reacție, dar numai cu acid azotic, obținem oxid de siliciu și dioxid de carbon. Halogenii și calcogenii pot fi denumiți și agenți oxidanți. Orice carbură interacționează cu ele, formula reacției depinde doar de structura sa.
Carburele metalice, ale căror formule le-am luat în considerare, sunt departe de singurii reprezentanți ai acestei clase de compuși. Acum vom arunca o privire mai atentă la fiecare dintre compușii importanți din punct de vedere industrial din această clasă și apoi vom vorbi despre aplicarea lor în viața noastră.
Ce sunt carburile?
Se pare că carbura, a cărei formulă, să zicem, CaC2, diferă semnificativ ca structură de SiC. Iar diferența este în primul rând în natura legăturii dintre atomi. În primul caz, avem de-a face cu carbură asemănătoare sării. Această clasă de compuși este numită astfel deoarece se comportă de fapt ca o sare, adică este capabilă să se disocieze în ioni. O astfel de legătură ionică este foarte slabă, ceea ce face ușoară efectuarea reacției de hidroliză și a multor alte transformări, inclusiv interacțiunile dintre ioni.
Un alt tip de carbură, poate mai important din punct de vedere industrial, este carbura covalentă, cum ar fi SiC sau WC. Se caracterizează prin densitate și rezistență ridicată. De asemenea, refractar și inert pentru a dilua substanțele chimice.
Există și carburi asemănătoare metalelor. Ele pot fi considerate mai degrabă ca aliaje de metale cu carbon. Dintre acestea se pot distinge, de exemplu, cementitul (carbură de fier, a cărui formulă variază, dar în medie este aproximativ următoarea: Fe3C) sau fonta. Au o activitate chimică intermediară ca grad între carburile ionice și covalente.
Fiecare dintre aceste subspecii din clasa de compuși chimici pe care o discutăm are propria sa aplicație practică. Cum și unde să aplicidespre fiecare, vom vorbi în secțiunea următoare.
Aplicarea practică a carburilor
După cum am discutat deja, carburile covalente au cea mai largă gamă de aplicații practice. Acestea sunt materiale abrazive și de tăiere și materiale compozite utilizate în diferite domenii (de exemplu, ca unul dintre materialele care alcătuiesc armurile de corp), și piese auto și dispozitive electronice și elemente de încălzire și energia nucleară. Și aceasta nu este o listă completă de aplicații pentru aceste carburi superdure.
Carburele care formează sare au cea mai îngustă aplicație. Reacția lor cu apa este folosită ca metodă de laborator pentru producerea hidrocarburilor. Am discutat deja despre cum se întâmplă acest lucru mai sus.
Alături de carburile covalente, asemănătoare metalelor au cea mai largă aplicație în industrie. După cum am spus deja, un astfel de tip de metal al compușilor pe care îi discutăm sunt oțelurile, fontele și alți compuși metalici intercalate cu carbon. De regulă, metalul găsit în astfel de substanțe aparține clasei d-metale. De aceea este înclinat să formeze nu legături covalente, ci, parcă, să fie introdus în structura metalului.
În opinia noastră, compușii de mai sus au aplicații practice mai mult decât suficiente. Acum să aruncăm o privire la procesul de obținere a acestora.
Producerea de carburi
Primele două tipuri de carburi pe care le-am examinat, și anume covalente și asemănătoare sărurilor, sunt cel mai adesea obținute într-un singur mod simplu: prin reacția oxidului elementului și a cocsului la temperatură ridicată. În același timp, partecocsul, format din carbon, se combină cu un atom al unui element din compoziția oxidului și formează o carbură. Ceal altă parte „preia” oxigen și formează monoxid de carbon. Această metodă este foarte consumatoare de energie, deoarece necesită menținerea unei temperaturi ridicate (aproximativ 1600-2500 de grade) în zona de reacție.
Reacțiile alternative sunt folosite pentru a obține anumite tipuri de compuși. De exemplu, descompunerea unui compus, care în cele din urmă dă o carbură. Formula de reacție depinde de compusul specific, așa că nu o vom discuta.
Înainte de a încheia articolul nostru, haideți să discutăm despre câteva carburi interesante și să vorbim despre ele mai detaliat.
Conexiuni interesante
Carbură de sodiu. Formula pentru acest compus este C2Na2. Aceasta poate fi considerată mai degrabă o acetilenidă (adică, produsul înlocuirii atomilor de hidrogen în acetilenă cu atomi de sodiu), decât o carbură. Formula chimică nu reflectă pe deplin aceste subtilități, așa că ele trebuie căutate în structură. Aceasta este o substanță foarte activă și, în orice contact cu apa, interacționează foarte activ cu aceasta, formând acetilena și alcalii.
Carbură de magneziu. Formula: MgC2. Metodele pentru obţinerea acestui compus suficient de activ sunt de interes. Una dintre ele implică sinterizarea fluorurii de magneziu cu carbură de calciu la temperatură ridicată. Drept urmare, se obțin două produse: fluorură de calciu și carbura de care avem nevoie. Formula pentru această reacție este destul de simplă și o puteți citi în literatura de specialitate dacă doriți.
Dacă nu sunteți sigur de utilitatea materialului prezentat în articol, atunci următoarelesecțiune pentru tine.
Cum poate fi util acest lucru în viață?
Ei bine, în primul rând, cunoașterea compușilor chimici nu poate fi niciodată de prisos. Este întotdeauna mai bine să fii înarmat cu cunoștințe decât să rămâi fără ea. În al doilea rând, cu cât știi mai multe despre existența anumitor compuși, cu atât înțelegi mai bine mecanismul formării lor și legile care le permit să existe.
Înainte de a trece la final, aș dori să dau câteva recomandări pentru studiul acestui material.
Cum să-l studiez?
Foarte simplu. Este doar o ramură a chimiei. Și ar trebui studiat în manualele de chimie. Începeți cu informații despre școală și treceți la informații mai aprofundate din manualele universitare și cărțile de referință.
Concluzie
Acest subiect nu este atât de simplu și plictisitor pe cât pare la prima vedere. Chimia poate fi întotdeauna interesantă dacă îți găsești scopul în ea.
