Πολλές διαφορετικές χημικές ενώσεις είναι γνωστές στον κόσμο: περίπου εκατοντάδες εκατομμύρια. Και όλοι τους, όπως και οι άνθρωποι, είναι ατομικοί. Είναι αδύνατο να βρεθούν δύο ουσίες που θα έχουν τις ίδιες χημικές και φυσικές ιδιότητες με διαφορετική σύνθεση.
Μία από τις πιο ενδιαφέρουσες ανόργανες ουσίες που υπάρχουν στον κόσμο είναι τα καρβίδια. Σε αυτό το άρθρο, θα συζητήσουμε τη δομή, τις φυσικές και χημικές τους ιδιότητες, τις εφαρμογές και θα αναλύσουμε τις περιπλοκές της παραγωγής τους. Αλλά πρώτα, λίγα για την ιστορία της ανακάλυψης.
Ιστορία
Καρβίδια μετάλλων, τους τύπους των οποίων θα δώσουμε παρακάτω, δεν είναι φυσικές ενώσεις. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα μόριά τους τείνουν να αποσυντίθενται όταν αλληλεπιδρούν με το νερό. Επομένως, αξίζει να μιλήσουμε για τις πρώτες προσπάθειες σύνθεσης καρβιδίων εδώ.
Από το 1849 υπάρχουν αναφορές στη σύνθεση καρβιδίου του πυριτίου, αλλά ορισμένες από αυτές τις προσπάθειες παραμένουν άγνωστες. Η παραγωγή μεγάλης κλίμακας ξεκίνησε το 1893 από τον Αμερικανό χημικό Edward Acheson σε μια διαδικασία που αργότερα ονομάστηκε από αυτόν.
Το ιστορικό της σύνθεσης του καρβιδίου του ασβεστίου επίσης δεν διαφέρει σε μεγάλο όγκο πληροφοριών. Το 1862, ο Γερμανός χημικός Friedrich Wöhler το απέκτησε θερμαίνοντας κράμα ψευδάργυρου και ασβεστίου με άνθρακα.
Τώρα ας περάσουμε σε πιο ενδιαφέρουσες ενότητες: χημικά καιφυσικές ιδιότητες. Άλλωστε, σε αυτά βρίσκεται όλη η ουσία της χρήσης αυτής της κατηγορίας ουσιών.
Φυσικές ιδιότητες
Απολύτως όλα τα καρβίδια διακρίνονται από τη σκληρότητά τους. Για παράδειγμα, μία από τις πιο σκληρές ουσίες στην κλίμακα Mohs είναι το καρβίδιο του βολφραμίου (9 στους 10 πιθανούς βαθμούς). Επιπλέον, αυτές οι ουσίες είναι πολύ πυρίμαχες: το σημείο τήξης ορισμένων από αυτές φτάνει τους δύο χιλιάδες βαθμούς.
Τα περισσότερα καρβίδια είναι χημικά αδρανή και αλληλεπιδρούν με μια μικρή ποσότητα ουσιών. Είναι αδιάλυτα σε οποιουσδήποτε διαλύτες. Ωστόσο, η διάλυση μπορεί να θεωρηθεί αλληλεπίδραση με το νερό με την καταστροφή δεσμών και το σχηματισμό υδροξειδίου μετάλλου και υδρογονάνθρακα.
Θα μιλήσουμε για την τελευταία αντίδραση και πολλούς άλλους ενδιαφέροντες χημικούς μετασχηματισμούς που περιλαμβάνουν καρβίδια στην επόμενη ενότητα.
Χημικές ιδιότητες
Σχεδόν όλα τα καρβίδια αλληλεπιδρούν με το νερό. Μερικά - εύκολα και χωρίς θέρμανση (για παράδειγμα, καρβίδιο του ασβεστίου), και μερικά (για παράδειγμα, καρβίδιο του πυριτίου) - με θέρμανση υδρατμών στους 1800 βαθμούς. Η αντιδραστικότητα σε αυτή την περίπτωση εξαρτάται από τη φύση του δεσμού στην ένωση, την οποία θα συζητήσουμε αργότερα. Στην αντίδραση με το νερό σχηματίζονται διάφοροι υδρογονάνθρακες. Αυτό συμβαίνει επειδή το υδρογόνο που περιέχεται στο νερό συνδυάζεται με τον άνθρακα στο καρβίδιο. Είναι δυνατόν να κατανοήσουμε ποιος υδρογονάνθρακας θα προκύψει (και μπορεί να προκύψουν και κορεσμένες και ακόρεστες ενώσεις) με βάση το σθένος του άνθρακα που περιέχεται στην αρχική ουσία. Για παράδειγμα, εάν uέχουμε καρβίδιο ασβεστίου, ο τύπος του οποίου είναι CaC2, βλέπουμε ότι περιέχει το ιόν C22-. Αυτό σημαίνει ότι δύο ιόντα υδρογόνου με φορτίο + μπορούν να προσκολληθούν σε αυτό. Έτσι, παίρνουμε την ένωση C2H2 - ακετυλένιο. Με τον ίδιο τρόπο, από μια ένωση όπως το καρβίδιο του αργιλίου, ο τύπος της οποίας είναι Al4C3, παίρνουμε CH 4. Γιατί όχι C3H12, ρωτάτε; Εξάλλου, το ιόν έχει φορτίο 12-. Το γεγονός είναι ότι ο μέγιστος αριθμός ατόμων υδρογόνου καθορίζεται από τον τύπο 2n + 2, όπου n είναι ο αριθμός των ατόμων άνθρακα. Αυτό σημαίνει ότι μόνο μια ένωση με τον τύπο C3H8 (προπάνιο) μπορεί να υπάρξει και αυτό το ιόν με φορτίο 12- διασπάται σε τρία ιόντα με φορτίο 4-, τα οποία δίνουν μόρια μεθανίου όταν συνδυάζονται με πρωτόνια.
Οι αντιδράσεις οξείδωσης των καρβιδίων είναι ενδιαφέρουσες. Μπορούν να εμφανιστούν τόσο όταν εκτίθενται σε ισχυρά μείγματα οξειδωτικών παραγόντων όσο και κατά τη συνήθη καύση σε ατμόσφαιρα οξυγόνου. Εάν όλα είναι καθαρά με το οξυγόνο: λαμβάνονται δύο οξείδια, τότε με άλλους οξειδωτικούς παράγοντες είναι πιο ενδιαφέρον. Όλα εξαρτώνται από τη φύση του μετάλλου που αποτελεί μέρος του καρβιδίου, καθώς και από τη φύση του οξειδωτικού παράγοντα. Για παράδειγμα, το καρβίδιο του πυριτίου, ο τύπος του οποίου είναι SiC, όταν αλληλεπιδρά με ένα μείγμα νιτρικών και υδροφθορικών οξέων, σχηματίζει εξαφθοροπυριτικό οξύ με την απελευθέρωση διοξειδίου του άνθρακα. Και όταν διεξάγουμε την ίδια αντίδραση, αλλά μόνο με νιτρικό οξύ, παίρνουμε οξείδιο του πυριτίου και διοξείδιο του άνθρακα. Τα αλογόνα και τα χαλκογόνα μπορούν επίσης να αναφέρονται ως οξειδωτικοί παράγοντες. Οποιοδήποτε καρβίδιο αλληλεπιδρά με αυτά, ο τύπος αντίδρασης εξαρτάται μόνο από τη δομή του.
Καρβίδια μετάλλων, οι τύποι των οποίων εξετάσαμε, δεν είναι οι μόνοι εκπρόσωποι αυτής της κατηγορίας ενώσεων. Τώρα θα ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά σε καθεμία από τις βιομηχανικά σημαντικές ενώσεις αυτής της κατηγορίας και στη συνέχεια θα μιλήσουμε για την εφαρμογή τους στη ζωή μας.
Τι είναι τα καρβίδια;
Αποδεικνύεται ότι το καρβίδιο, του οποίου ο τύπος, ας πούμε, CaC2, διαφέρει σημαντικά στη δομή από το SiC. Και η διαφορά έγκειται κυρίως στη φύση του δεσμού μεταξύ των ατόμων. Στην πρώτη περίπτωση, έχουμε να κάνουμε με καρβίδιο που μοιάζει με αλάτι. Αυτή η κατηγορία ενώσεων ονομάζεται έτσι επειδή στην πραγματικότητα συμπεριφέρεται σαν άλας, δηλαδή είναι σε θέση να διασπαστεί σε ιόντα. Ένας τέτοιος ιοντικός δεσμός είναι πολύ αδύναμος, γεγονός που καθιστά εύκολη τη διεξαγωγή της αντίδρασης υδρόλυσης και πολλών άλλων μετασχηματισμών, συμπεριλαμβανομένων των αλληλεπιδράσεων μεταξύ ιόντων.
Ένας άλλος, ίσως πιο σημαντικός βιομηχανικά, τύπος καρβιδίου είναι το ομοιοπολικό καρβίδιο, όπως το SiC ή το WC. Χαρακτηρίζονται από υψηλή πυκνότητα και αντοχή. Επίσης πυρίμαχο και αδρανές για την αραίωση χημικών.
Υπάρχουν επίσης καρβίδια που μοιάζουν με μέταλλα. Μπορούν μάλλον να θεωρηθούν ως κράματα μετάλλων με άνθρακα. Μεταξύ αυτών, μπορεί κανείς να διακρίνει, για παράδειγμα, τον τσιμεντίτη (καρβίδιο του σιδήρου, ο τύπος του οποίου ποικίλλει, αλλά κατά μέσο όρο είναι περίπου ο εξής: Fe3C) ή χυτοσίδηρο. Έχουν ενδιάμεση χημική δραστηριότητα μεταξύ ιοντικών και ομοιοπολικών καρβιδίων.
Κάθε ένα από αυτά τα υποείδη της κατηγορίας χημικών ενώσεων που συζητάμε έχει τη δική του πρακτική εφαρμογή. Πώς και πού να υποβάλετε αίτησηγια κάθε ένα, θα μιλήσουμε στην επόμενη ενότητα.
Πρακτική εφαρμογή καρβιδίων
Όπως έχουμε ήδη συζητήσει, τα ομοιοπολικά καρβίδια έχουν το ευρύτερο φάσμα πρακτικών εφαρμογών. Αυτά είναι λειαντικά και κοπτικά υλικά και σύνθετα υλικά που χρησιμοποιούνται σε διάφορους τομείς (για παράδειγμα, ως ένα από τα υλικά που συνθέτουν θωράκιση σώματος), και ανταλλακτικά αυτοκινήτων, και ηλεκτρονικές συσκευές, και θερμαντικά στοιχεία και πυρηνική ενέργεια. Και αυτή δεν είναι μια πλήρης λίστα εφαρμογών για αυτά τα υπερσκληρά καρβίδια.
Τα καρβίδια που σχηματίζουν αλάτι έχουν τη στενότερη εφαρμογή. Η αντίδρασή τους με το νερό χρησιμοποιείται ως εργαστηριακή μέθοδος για την παραγωγή υδρογονανθράκων. Έχουμε ήδη συζητήσει πώς συμβαίνει αυτό παραπάνω.
Μαζί με τα ομοιοπολικά, τα μεταλλικά καρβίδια έχουν την ευρύτερη εφαρμογή στη βιομηχανία. Όπως έχουμε ήδη πει, ένας τέτοιος τύπος που μοιάζει με μέταλλο των ενώσεων που συζητάμε είναι οι χάλυβες, οι χυτοσίδηροι και άλλες μεταλλικές ενώσεις διάσπαρτες με άνθρακα. Κατά κανόνα, το μέταλλο που βρίσκεται σε τέτοιες ουσίες ανήκει στην κατηγορία των d-μετάλλων. Γι' αυτό τείνει να σχηματίζει όχι ομοιοπολικούς δεσμούς, αλλά, σαν να λέγαμε, να εισάγεται στη δομή του μετάλλου.
Κατά τη γνώμη μας, οι παραπάνω ενώσεις έχουν περισσότερες από αρκετές πρακτικές εφαρμογές. Τώρα ας ρίξουμε μια ματιά στη διαδικασία απόκτησής τους.
Παραγωγή καρβιδίων
Οι δύο πρώτοι τύποι καρβιδίων που εξετάσαμε, δηλαδή τα ομοιοπολικά και τα άλατα, λαμβάνονται πιο συχνά με έναν απλό τρόπο: με την αντίδραση του οξειδίου του στοιχείου και του κωκ σε υψηλή θερμοκρασία. Ταυτόχρονα, μέροςο οπτάνθρακας, που αποτελείται από άνθρακα, ενώνεται με ένα άτομο ενός στοιχείου στη σύνθεση του οξειδίου και σχηματίζει ένα καρβίδιο. Το άλλο μέρος «παίρνει» οξυγόνο και σχηματίζει μονοξείδιο του άνθρακα. Αυτή η μέθοδος είναι πολύ ενεργοβόρα, καθώς απαιτεί διατήρηση υψηλής θερμοκρασίας (περίπου 1600-2500 μοίρες) στη ζώνη αντίδρασης.
Εναλλακτικές αντιδράσεις χρησιμοποιούνται για τη λήψη ορισμένων τύπων ενώσεων. Για παράδειγμα, η αποσύνθεση μιας ένωσης, η οποία τελικά δίνει ένα καρβίδιο. Ο τύπος της αντίδρασης εξαρτάται από τη συγκεκριμένη ένωση, επομένως δεν θα το συζητήσουμε.
Πριν ολοκληρώσουμε το άρθρο μας, ας συζητήσουμε μερικά ενδιαφέροντα καρβίδια και ας μιλήσουμε για αυτά με περισσότερες λεπτομέρειες.
Ενδιαφέρουσες συνδέσεις
Καρβίδιο του νατρίου. Ο τύπος για αυτήν την ένωση είναι C2Na2. Αυτό μπορεί να θεωρηθεί περισσότερο ως ακετυλενίδιο (δηλαδή, το προϊόν της αντικατάστασης των ατόμων υδρογόνου στο ακετυλένιο από άτομα νατρίου), παρά ως καρβίδιο. Ο χημικός τύπος δεν αντικατοπτρίζει πλήρως αυτές τις λεπτότητες, επομένως πρέπει να αναζητηθούν στη δομή. Αυτή είναι μια πολύ δραστική ουσία και σε οποιαδήποτε επαφή με το νερό αλληλεπιδρά πολύ ενεργά με αυτό με το σχηματισμό ακετυλενίου και αλκαλίου.
Καρβίδιο μαγνησίου. Τύπος: MgC2. Οι μέθοδοι για τη λήψη αυτής της επαρκώς δραστικής ένωσης παρουσιάζουν ενδιαφέρον. Ένα από αυτά περιλαμβάνει τη σύντηξη φθοριούχου μαγνησίου με καρβίδιο του ασβεστίου σε υψηλή θερμοκρασία. Ως αποτέλεσμα αυτού, λαμβάνονται δύο προϊόντα: το φθοριούχο ασβέστιο και το καρβίδιο που χρειαζόμαστε. Ο τύπος αυτής της αντίδρασης είναι αρκετά απλός, και μπορείτε να τον διαβάσετε στην εξειδικευμένη βιβλιογραφία αν θέλετε.
Αν δεν είστε σίγουροι για τη χρησιμότητα του υλικού που παρουσιάζεται στο άρθρο, τότε τα ακόλουθαενότητα για εσάς.
Πώς μπορεί αυτό να είναι χρήσιμο στη ζωή;
Λοιπόν, πρώτα απ 'όλα, η γνώση των χημικών ενώσεων δεν μπορεί ποτέ να είναι περιττή. Είναι πάντα καλύτερο να είσαι οπλισμένος με γνώση παρά να μείνεις χωρίς αυτήν. Δεύτερον, όσο περισσότερα γνωρίζετε για την ύπαρξη ορισμένων ενώσεων, τόσο καλύτερα κατανοείτε τον μηχανισμό σχηματισμού τους και τους νόμους που τους επιτρέπουν να υπάρχουν.
Πριν προχωρήσουμε στο τέλος, θα ήθελα να δώσω μερικές συστάσεις για τη μελέτη αυτού του υλικού.
Πώς να το μελετήσετε;
Πολύ απλό. Είναι απλώς ένας κλάδος της χημείας. Και θα πρέπει να μελετηθεί σε εγχειρίδια χημείας. Ξεκινήστε με τις σχολικές πληροφορίες και προχωρήστε σε πιο εμπεριστατωμένες πληροφορίες από πανεπιστημιακά εγχειρίδια και βιβλία αναφοράς.
Συμπέρασμα
Αυτό το θέμα δεν είναι τόσο απλό και βαρετό όσο φαίνεται με την πρώτη ματιά. Η χημεία μπορεί πάντα να είναι ενδιαφέρουσα αν βρεις το σκοπό σου σε αυτήν.
