Ve světě je známo mnoho různých chemických sloučenin: asi stovky milionů. A všichni, stejně jako lidé, jsou individuální. Je nemožné najít dvě látky, které by měly stejné chemické a fyzikální vlastnosti s různým složením.
Jednou z nejzajímavějších anorganických látek, které na světě existují, jsou karbidy. V tomto článku probereme jejich strukturu, fyzikální a chemické vlastnosti, aplikace a analyzujeme složitosti jejich výroby. Nejprve ale něco málo o historii objevu.
Historie
Kovové karbidy, jejichž vzorce uvedeme níže, nejsou přírodní sloučeniny. To je způsobeno skutečností, že jejich molekuly mají tendenci se při interakci s vodou rozkládat. Proto stojí za to mluvit o prvních pokusech syntetizovat karbidy zde.
Z roku 1849 existují zmínky o syntéze karbidu křemíku, ale některé z těchto pokusů zůstávají neznámé. Velkosériovou výrobu zahájil v roce 1893 americký chemik Edward Acheson v procesu, který byl později pojmenován po něm.
Historie syntézy karbidu vápníku se také ve velkém množství informací neliší. V roce 1862 jej získal německý chemik Friedrich Wöhler zahříváním legovaného zinku a vápníku uhlím.
Nyní přejděme k zajímavějším sekcím: chemické afyzikální vlastnosti. Ostatně právě v nich spočívá celá podstata použití této třídy látek.
Fyzikální vlastnosti
Naprosto všechny karbidy se vyznačují svou tvrdostí. Například jednou z nejtvrdších látek na Mohsově stupnici je karbid wolframu (9 z 10 možných bodů). Kromě toho jsou tyto látky velmi žáruvzdorné: bod tání některých z nich dosahuje dva tisíce stupňů.
Většina karbidů je chemicky inertní a interaguje s malým množstvím látek. Jsou nerozpustné v jakýchkoli rozpouštědlech. Rozpouštění však lze považovat za interakci s vodou s destrukcí vazeb a tvorbou hydroxidu kovu a uhlovodíku.
O poslední reakci a mnoha dalších zajímavých chemických přeměnách zahrnujících karbidy si povíme v další části.
Chemické vlastnosti
Téměř všechny karbidy interagují s vodou. Některé - snadno a bez zahřívání (například karbid vápníku) a některé (například karbid křemíku) - zahřátím vodní páry na 1800 stupňů. Reaktivita v tomto případě závisí na povaze vazby ve sloučenině, kterou probereme později. Při reakci s vodou vznikají různé uhlovodíky. To se děje proto, že vodík obsažený ve vodě se spojuje s uhlíkem v karbidu. Na základě mocenství uhlíku obsaženého v původní látce je možné pochopit, který uhlovodík (a mohou se objevit nasycené i nenasycené sloučeniny). Například, pokud umáme karbid vápníku, jehož vzorec je CaC2, vidíme, že obsahuje iont C22-. To znamená, že k němu mohou být připojeny dva vodíkové ionty s nábojem +. Dostaneme tedy sloučeninu C2H2 - acetylen. Stejným způsobem ze sloučeniny, jako je karbid hliníku, jehož vzorec je Al4C3, dostaneme CH 4. Proč ne C3H12, ptáte se? Vždyť iont má náboj 12-. Faktem je, že maximální počet atomů vodíku je určen vzorcem 2n + 2, kde n je počet atomů uhlíku. To znamená, že může existovat pouze sloučenina se vzorcem C3H8 (propan) a že iont s nábojem 12- se rozpadne na tři ionty s nábojem 4-, které při kombinaci s protony dávají molekuly metanu.
Zajímavé jsou oxidační reakce karbidů. Mohou se objevit jak při vystavení silným směsím oxidačních činidel, tak při běžném spalování v kyslíkové atmosféře. Pokud je vše jasné s kyslíkem: získají se dva oxidy, pak s jinými oxidačními činidly je to zajímavější. Vše závisí na povaze kovu, který je součástí karbidu, a také na povaze oxidačního činidla. Například karbid křemíku, jehož vzorec je SiC, při interakci se směsí kyseliny dusičné a fluorovodíkové tvoří kyselinu hexafluorokřemičitou za uvolňování oxidu uhličitého. A když provedeme stejnou reakci, ale pouze s kyselinou dusičnou, získáme oxid křemičitý a oxid uhličitý. Halogeny a chalkogeny mohou být také označovány jako oxidační činidla. Jakýkoli karbid s nimi interaguje, reakční vzorec závisí pouze na jeho struktuře.
Kovové karbidy, jejichž vzorce jsme uvažovali, nejsou zdaleka jedinými zástupci této třídy sloučenin. Nyní se blíže podíváme na každou z průmyslově důležitých sloučenin této třídy a poté si promluvíme o jejich aplikaci v našich životech.
Co jsou karbidy?
Ukazuje se, že karbid, jehož vzorec, řekněme, CaC2, se výrazně liší strukturou od SiC. A rozdíl je především v povaze vazby mezi atomy. V prvním případě máme co do činění s karbidem podobným soli. Tato třída sloučenin je pojmenována tak, protože se ve skutečnosti chová jako sůl, to znamená, že je schopna disociovat na ionty. Taková iontová vazba je velmi slabá, což usnadňuje provádění hydrolytické reakce a mnoha dalších transformací, včetně interakcí mezi ionty.
Dalším, možná průmyslově důležitějším typem karbidu je kovalentní karbid, jako je SiC nebo WC. Vyznačují se vysokou hustotou a pevností. Také žáruvzdorný a inertní vůči ředění chemikálií.
Existují také karbidy podobné kovu. Lze je spíše považovat za slitiny kovů s uhlíkem. Mezi nimi lze rozlišit například cementit (karbid železa, jehož vzorec se liší, ale v průměru je přibližně následující: Fe3C) nebo litina. Mají chemickou aktivitu střední úrovně mezi iontovými a kovalentními karbidy.
Každý z těchto poddruhů třídy chemických sloučenin, o kterých diskutujeme, má své vlastní praktické využití. Jak a kde se přihlásito každém z nich si povíme v další části.
Praktická aplikace karbidů
Jak jsme již probrali, kovalentní karbidy mají nejširší rozsah praktických aplikací. Jedná se o abrazivní a řezné materiály a kompozitní materiály používané v různých oblastech (například jako jeden z materiálů tvořících neprůstřelnou vestu), automobilové součástky a elektronická zařízení a topná tělesa a jaderná energie. A toto není úplný seznam aplikací pro tyto supertvrdé karbidy.
Solotvorné karbidy mají nejužší uplatnění. Jejich reakce s vodou se používá jako laboratorní metoda pro výrobu uhlovodíků. Jak se to stane, jsme již probrali výše.
Spolu s kovalentními karbidy podobnými kovům mají nejširší uplatnění v průmyslu. Jak jsme již řekli, takovým typem sloučenin podobným kovu, o kterých diskutujeme, jsou oceli, litiny a další kovové sloučeniny rozptýlené uhlíkem. Kov nacházející se v takových látkách zpravidla patří do třídy d-kovů. To je důvod, proč má sklon nevytvářet kovalentní vazby, ale jakoby se zavádět do struktury kovu.
Podle našeho názoru mají výše uvedené sloučeniny více než dost praktických aplikací. Nyní se podívejme na proces jejich získání.
Výroba karbidů
První dva typy karbidů, které jsme zkoumali, a to kovalentní a podobné soli, se nejčastěji získávají jedním jednoduchým způsobem: reakcí oxidu prvku a koksu při vysoké teplotě. Zároveň částkoks, sestávající z uhlíku, se spojuje s atomem prvku ve složení oxidu a tvoří karbid. Druhá část "bere" kyslík a tvoří oxid uhelnatý. Tato metoda je velmi energeticky náročná, protože vyžaduje udržování vysoké teploty (asi 1600-2500 stupňů) v reakční zóně.
K získání určitých typů sloučenin se používají alternativní reakce. Například rozkladem sloučeniny, ze které nakonec vznikne karbid. Reakční vzorec závisí na konkrétní sloučenině, takže o něm nebudeme diskutovat.
Než uzavřeme náš článek, proberme některé zajímavé karbidy a promluvme si o nich podrobněji.
Zajímavá spojení
Karbid sodný. Vzorec pro tuto sloučeninu je C2Na2. To lze považovat spíše za acetylenid (tj. produkt nahrazení atomů vodíku v acetylenu atomy sodíku), spíše než za karbid. Chemický vzorec tyto jemnosti plně neodráží, takže je třeba je hledat ve struktuře. Jedná se o velmi aktivní látku a při jakémkoli kontaktu s vodou s ní velmi aktivně interaguje za vzniku acetylenu a alkálie.
Karbid hořčíku. Vzorec: MgC2. Zajímavé jsou způsoby pro získání této dostatečně aktivní sloučeniny. Jedním z nich je spékání fluoridu hořečnatého s karbidem vápníku při vysoké teplotě. V důsledku toho se získají dva produkty: fluorid vápenatý a karbid, který potřebujeme. Vzorec pro tuto reakci je poměrně jednoduchý a pokud chcete, můžete si jej přečíst v odborné literatuře.
Pokud si nejste jisti užitečností materiálu uvedeného v článku, pak následujícísekce pro vás.
Jak to může být užitečné v životě?
No, za prvé, znalost chemických sloučenin nemůže být nikdy nadbytečná. Vždy je lepší být vyzbrojen znalostmi, než zůstat bez nich. Za druhé, čím více víte o existenci určitých sloučenin, tím lépe rozumíte mechanismu jejich tvorby a zákonům, které jim umožňují existenci.
Než přejdu na konec, rád bych uvedl několik doporučení pro studium tohoto materiálu.
Jak to studovat?
Velmi jednoduché. Je to jen odvětví chemie. A mělo by se to studovat v učebnicích chemie. Začněte informacemi o škole a přejděte k podrobnějším informacím z univerzitních učebnic a příruček.
Závěr
Toto téma není tak jednoduché a nudné, jak se na první pohled zdá. Chemie může být vždy zajímavá, pokud v ní najdete svůj účel.
