Карбид серы. Карбид: формула, применение и свойства

Карбиды — это соединения металлов и неметаллов с углеродом. Обычно в таких соединениях углерод имеет большую электроотрицательность, чем второй элемент, что позволяет исключить из группы оксиды, галогены и другие углеродные соединения.

Это твердые тугоплавкие вещества, нелетучие и нерастворимые. В основном они обладают разнообразными свойствами: некоторые, например, карбид золота, может взорваться при попытке пересыпать его, а некоторые из соединений, например, бора, циркония, титана, кремния и вольфрама, по твердости превосходят алмаз и не поддаются действию кислот и растворителей.

Историческая справка

Первое необычное углеродное соединение, похожее на карбид, было получено в начале XIX века англичанином Дэви. Это был карбид калия. Далее в 1863 году был найден неустойчивый карбид меди, через 15 лет — карбид железа.

Официально соединения «появились» только в конце XIX века

— к ним приложил руку француз Анри Муассон. Он получал соединения при помощи вольтовой дуги в электрической печи, которую он сам и придумал. Для этого использовались нагретый до раскаленного состояния древесный уголь, чистые металлы и их оксиды.

Однако за несколько лет до Муассона в метеоритах был обнаружен минерал когенит — смесь карбидов кобальта, железа и никеля. В некотором смысле эта находка помогла ответить на вопрос «Что такое карбиды?».

Промежуточные / металлические карбиды

Карбид вольфрама концевые фрезы.
Карбиды переходных металлов 4, 5 и 6 групп (за исключением хрома) часто описываются как интерстициальные соединения.[2] Эти карбиды обладают металлическими свойствами и огнеупорный. Некоторые демонстрируют ряд стехиометрия, представляющие собой нестехиометрическую смесь различных карбидов, возникающих из-за дефектов кристаллов. Некоторые из них, например. карбид титана, TiC и карбид вольфрама важны в промышленности и используются для покрытия металлов в режущих инструментах.[3]

Давно распространено мнение, что атомы углерода входят в октаэдрические промежутки в плотноупакованной металлической решетке, когда радиус атома металла больше примерно 135 мкм:[2]

Когда атомы металла кубический плотно упакованный, (ccp), то заполнение всех октаэдрических пустот углеродом достигает стехиометрии 1: 1 со структурой каменной соли.
Когда атомы металла шестиугольный плотно упакованный, (hcp), поскольку октаэдрические промежутки лежат прямо напротив друг друга по обе стороны от слоя атомов металла, заполнение только одного из них углеродом достигает стехиометрии 2: 1 с CdI2 структура.

Следующая таблица[2][3] показывает реальные структуры металлов и их карбидов. (Обратите внимание: объемно-центрированная кубическая структура, принятая ванадием, ниобием, танталом, хромом, молибденом и вольфрамом, не является решеткой с плотной упаковкой.) Обозначение «h / 2» относится к M2Структура типа C, описанная выше, является лишь приблизительным описанием реальных структур. Простое представление о том, что решетка чистого металла «поглощает» атомы углерода, можно рассматривать как неверное, поскольку упаковка решетки атомов металла в карбидах отличается от упаковки в чистом металле, хотя технически правильно, что углерод атомы вписываются в октаэдрические пустоты плотноупакованной металлической решетки.

Металл	Структура чистого металла	Металлический радиус (пм)	MC упаковка атомов металла	Структура MC	M2C упаковка атомов металла	M2C структура	Прочие карбиды
титан	hcp	147	ccp	каменная соль
цирконий	hcp	160	ccp	каменная соль
гафний	hcp	159	ccp	каменная соль
ванадий	скрытая копия	134	ccp	каменная соль	hcp	ч / 2	V4C3
ниобий	скрытая копия	146	ccp	каменная соль	hcp	ч / 2	Nb4C3
тантал	скрытая копия	146	ccp	каменная соль	hcp	ч / 2	Та4C3
хром	скрытая копия	128	Cr23C6, Cr3C, Cr7C3, Cr3C2
молибден	скрытая копия	139	шестиугольник	hcp	ч / 2	Пн3C2
вольфрам	скрытая копия	139	шестиугольник	hcp	ч / 2

Долгое время нестехиометрический считалось, что фазы неупорядочены со случайным заполнением пустот, однако было обнаружено ближнее и дальнее упорядочение.[4]

Железо образует ряд карбидов, Fe3C, Fe7C3 и Fe2C. Самым известным является цементит, Fe3C, присутствующий в сталях. Эти карбиды более реактивны, чем карбиды внедрения; например, карбиды Cr, Mn, Fe, Co и Ni все гидролизуются разбавленными кислотами, а иногда и водой, с образованием смеси водорода и углеводородов. Эти соединения имеют общие черты как с инертными вставками, так и с более реакционноспособными солеподобными карбидами.[2]

Некоторые металлы, такие как вести и банка, как полагают, ни при каких обстоятельствах не образуют карбиды.[5] Однако существует смешанный карбид титана и олова, который является двумерным проводником.[6]

Применение

Элементы используют, чтобы придать чугуну и разного вида сталям твердость, повысить их износоустойчивость. Карбиды вольфрама и титана, как наиболее твердые и тугоплавкие варианты, применяют для изготовление режущих инструментов, а также для получения сверхтвердых материалов. Благодаря хорошим химическим и физическим свойствам, вещества используют в качестве компонента огнеупорных материалов, стержней сопротивления электронагревательных приборов и в качестве абразивного материала.

Карбид кальция также называют карбидом для сварки. Это идеальное вещество для сварочных работ: при контакте с водой оно выделяет ацетилен — летучий газ, являющийся основой кислородной сварки, металлизации, резки и напайки.

На свете известно очень много разных химических соединений: порядка сотни миллионов. И все они, как люди, индивидуальны. Нельзя найти два вещества, у которых совпадали бы химические и физические свойства при разном составе.

Одними из интереснейших неорганических веществ, существующих на белом свете, являются карбиды. В данной статье мы обсудим их строение, физические и химические свойства, применение и разберём тонкости их получения. Но для начала немного об истории открытия.

История

Карбиды металлов, формулы которых мы приведём ниже, не являются природными соединениями. Это обусловлено тем, что их молекулы склонны распадаться при взаимодействии с водой. Поэтому здесь стоит говорить о первых попытках синтеза карбидов.

Начиная с 1849 имеются упоминания о синтезе карбида кремния, однако некоторые из этих попыток остаются непризнанными. Крупномасштабное производство начал в 1893 году американский химик Эдвард Ачесон по способу, который был затем назван его именем.

История синтеза карбида кальция также не отличается большим количеством сведений. В 1862 году его получил немецкий химик Фридрих Вёлер, нагревая сплавленный цинк и кальций с углём.

Теперь перейдём к более интересным разделам: химическим и физическим свойствам. Ведь именно в них заключена вся суть применения данного класса веществ.

Углеродные соединения

В начале XIX века вещества были разделены на неорганические и органические. Ко второй группе относятся углеводороды (метановый, этиленовый и ацетиленовый ряды), белки, углеводы, жиры. Изучением этих веществ занимается органическая химия.

Неорганическая химия изучает другие соединения углерода: галогениды, цианиды, карбиды, оксиды. Наиболее значимыми являются кислородсодержащие вещества — CO, CO2. Есть еще C2O (окись диуглерода) и C3O2 (недооксид), но это пока не слишком изученные вещества.

Монооксид или угарный газ

Оксид углерода 2 (другое название монооксида) — образуется при неполном сгорании C, или продуктов, его содержащих. Его основные свойства:

Сжижается при температуре — 192 °C.
Затвердевает при t=-205°С.
Молекулярная масса — 28,01 г/моль.
Строение молекулы — линейное (в рамках теории валентных связей ее можно записать как «:C==O:»).
В воде практически нерастворим.

Монооксид — ядовитый газ, не имеющий цвета и запаха. Его отравляющее действие состоит в том, что он необратимо взаимодействует с гемоглобином крови, в результате чего полностью утрачивается способность переносить кислород от легких к тканям.

В промышленности монооксид получают в процессе газификации твердого топлива. В лаборатории синтезировать соединение можно путем воздействия концентрированной серной кислоты на щавелевую (C2H2O4) или муравьиную (HCOOH). Реакция протекает при нагревании:

HCOOH → CO + H2O.
C2H2O4 → CO + CO2 + H2O.

По химическим свойствам двухвалентный оксид — хороший восстановитель. Он отлично горит, выделяя при этом большое количество тепла: 2CO + O2 → 2CO2. Другие характерные признаки:

Способность «изымать» кислород из его соединений с металлами: FeO + CO → Fe + CO2.
В присутствии активированного угля, выступающего в роли катализатора, окись углерода со степенью окисления +2, способна присоединять хлор (Cl), образуя при этом фосген (COCL2) — боевое отравляющее вещество. Представляет собой бесцветный, высокотоксичный газ с запахом прелого сена. Уравнение реакции получения: CO + Cl2 → COCl2.
При высоких температурах (выше 400°C) и повышенном давлении (300 атм) реагирует с водородом. В результате процесса образуется метиловый спирт (метанол): CO + 2H2 → CH3OH.
При повышенных температурах взаимодействует со щелочами, образуя при этом соли муравьиной кислоты (HCOOH): CO + NaOH → HCOONa.
При взаимодействии с аммиаком образуется синильная кислота — очень ядовитое вещество: CO + NH3 → HCN + H2O.

Угарный газ находит широкое практическое применение. Он входит в состав искусственного газообразного топлива. Кроме того, незаменим при процессах органического синтеза.

Диоксид углерода или CO2

Это газ, не имеющий цвета, обладающий слабым кисловатым запахом и вкусом. Молярная масса равна 44.01 г/моль.

Примечание: оксид углерода 4 в полтора раза тяжелее воздуха, поэтому его можно «переливать» из пробирки в пробирку.

Углекислый газ (еще одно название диоксида углерода) не поддерживает горения. Кроме того, он делает невозможным дыхание: в комнате, где концентрация вещества будет высокой, человек задохнется. Какие свойства присущи соединению:

В углекислом газе могут гореть некоторые вещества, образующие с кислородом более прочную связь, нежели углерод (например, магний): 2Mg + CO2 → 2MgO + C.
Реакция горения с раскаленным углем: CO2 + C → 2CO.
Взаимодействие с водой: CO2 + H2O → H2CO3 (угольная кислота).
Образует кислотные оксиды при взаимодействии с основными оксидами: Na2O + CO2 → Na2CO3 (карбонат натрия).
При недостатке щелочи образует гидрокарбонаты: CO2 + NaOH → NaHCO3.

В промышленности диоксид углерода синтезируют путем термического разложения известняка или мела (иногда доломита, магнезита): CaCO3 → CaO + CO2. Также это вещество можно выделить из коксового газа, при сжигании угля, торфа, нефтепродуктов, древесины. Кроме того, он содержится и в природных источниках: например, «появляется» в результате вулканической деятельности, при распаде органических веществ.

В лабораторных условиях его получают при взаимодействии CaCO3 и соляной кислоты: CaCO3 + 2HCl → CaCL2 + CO2 + H2O (реакция проводится в аппарате Киппа). Другой способ — прокаливание гидрокарбоната натрия: NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O.

Углекислый газ имеет промышленное значение: он необходим в содовом производстве, в пищевой промышленности (изготовление газированных напитков), для синтеза органических кислот. Сухой лед (твердый диоксид) используется в качестве хладагента — углекислая среда предотвращает продукты питания от разложения. Кроме того, CO2 применяется и в медицине (углекислотные ванны для активизации метаболических функций). Незаменим он и для сельского хозяйства — оксид углерода IV участвует в фотосинтезе, поэтому его недостаток негативно сказывается на растениях.

Физические свойства

Абсолютно все карбиды отличаются своей твёрдостью. Например, одним из самых твёрдых веществ по является карбид вольфрама (9 из 10 возможных баллов). К тому же эти вещества очень тугоплавкие: температура плавления некоторых из них достигает двух тысяч градусов.

Большинство карбидов химически инертны и взаимодействуют с небольшим количеством веществ. Они не растворимы ни в каких растворителях. Однако растворением можно считать взаимодействие с водой с разрушением связей и образованием гидроксида металла и углеводорода.

О последней реакции и многих других интересных химических превращениях с участием карбидов мы поговорим в следующем разделе.

Химические свойства

Почти все карбиды взаимодействуют с водой. Какие-то — легко и без нагревания (например, а какие-то (например, карбид кремния) — при нагревании водяного пара до 1800 градусов. Реакционная способность при этом зависит от характера связи в соединении, о котором мы поговорим позже. В реакции с водой образуются разные углеводороды. Происходит это потому, что водород, содержащийся в воде, соединяется с углеродом, находящимся в карбиде. Понять, какой углеводород получится (а может получиться как предельное, так и непредельное соединение), можно, исходя из валентности содержащегося в исходном веществе углерода. Например, если у нас есть карбид кальция, формула которого CaC 2 , мы видим, что он содержит ион C 2 2- . Значит, к нему можно присоединить два иона водорода с зарядом +. Таким образом, получаем соединение C 2 H 2 — ацетилен. Таким же образом из такого соединения, как карбид алюминия, формула которого Al 4 C 3 , получаем CH 4 . Почему не C 3 H 12 , спросите вы? Ведь ион имеет заряд 12-. Дело в том, что максимальное количество атомов водорода определяется формулой 2n+2, где n — количество атомов углерода. Значит, может существовать только соединение с формулой C 3 H 8 (пропан), а тот ион с зарядом 12- распадается на три иона с зарядом 4-, которые и дают при соединении с протонами молекулы метана.

Интересными представляются реакции окисления карбидов. Они могут происходить как при воздействии сильных смесей окислителей, так и при обыкновенном горении в атмосфере кислорода. Если с кислородом всё понятно: получаются два окисда, то с другими окислителями интереснее. Всё зависит от природы металла, входящего в состав карбида, а также от природы окислителя. Например, карбид кремния, формула которого SiC, при взаимодействии со смесью азотной и образует гексафторкремниевую кислоту с выделением углекислого газа. А при проведении той же реакции, но с одной только азотной кислотой, получаем и углекислый газ. К окислителям также можно отнести галогены и халькогены. С ними взаимодействует любой карбид, формула реакции зависит только от его строения.

Карбиды металлов, формулы которых мы рассмотрели — далеко не единственные представители этого класса соединений. Сейчас мы подробнее рассмотрим каждое промышленно важное соединение этого класса и затем поговорим об их применении в нашей жизни.

Химическая классификация карбидов

Карбиды в целом можно классифицировать по типу химических связей следующим образом: (i) солеподобные (ионные), (ii) ковалентные соединения, (iii) интерстициальные соединенияи (iv) «промежуточный» переходный металл карбиды. Примеры включают карбид кальция (CaC2), Карбид кремния (SiC), карбид вольфрама (WC; часто называют просто, карбид

когда речь идет о станках), и цементит (Fe3C),[2] каждый из них используется в ключевых промышленных приложениях. Название ионных карбидов не носит систематического характера.

Солевидные / солевые / ионные карбиды

Солевидные карбиды состоят из очень электроположительных элементов, таких как щелочных металлов, щелочноземельные металлы, и металлы 3 группы, в том числе скандий, иттрий, и лантан. Алюминий из 13 групп карбиды, но галлий, индий, и таллий не. Эти материалы имеют изолированные углеродные центры, часто описываемые как «C4−«в метанидах или метидах; двухатомные единицы»,C2− 2″, в ацетилиды; и трехатомные единицы, «C4− 3», в аллидах.[2] В соединение интеркаляции графита KC8, приготовленный из паров калия и графита, и производных щелочных металлов C60 обычно не классифицируются как карбиды.[7]

Метаниды

Метаниды — это подмножество карбидов, которые отличаются склонностью к разложению в воде с образованием метан. Три примера: карбид алюминия Al 4C 3, карбид магния Mg 2C[8] и карбид бериллия Быть 2C.

Карбиды переходных металлов не являются солевыми карбидами, но их реакция с водой очень медленная, и ею обычно пренебрегают. Например, в зависимости от пористости поверхности 5–30 атомных слоев карбид титана гидролизуются, образуя метан в течение 5 минут в условиях окружающей среды с последующим насыщением реакции.[9]

Обратите внимание, что метанид в этом контексте — банальное историческое название. Согласно правилам систематического наименования IUPAC, такое соединение, как NaCH3 можно было бы назвать «метанидом», хотя это соединение часто называют метилнатрием.[10]

Ацетилиды / Этиниды

Карбид кальция.
Предполагается, что некоторые карбиды являются солями ацетилид анион C22– (также называемый перкарбидом), который имеет тройная связь между двумя атомами углерода. Щелочные металлы, щелочноземельные металлы и лантаноидные металлы образуют ацетилиды, например карбид натрия Na2C2, карбид кальция CaC2, и LaC2.[2] Лантаноиды также образуют карбиды (сесквикарбиды, см. Ниже) с формулой M2C3. Металлы из группы 11 также имеют тенденцию к образованию ацетилидов, таких как ацетилид меди (I) и ацетилид серебра. Карбиды актинидные элементы, которые имеют стехиометрию MC2 И м2C3, также описываются как солеподобные производные C2− 2.

Длина тройной связи C-C составляет от 119,2 пм в CaC2 (аналогично этине), до 130.3 ч. в LaC2 и 134 вечера в UC2. Связь в LaC2 был описан в терминах LaIII с дополнительным электроном, делокализованным на разрыхляющую орбиталь на C2− 2, объясняя металлическую проводимость.[2]

Аллилиды

В многоатомный ион C4− 3иногда называют аллилид

, находится в Ли4C3 и Mg2C3. Ион линейный и равен изоэлектронный с СО2.[2] Расстояние C-C в мг2C3 133,2 вечера.[11] Mg2C3 дает метилацетилен, CH3CCH и пропадиен, CH2CCH2, при гидролизе, что было первым признаком того, что он содержит C4− 3.

Ковалентные карбиды

Карбиды кремния и бор описаны как «ковалентные карбиды», хотя практически все соединения углерода обладают некоторой ковалентностью. Карбид кремния имеет две похожие кристаллические формы, обе связаны со структурой алмаза.[2]Карбид бора, B4C, с другой стороны, имеет необычную структуру, которая включает в себя икосаэдрические звенья бора, связанные атомами углерода. В этом отношении карбид бора похож на богатый бором бориды. Оба карбида кремния (также известные как карборунд

) и карбид бора — очень твердые материалы и огнеупорный. Оба материала важны в промышленном отношении. Бор также образует другие ковалентные карбиды, например B25С.

Молекулярные карбиды

Комплекс [Au6C (PPh3)6]2+, содержащий углеродно-золотой сердечник.
Комплексы металлов, содержащие C, известны как карбидокомплексы металлов. Чаще всего встречаются октаэдрические кластеры с углеродным центром, такие как [Au6C (PPh3)6]2+ и [Fe6С (СО)6]2−. Подобные виды известны по карбонилы металлов и ранние галогениды металлов. Было выделено несколько концевых карбидов, например [CRuCl2{ПК6ЧАС11)3}2].

Металлокарбоэдрины (или «метавозы») — стабильные кластеры с общей формулой M 8C 12 где M — переходный металл (Ti, Zr, V и т. д.).

Какие бывают карбиды?

Оказывается, карбид, формула которого, скажем, CaC 2, существенно отличается по строению от SiC. И отличие это прежде всего в характере связи между атомами. В первом случае мы имеем дело с солеобразным карбидом. Назван этот класс соединений так потому, что ведёт себя фактически как соль, то есть способен диссоциировать на ионы. Такая ионная связь очень слабая, что и позволяет легко проводить и многие другие превращения, включающие взаимодействия между ионами.

Другим, наверное, более промышленно важным видом карбидов являются ковалентные карбиды: такие как, например, SiC или WC. Они отличаются высокой плотностью и прочностью. А также тугоплавки и инертны к разбавленным химическим веществам.

Существуют также металлоподобные карбиды. Их скорее можно рассматривать как сплавы металлов с углеродом. Среди таких можно выделить, например, цементит (карбид железа, формула которого бывает разной, но в среднем она примерно такая: Fe 3 C) или чугун. Они имеют химическую активность, промежуточную по своей степени между ионными и ковалентными карбидами.

Каждый из этих подвидов обсуждаемого нами класса химических соединений имеет своё практическое применение. О том, как и где применяется каждый из них, мы поговорим в следующем разделе.

Связанные материалы

Помимо карбидов, существуют другие группы родственных углеродных соединений:[2]

соединения интеркалирования графита
щелочной металл фуллериды
эндоэдральные фуллерены, где атом металла заключен в молекулу фуллерена
металлакарбоэдрены (меткарбоны), представляющие собой кластерные соединения, содержащие C2 единицы.
настраиваемый нанопористый углерод, где газовое хлорирование карбидов металлов удаляет молекулы металла с образованием высокопористого, почти чистого углеродного материала, способного накапливать энергию с высокой плотностью.
карбеновые комплексы переходных металлов.
двумерные карбиды переходных металлов: MXenes

Практическое применение карбидов

Как мы уже обсудили, ковалентные карбиды имеют самый большой диапазон практических применений. Это и абразивные и режущие материалы, и композиционные материалы, используемые в разных областях (например, в качестве одного из материалов, входящих в состав бронежилета), и автодетали, и электронные приборы, и нагревательные элементы, и ядерная энергетика. И это далеко не полный список применений этих сверхтвёрдых карбидов.

Самое узкое применение имеют солеобразующие карбиды. Их реакцию с водой используют как лабораторный способ получения углеводородов. То, как это происходит, мы уже разобрали выше.

Наравне с ковалентными, металлоподобные карбиды имеют широчайшее применение в промышленности. Как мы уже говорили, таким металлоподобным видом обсуждаемых нами соединений являются стали, чугуны и прочие соединения металлов с вкраплениями углерода. Как правило, металл, находящийся в таких веществах, относится к классу d-металлов. Именно поэтому он склонен образовывать не ковалентные связи, а как бы внедряться в структуру металла.

На наш взгляд, практических применений у вышеперечисленных соединений более чем достаточно. Теперь взглянем на процесс их получения.

Получение карбидов

Первые два вида карбидов, которые мы рассмотрели, а именно ковалентные и солеобразные, получают чаще всего одним простым способом: реакцией оксида элемента и кокса при высокой температуре. При этом часть кокса, состоящего из углерода, соединяется с атомом элемента в составе оксида, и образует карбид. Другая часть «забирает» кислород и образует угарный газ. Такой способ очень энергозатратен, так как требует поддержания высокой температуры (порядка 1600-2500 градусов) в зоне реакции.

Для получения некоторых видов соединений используют альтернативные реакции. Например, разложение соединения, которое в конечном итоге даёт карбид. Формула реакции зависит от конкретного соединения, поэтому обсуждать её мы не будем.

Прежде чем завершить нашу статью, обсудим несколько интересных карбидов и поговорим о них подробнее.

Карбид натрия. Формула этого соединения C 2 Na 2 . Это можно представить скорее как ацетиленид (то есть продукт замещения атомов водорода в ацетилене на атомы натрия), а не карбид. Химическая формула полностью не отражает этих тонкостей, поэтому их надо искать в строении. Это очень активное вещество и при любом контакте с водой очень активно взаимодействует с ней с образованием ацетилена и щёлочи.

Карбид магния. Формула: MgC 2 . Интересны способы получения этого достаточно активного соединения. Один из них предполагает спекание фторида магния с карбидом кальция при высокой температуре. В результате этого получаются два продукта: фторид кальция и нужный нам карбид. Формула этой реакции достаточно проста, и вы можете при желании ознакомиться с ней в специализированной литературе.

Если вы не уверены в полезности изложенного в статье материала, тогда следующий раздел для вас.

Состав и виды карбидов

Карбиды не являются отдельным веществом. Это соединение углерода с металлами и неметаллами. Причем, следует учитывать, что углерод должен обладать большей электроотрицательностью в получаемом веществе по сравнению с другими используемыми элементами. Это дает возможность избежать производства галогенов, оксидов и других углеродных соединений.

На сегодняшний день различают три вида карбида

, состав которых отличен друг от друга:

Ацетилениды — при гидролизе образуют этин или ацетилен. Карбид кальция относится к данному типу соединений.
Метаниды — при вступлении в реакцию с водой или разбавленными кислотами образуют метан. Чаще бесцветны. Сюда относят карбид алюминия, магния, бериллия.

Соединения углерода: карбиды, соли, диоксид, угольная кислота

Задание 368 Какие соединения называются карбидами и силицидами? Напишите уравнения реакций: а) карбида алюминия с водой; б) силицида магния с хлороводородной (соляной) кислотой. Являются ли эти реакции окислительно-восстановительными? Почему? Решение: Карбидами называются соединения углерода с металлами. Силицидами называются соединения кремния с металлами. Уравнения реакций:

а) карбида алюминия с водой:

Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3↓ + 3CH4↑;

б) силицида магния с хлороводородной (соляной) кислотой:

Mg2Si + 4HCl = MgCl2 + SiH4↑

Эти реакции не являются окислительно-восстановительными, потому что не происходит изменения степеней окисления элементов.

Задание 389 Как получают диоксид углерода в промышленности и в лаборатории? Напишите уравнения соответствующих реакций и реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: NaHCO3 → CO2 → CaCO3 → Ca(HCO3)2 Решение: В промышленности диоксид углерода получают обжигом известняка:

СаСО3 СаО + СО2↑

В лаборатории диоксид углерода получают в аппарате Киппа по реакции:

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + СО2↑

Уравнения соответствующих реакций и реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

NaHCO3 → CO2 → CaCO3 →Ca(HCO3)2:

а) 2NaHCO3 Na2CO3 + H2O + СО2↑; б) CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3↓ + H2O; в) CaCO3 +CO2 + H2O = Ca(HCO3)2

Задание 390 Какие из солей угольной кислоты имеют наибольшее промышленное применение? Как получить соду, исходя из металлического натрия, хлороводородной (соляной) кислоты, мрамора и воды? Почему в растворе соды лакмус приобретает синий цвет? Ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций. Решение: Из солей угольной кислоты большое практическое значение имеют следующие соли:

1.Na2CO3 – карбонат натрия или сода. Применяется для получения алюминия, стекла, производство моющих веществ и др. 2.СаСО3 – карбонат кальция или известняк. Применяется в производстве извести и углекислого газа, как флюс в металлургии, большое количество в виде мела используется в производстве строительных материалов и для очистки веществ. 3.К2СО3 – карбонат калия или поташ. Применяется для производства строительных материалов. 4.NaHCO3 – гидрокарбонат натрия или пищевая сода. Применяется в пищевой промышленности. 5.MgCO3 – карбонат магния или магнезит. Применяется в производстве строительных материалов.

Получение соды. При растворении металлического натрия в воде можно получить гидроксид натрия, который при взаимодействии с соляной кислотой даёт хлорид натрия. При реакции хлорида натрия и карбоната кальция получают соду. Реакции процессов:

а) 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2; б) HCl + NaOH = NaCl + H2O; в) 2NaCl + CaCO3 = Na2CO3 + CaCl2

Раствор Na2CO3 окрашивает лакмус в синий цвет, потому что сода – соль сильного однокислотного основания и слабой многоосновной кислоты гидролизуется по аниону СО32-, который связывается с ионом Н+ с образованием аниона кислой соли НСО3–. Н2СО не образуется, потому что диссоциация НСО3- протеакает труднее, чем Н2СО3. Гидролиз протекает по первой ступени. Ионно-молекулярное уравнение гидролиза:

СО32- + Н2О ⇔ НСО3- + ОН-

Молекулярное уравнение реакции:

Na2CO3 + H2O ⇔ NaHCO3 + NaOH

Поскольку при гидролизе соли образуется избыток ионов ОН–, то раствор будет иметь щелочную среду, рН > 7. В щелочной среде лакмус даёт синее окрашивание.

Свойства

Благодаря своим свойствам, эти соединения нашли широкое применение в машиностроении

, а также в строительстве.

Высокая твердость материала. У различных соединений она варьируется, но всегда остается выше средней. Они являются самыми твердыми минералами.
Температура плавления
. Практически всегда она выше температуры плавления металла входящего в соединение и может превышать 2000 градусов.
Устойчивость к коррозии. Многие соединения не вступают в реакцию с различными кислотами и довольно устойчивы к внешним агрессивным факторам.
Взаимодействие с водой. Практически все карбидные соединения вступают в реакцию с водой, например, при взаимодействии с карбидом кальция можно его взрывать. Условия взаимодействия могут отличаться и зависят от характера связи в соединении.

Основные свойства

Углерод инертен по отношению ко всем обычным растворителям. Исключение — некоторые расплавленные металлы. Однако после остывания он снова кристаллизуется в графит.

При нормальных условиях более химически активный только черный углерод. Он может соединяться со фтором, а при повышении температуры — с водородом, кремнием, серой, бором и некоторыми другими металлами. В результате реакции образуются карбиды:

4Al + 3C → Al4C3.
Ca + 2C → CaC2.

При взаимодействии карбидов с водой или кислотой образуется метан или ацетилен:

Al4C3 + 12HCl → 4AlCl3 + 3CH4 (метан).
CaC2 + 2H2O → C2H2 (ацетилен) + Ca (OH)2 (гидроксид кальция).

Ряд карбидов имеет состав, который не подчиняется «общепринятому» представлению о валентности. К таким относится, например, Fe3C.

С азотом углерод не соединяется, но в присутствии водорода образует циановодород (формула вещества HCN). В реакциях с кислородом он образует монооксид и диоксид, при этом выделяется большое количество тепла:

C + O2 → CO2.
монооксид чаще всего выделяется при пропускании диоксида над раскаленным углем: CO2 + C → 2CO.

Углерод — один из наиболее сильных восстановителей, известных в химии. При взаимодействии с оксидами металлов он «отнимает» у них кислород, восстанавливая при этом вещества до свободного состояния:

ZnO + C → Zn + CO.
SiO2 +2C → Si + 2CO.

При взаимодействии избытка углерода с диоксидом кремния (кварцем, песком), кроме чистого Si, образуется карборунд (окись кремния) — очень твердое вещество: SiO2 + 3C → SiC + 2CO.

С галогенами «чистый» углерод не взаимодействует. Соединения с ними образуются из других веществ (например, углеводородов).

Производство карбида

Ковалентные и солеобразные соединения получают простым методом. В электрическую печь помещают смесь из дробленого кокса и оксида металла и нагревают. При высоких температурах оксид элемента вступает в реакцию с коксом. При таком способе часть кокса, которая состоит из углерода, соединяется с атомами элемента, входящими в оксид. В результате образуется требуемый карбид и угарный газ. Готовую расплавленную смесь разливают

по специальным формам, а после застывания дробят и сортируют по размеру гранул. Несмотря на простоту данного способа, получение карбида с его помощью является довольно энергозатратным, поскольку требует поддержания высоких температур (1600-2500 градусов) на всем протяжении реакции.

Существуют и альтернативные способы получения некоторых видов веществ. Как правило, это разложение соединения в результате которого и получается требуемый элемент. Формула распада будет отличаться в зависимости от конкретного соединения.

КАРБИДЫ

КАРБИДЫ (от лат. carbo — уголь), соед. углерода с металлами, а также с бором и кремнием. По типу хим. связи карбиды делят на ионные (солеобразные), ковалентные и металлоподобные (ионно-ковалентно-металлические). Ионные карбиды (см. табл. 1) образуют металлы I и II гр. (соотв. М2С2 и МС2), РЗЭ и актиноиды (МС, М2С3, МС2), а также Аl. В этих соед. атом С в зависимости от типа гибридизации (sp3, sp2 или sp) образует ионы С4-, (C=C4-, (С=С=С)4-, (C=C)2-. Ковалентные карбиды (см. табл. 2) образуют В и Si; атом С в этих соед. находится в состоянии sp-, sp2- и sp3-гибридизации. Металлoподобные карбиды образуют переходные металлы IV-VII гр., Со, Ni и Fe. В этих карбидах связь металл-углерод ионно-ковалентная, причем атом С отрицательно заряжен, связь металл — металл чисто металлическая, атомы С между собой не связаны. Карбиды щелочных металлов кристаллизуются в решетках типа графита, атомы металлов размещаются между углеродными слоями, построенными из гексагoн. сеток. Карбиды щел.-зем. металлов кристаллизуются в гранецентрир. тетрагон. решетке типа СаС2, карбиды РЗЭ, монокарбиды актиноидов и переходных металлов в гранецентрир. кубической типа NaCl, сесквикарбиды актиноидов М2С3 в объемноцентрир. кубич. решетке типа Рu2С3. Ионные карбиды щелочных металлов разлагаются при т-ре ок. 800 °С, карбиды щел.-зем. металлов в интервале 1800-2300°С, ковалентные карбиды и металлоподобные разлагаются и плавятся при более высоких т-рах. В периодич. системе в пределах группы т-ры плавления карбидов возрастают с увеличением порядкового номера металла и обычно в 1,5-2 раза выше, чем т-ры плавления соответствующих металлов. Это обусловлено высокой прочностью связи М-С. Металлоподобные карбиды обладают металлич. проводимостью, для них характерен положит. температурный коэф. r. Для сесквикарбидов величина r (достигает 500 мкОм.см) примерно на порядок выше, чем для дикарбидов и монокарбидов (20-50 мкОм.см). Дикарбиды РЗЭ также обладают металлич. св-вами. Карбиды В и Si, а также Be, Mg и Аl — полупроводники. Мех. св-ва карбидов зависят от прочности хим. связи, степени ее ковалентности и межатомного расстояния. наиб. высокой твердостью обладают карбиды В, Si, Be, а также монокарбиды РЗЭ и переходных металлов; твердость последних уменьшается при переходе от карбидов подгруппы IVа к карбидам подгруппы VIa. Все карбиды при комнатной т-ре — хрупкие в-ва, их пластич. деформация возможна в условиях всестороннего сжатия при очень высоких напряжениях. Ионные карбиды разлагаются водой с образованием метана, ацетилена, метилацетилена или смеси углеводородов и гидроксида металла, напр.:
Аl4С3 + 12Н2О : 4Аl(ОН)3 + 3СН4;

Na2C2 + 2Н2О : 2NaOH + С2Н2;

Mg2C3 + 4Н2О : 2Mg(OH)2 + С3Н4.

Ковалентные и металлоподобные карбиды не разлагаются водой и большинством минер. к-т и щелочей. Получают карбиды из элементов, восстановлением оксидов металлов, газофазным способом, металлотермически. Синтез из элементов осуществляют при высоких т-рах в вакууме или инертной атмосфере. В зависимости от технол. параметров процесса образуются порошки с размером частиц от 0,5 мкм до 2 мм. Синтез может осуществляться в режиме горения, т. к. в результате р-ции выделяется большое кол-во тепла, либо в плазме при 5000-10000 К в дуговых, высокочастотных и сверхчастотных плазмотронах. В результате быстрого охлаждения из парогазовой смеси элементов в плазмообразующем газе (Аr или Не) образуются ультрадисперсные порошки с размерами частиц 10-100 нм. Восстановлением оксидов металлов производят наиб. важные соед. — бора карбиды, кремния карбиды, а также вольфрама карбиды, титана карбид и др. Карбиды переходных металлов. Газофазным способом получают карбиды из хим. соед., к-рые испаряются, разлагаются, а затем восстанавливаются и взаимод. друг с другом, напр.:

2МСl + 2ССl4 + 5Н2 : 2МС + 10НСl.

Чаще всего этот синтез осуществляют в плазме, получая дисперсные порошки. По металлотермич. способу оксиды металлов восстанавливают металлами (Mg, Al или Са) в присут. углерода, напр.:

МО + С + Мg : МС + МgО.

Особо чистые карбиды, не содержащие кислорода и азота, синтезируют взаимод. С и металла в расплаве др. металла или сплава, напр. TiC получают в сплаве Fe Ni. Из ионных карбидов наиб. важен кальция карбид СаС2, из ковалентных В4С и SiC. Металлоподобные карбиды упрочняют чугун и сталь [Fe3C, (Fe,Cr)3C, Fe2W2C, (Fe,Cr,Mo)23C6], они являются основой твердых вольфрама сплавов (WC, TiC, WC, TiC, TaC, WC) и др. твердых сплавов (TiC, VC, Сr3С2, ТаС), используемых для обработки металлов резанием. Карбиды применяют также как восстановители, раскислители и катализаторы, они входят в состав жаропрочных и жаростойких композиционных материалов, в т. ч. керметов. === Исп. литература для статьи «КАРБИДЫ»: Стормс Э., Тугоплавкие карбиды, пер. с англ., М., 1970; Гольдшмидт X., Сплавы внедрения, пер. с англ., в. 1-2, М, 1971, Тот Л., Карбиды и нитриды переходных металлов, пер. с англ., М, 1974. Самсонов Г. В., Упадхая Г. Ш., Нешпор В. С., Физическое материаловедение карбидов, К., 1974, Высокотемпературные карбиды, под ред. Г. В. Самсонова, К, 1975, Карбиды и сплавы на их основе, под ред. Г. В. Самсонова, К, 1976, Свойства, получение и применение тугоплавких соединений, Справочник, под ред. Т. Я. Косолаповой. М, 1986, П. С. Кислый.

Страница «КАРБИДЫ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

Применение в промышленности

Карбид кальция является важным соединением для получения ацетилена, газа, который используется при кислородной сварке и обработке металлов

. При горении с кислородом ацетилен способен достигать 3150 градусов Цельсия. Это позволяет работать с тугоплавкими металлами, требующими температуру вдвое большую,чем температура плавления самого металла.

Карбид бора используется как огнеупорный материал, поскольку температура плавления такого соединения выше 2400 градусов. При этом он же встречается в бронежилетах,так как способен защитить не только от пуль и осколков, но и от радиации. Для покрытия промышленного и строительного инструмента используют карбид титана. Его прочность позволяет повысить износостойкость деталей и обрабатывать даже самые прочные материалы.

Хранение и транспортировка

Поскольку карбид при вступлении в реакцию с влагой приводит к выделению большого количества тепла и взрывоопасного газа ацетилена, хранят данное вещество в герметичных баках или барабанах. Работа с такими баками требует особой осторожности. Газ ацетилен легче воздуха и способен самовоспламеняться, при этом обладает наркотическим действием

. При вскрытии барабанов с карбидом используют специальный инструмент, исключающий возникновение искр, а при попадании вещества на кожу требуется немедленно промыть водой пораженный участок и смазать жирным кремом.

Помещения хранения должны хорошо проветриваться, а содержание других веществ по соседству — запрещено. Это может привести к опасным реакциям. Неправильное хранение может как взорвать карбид, так и привести его в негодное состояние.

Срок хранения доходит всего до полугода.

Перевозка осуществляется только крытым транспортом. Воздушная доставка запрещена.

Стоимость

На рынке карбид кальция можно приобрести по цене 80 рублей за килограмм. Продают данную смесь в бочках или специальных мешках. Ненамного дороже вещество с кремнием. Его стоимость составляет 82 рубля за килограмм. А вот, карбид вольфрама обойдется в 1400 рублей за кило. Причем, может быть установлен минимальный вес покупки, например, от 10 кг. Карбид бора будет стоить еще дороже — от 2000 рублей, причем фасовка начинается от 35 килограмм. Стоимость же соединений с гафнием или молибденом оговаривается с поставщиком отдельно.

Карбид

(Carbidkohie, carbone de recuit) — представляет собой определенное химическое соединение железа с углеродом, соответствующее формуле Fe 3 С 4 , встречается в хорошо отпущенной стали. С давних времен было известно, что углерод в чугуне находится в двух различных видах: а) в виде графита, выделяющегося при медленном остывании чугуна, и б) в виде углерода, химически связанного с железом. Благодаря работам Ринмана, Карстена, Карона, Оккермана и др., которые занимались исследованием свойств закаленной и незакаленной стали, оказалось, что соединенный углерод в этих разных состояниях стали находится в двух видах. Один из них, находящийся в хорошо закаленной стали, при обработке холодной и разбавленной серной или соляной кислотой почти весь дает углеводороды или растворяется; другой, находящийся в хорошо отпущенной стали, оставляет при подобной обработке довольно значительный осадок аморфного углерода, который исчезает только при продолжительном кипячении. Первый из них назван закаливающим углеродом

(Hartungskohle), а второй —
цементирующим углеродом
(Cementkohle). Карон утверждал, что цементирующий углерод представляет собою углерод свободный, который вступает в соединение с железом, т. е. переходит в закаливающий углерод, только под действием быстрого охлаждения или ударов молота. Профессор Мюллер, подвергая сталь действию разбавленной серной кислоты в атмосфере светильного газа, нашел, что закаливающий углерод обратился в углеводород, а остаток представлял особое твердое вещество, обладающее магнитными свойствами и состоящее, главным образом, из железа и углерода; кроме того, от ½ до 1% воды и небольшое количество фосфора. Содержание углерода в этих остатках колебалось от 6,6-7,7. Одновременно с ним занимались этим вопросом английские ученые Абель и М. Деринг и пришли тоже к аналогическим результатам. При своих исследованиях они употребляли раствор хромовой кислоты, состоящий из 90 гр. серной кислоты в смеси со 100 гр. двухромокалиевой соли. Они пришли к следующему заключению: а) что в незакаленной или хорошо отпущенной стали углерод распределяется равномерно по всей массе в виде определенного химического соединения с железом,
карбида,
которого состав Fe 3 С 4 ; б) что в закаленной стали углерод находится в аморфном состоянии и не представляет никакого определенного соединения с железом. Если отпустить закаленную сталь, то углерод из аморфного состояния переходит опять в соединение с железом в виде К. При медленном остывании куска стали, нагретого до высокой температуры, образуется К. и распределяется равномерно в остальной массе железа. При быстром же охлаждении стали — это соединение не может образоваться. Наконец, Осмонд и Верт, хотя другим путем, пришли тоже к тому же результату. Выделяя из стали углеродистое соединение по способу Вайльса, т. е. разлагая кусок стали при помощи гальванического тока, они получили осадок, который состоял из маленьких микроскопических блесточек, притягиваемых магнитом и, как показал анализ, состоял из железа, углерода и некоторого количества воды. Это то же самое соединение углерода с железом, которое Абель назвал К., Caron —
цементирующим углеродом,
Осмонд и Верт —
углеродом отжига
(Glühkohle), Ледебур —
углеродом нормального углеродистого соединения
(gewöhnliche Carbidkohle); Сорби в своих микроскопических исследованиях —
перламутровой составной частью
(pearly constituent of iron), a Howe —
перлитом
(Perlyte), наконец, Веддинг —
кристаллическим железом
(Krystalleisen). Из своих микроскопических исследований Осмонд и Верт пришли к убеждению, что К., распределяясь равномерно в стали, образует в массе металла сплошную сетку, в промежутках которой помещается металлическое железо. По их мнению, сталь образована из маленьких многогранных гранул мягкого железа, окруженного углеродистым железом, т. е. из отдельных ячеек, которых ядро составляет мягкое железо, а оболочку К. Этот К. служит вместе с тем
цементом,
т.е. связующим веществом, для соседних ячеек. В закаленной стали блестки К. находятся в незначительном количестве и в разъединенном состоянии, и уже в этом случае К. не играет роли оболочки, а является равномерно распределенным во всей массе стали. Как при большинстве химических явлений, так и здесь при образовании К. или перехода его в углерод закала замечаем поглощение или выделение тепла (см. Рекалесценция), что имеет место приблизительно около 700°. Таким образом, К. представляет определенное соединение, выделяющееся при медленном и постепенном охлаждении стали (нагретой до светло-красного каления) между 700° и 600°; по мнению Осмонда, он распределяется в виде сетки, окаймляющей зерна мягкого железа, хотя, по Веддингу и Ледебуру, наоборот, это углеродистое железо распределяется в массе стали в виде зерен.

Литература:

«Comptes Rendus» (т. LVI, стр. 43-211); «Zeitschrift des Vereins deutscher Ingenieure» (т. XXII, стр. 385); «Stahl und Eisen» (1888, т. VIII, стр. 291); «Metallurgy of Steel»; M. Howe; «Stahl und Eisen» (1885, т. V, стр. 489; 1886, стр. 379; 1887, стр. 448; 1888, стр. 369); «Горный журнал» (1886, т. III, стр. 138; 1886, № 9; 1888, № 2 и 1889, № 1); Osmond, «Trasformation du Fer et du Carbonne dans les fers»; Osmond et Werth, «La theorie cellulaire des proprietés de l»acier» (в «Ann. des Mines», 1885, т. 8, стр. 5); F. Abel, «Carbon in Steel» (в «Engineering», 1886, т. XXXIV, стр.150).

А. Ржешотарский.

Δ
.
Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. — С.-Пб.: Брокгауз-Ефрон . 1890-1907 .
Синонимы
:

Смотреть что такое «Карбид» в других словарях:

карбид

— а, м. carbide m. &LT;лат. carbo + гр. eidos вид спец. Соединение металла с углеродом. Карбид железа. Карбид кальция. БАС 1. Карбидный ая, ое. ♦ Карбидная лампа. Лампа, в которой горит ацетилен, получаем действием воды на карбид кальция. БАС 1.… … Исторический словарь галлицизмов русского языка

В зависимости от контекста означает: Карбид кальция, соединение, используемое для производства ацетилена Карбид, как соединение металла с углеродом, см. Карбиды … Википедия

Цементит Словарь русских синонимов. карбид сущ., кол во синонимов: 1 цементит (1) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

КАРБИД, карбида, мн. нет, муж. (от лат. carbo уголь) (хим.). Соединение элементов, преим. металлических с углеродом. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова

КАРБИД, а, муж. Химическое соединение углерода с металлами и нек рыми неметаллами. | прил. карбидный, ая, ое. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

— (Carbidkohle, carbone de recuit) представляет собойопределённое химическое соединение железа с углеродом, соответствующееформуле Fe3C4, встречается в хорошо отпущенной стали. С давних времёнбыло известно, что углерод в чугуне находится в двух… … Энциклопедия Брокгауза и Ефрона

Карбид

— — соединение металлов и некоторых неметаллов с углеродом. Применяется в технике … Нефтегазовая микроэнциклопедия

карбид

— Химическое соединение углерода с одним или более металлическими элементами. Тематики металлургия в целом EN carbide … Справочник технического переводчика

карбид

— [کربيد] ю. моддаи химиявӣ иборат аз омезиши филиз бо карбон; чароғи карбид чароғе, ки бо карбид месӯзад … Фарҳанги тафсирии забони тоҷикӣ

Carbide Карбид. Химическое соединение углерода с одним или более металлическими элементами. (Источник: «Металлы и сплавы. Справочник.» Под редакцией Ю.П. Солнцева; НПО Профессионал, НПО Мир и семья; Санкт Петербург, 2003 г.) … Словарь металлургических терминов

Нахождение в природе

В природе углерод встречается как в чистом виде, так и в форме соединений. В свободном кристаллическом состоянии он находится в виде двух аллотропных видоизменений:

Алмаз — чрезвычайно твердое вещество, плохо проводящее тепло и электричество. По внешнему виду — бесцветные кристаллы, сильно преломляющие свет. Если их соответствующим образом огранить — получатся бриллианты, их масса измеряется в каратах: 1 карат = 0,205 г. Самым крупным камням присваиваются имена: например, Куллинан (более 3 тыс. карат), Звезда Якутии (232 карата), и прочие. Тусклые алмазы (борт) используются в промышленности. При нагревании без доступа воздуха алмаз превращается в графит. В настоящее время из графита создаются искусственные алмазы (длительный нагрев при t=3000°С, и давлении 70−100 тыс. атмосфер). Синтетические продукты широко используются в технике.
Графит — образует мощные залежи. По внешнему виду это серо-черная, жирная на ощупь масса. Имеет слоистую структуру. Хорошо проводит тепло и электричество, тугоплавкий. Используется в промышленности при производстве электродов и грифелей карандашей.

Есть еще одна модификация — аморфный углерод. Это пористое вещество черного цвета. Его «известные представители» — кокс, сажа, древесный и костяной уголь. В чистом виде не встречается, всегда содержит примеси.

В связанном состоянии углерод встречается в карбонатах (кальцит, известняк, мел, мрамор, железный шпат FeCO3, марганцевый шпат MnCO3, цинковый шпат ZnCO3, магнезит, доломит, малахит, и прочие). Кроме того, углерод — основная составная часть каменных и других углей, нефти, горючих природных газов, всех живых организмов.