بسیاری از ترکیبات شیمیایی مختلف در جهان شناخته شده است: حدود صدها میلیون. و همه آنها مانند مردم فردی هستند. یافتن دو ماده که دارای خواص شیمیایی و فیزیکی یکسان با ترکیبات متفاوت باشند غیرممکن است.
یکی از جالب ترین مواد معدنی موجود در جهان کاربیدها هستند. در این مقاله به ساختار، خواص فیزیکی و شیمیایی، کاربردها و تحلیل پیچیدگی های تولید آنها می پردازیم. اما ابتدا کمی در مورد تاریخچه کشف.
تاریخ
کاربیدهای فلزی که فرمول آنها را در زیر خواهیم آورد، ترکیبات طبیعی نیستند. این به دلیل این واقعیت است که مولکول های آنها در هنگام تعامل با آب تمایل به تجزیه دارند. بنابراین، لازم است در مورد اولین تلاش ها برای سنتز کاربیدها در اینجا صحبت شود.
از سال 1849 اشاراتی به سنتز کاربید سیلیکون وجود دارد، اما برخی از این تلاش‌ها ناشناخته باقی مانده‌اند. تولید در مقیاس بزرگ در سال 1893 توسط شیمیدان آمریکایی ادوارد آچسون در فرآیندی که بعدها به نام او نامگذاری شد آغاز شد.
تاریخچه سنتز کاربید کلسیم نیز در مقدار زیادی اطلاعات متفاوت نیست. در سال 1862، شیمیدان آلمانی فردریش ویلر آن را با حرارت دادن روی و کلسیم آلیاژی با زغال سنگ به دست آورد.
حالا بیایید به بخش های جالب تر برویم: شیمیایی ومشخصات فیزیکی. از این گذشته، اصل استفاده از این دسته از مواد در آنهاست.
خواص فیزیکی
کاملاً همه کاربیدها از نظر سختی متمایز می شوند. به عنوان مثال، یکی از سخت ترین مواد در مقیاس Mohs، کاربید تنگستن است (9 از 10 امتیاز ممکن). علاوه بر این، این مواد بسیار نسوز هستند: نقطه ذوب برخی از آنها به دو هزار درجه می رسد.
بیشتر کاربیدها از نظر شیمیایی بی اثر هستند و با مقدار کمی از مواد تعامل دارند. آنها در هر حلالی نامحلول هستند. با این حال، انحلال را می توان برهمکنش با آب با تخریب پیوندها و تشکیل هیدروکسید فلز و هیدروکربن در نظر گرفت.
در بخش بعدی در مورد آخرین واکنش و بسیاری از تبدیلات شیمیایی جالب دیگر شامل کاربیدها صحبت خواهیم کرد.
خواص شیمیایی
تقریبا همه کاربیدها با آب برهم کنش دارند. برخی - به راحتی و بدون حرارت (به عنوان مثال، کاربید کلسیم)، و برخی (به عنوان مثال، کاربید سیلیکون) - با گرم کردن بخار آب تا 1800 درجه. واکنش پذیری در این مورد به ماهیت پیوند در ترکیب بستگی دارد که در ادامه به آن خواهیم پرداخت. در واکنش با آب، هیدروکربن های مختلفی تشکیل می شود. این به این دلیل اتفاق می افتد که هیدروژن موجود در آب با کربن موجود در کاربید ترکیب می شود. بر اساس ظرفیت کربن موجود در ماده اصلی، می توان فهمید که کدام هیدروکربن تولید می شود (و ترکیبات اشباع و غیراشباع می توانند ظاهر شوند). به عنوان مثال، اگر uما کاربید کلسیم داریم که فرمول آن CaC2 است، می بینیم که حاوی یون C22- است.به این معنی که دو یون هیدروژن با بار + را می توان به آن متصل کرد. بنابراین، ما ترکیب C2H2 - استیلن را دریافت می کنیم. به همین ترتیب، از ترکیبی مانند کاربید آلومینیوم که فرمول آن Al4C3 است، CH به دست می آید. 4. شما می‌پرسید چرا C3H12 را ندارید؟ از این گذشته ، یون دارای بار 12- است. واقعیت این است که حداکثر تعداد اتم های هیدروژن با فرمول 2n + 2 تعیین می شود که در آن n تعداد اتم های کربن است. این بدان معناست که فقط ترکیبی با فرمول C3H8 (پروپان) می تواند وجود داشته باشد و آن یون با بار ۱۲- به سه تجزیه می شود. یون‌هایی با بار 4-، که وقتی با پروتون‌ها ترکیب می‌شوند مولکول‌های متان می‌دهند.
واکنش های اکسیداسیون کاربیدها جالب است. آنها می توانند هم زمانی که در معرض مخلوط های قوی از عوامل اکسید کننده قرار می گیرند و هم در هنگام احتراق معمولی در یک اتمسفر اکسیژن رخ دهند. اگر همه چیز با اکسیژن روشن است: دو اکسید به دست می آید، پس با سایر عوامل اکسید کننده جالب تر است. همه چیز به ماهیت فلزی که بخشی از کاربید است و همچنین به ماهیت عامل اکسید کننده بستگی دارد. به عنوان مثال، کاربید سیلیکون که فرمول آن SiC است، هنگام برهمکنش با مخلوطی از اسیدهای نیتریک و هیدروفلوئوریک، با آزاد شدن دی اکسید کربن، اسید هگزافلوروسیلیک را تشکیل می دهد. و هنگام انجام همان واکنش، اما فقط با اسید نیتریک، اکسید سیلیکون و دی اکسید کربن دریافت می کنیم. هالوژن ها و کالکوژن ها را می توان به عنوان عوامل اکسید کننده نیز نام برد. هر کاربید با آنها تعامل دارد، فرمول واکنش فقط به ساختار آن بستگی دارد.
کاربیدهای فلزی که فرمول آنها را در نظر گرفتیم، از تنها نمایندگان این دسته از ترکیبات فاصله زیادی دارند. اکنون نگاهی دقیق تر به هر یک از ترکیبات مهم صنعتی این کلاس خواهیم داشت و سپس در مورد کاربرد آنها در زندگی خود صحبت خواهیم کرد.
کاربیدها چیست؟
معلوم شد که کاربید، که فرمول آن، مثلاً CaC2، به طور قابل توجهی از نظر ساختار با SiC متفاوت است. و تفاوت در درجه اول در ماهیت پیوند بین اتم ها است. در حالت اول با کاربید نمک مانند روبرو هستیم. این دسته از ترکیبات به این دلیل نامگذاری شده اند که در واقع مانند نمک عمل می کنند، یعنی می توانند به یون تجزیه شوند. چنین پیوند یونی بسیار ضعیف است، که انجام واکنش هیدرولیز و بسیاری از تبدیلات دیگر، از جمله برهمکنش بین یون ها را آسان می کند.
نوع دیگری از کاربید که شاید از نظر صنعتی مهمتر باشد، کاربید کووالانسی است، مانند SiC یا WC. آنها با چگالی و استحکام بالا مشخص می شوند. همچنین نسوز و بی اثر برای رقیق کردن مواد شیمیایی.
کاربیدهای فلز مانند نیز وجود دارد. آنها را می توان به عنوان آلیاژهای فلزات با کربن در نظر گرفت. در این میان می توان به عنوان مثال سمنتیت (کاربید آهن که فرمول آن متفاوت است، اما به طور متوسط تقریباً به شرح زیر است: Fe3C) یا چدن را تشخیص داد. آنها یک فعالیت شیمیایی متوسط در درجه بین کاربیدهای یونی و کووالانسی دارند.
هر یک از این زیرگونه های کلاس ترکیبات شیمیایی مورد بحث ما کاربرد عملی خود را دارد. نحوه و مکان درخواستدر مورد هر کدام در بخش بعدی صحبت خواهیم کرد.
کاربرد عملی کاربیدها
همانطور که قبلاً بحث کردیم، کاربیدهای کووالانسی وسیع ترین کاربردهای عملی را دارند. اینها مواد ساینده و برش و مواد مرکب مورد استفاده در زمینه های مختلف (مثلاً به عنوان یکی از مواد تشکیل دهنده زره بدن) و قطعات خودرو و وسایل الکترونیکی و عناصر گرمایشی و انرژی هسته ای هستند. و این لیست کاملی از کاربردهای این کاربیدهای فوق سخت نیست.
کاربیدهای تشکیل دهنده نمک باریک ترین کاربرد را دارند. واکنش آنها با آب به عنوان یک روش آزمایشگاهی برای تولید هیدروکربن استفاده می شود. قبلاً در بالا درباره چگونگی این اتفاق بحث کرده‌ایم.
همراه با کاربیدهای کووالانسی، فلز مانند، گسترده ترین کاربرد را در صنعت دارند. همانطور که قبلاً گفتیم، چنین نوع فلز مانندی از ترکیبات مورد بحث ما فولاد، چدن و سایر ترکیبات فلزی در هم آمیخته با کربن است. به عنوان یک قاعده، فلزی که در چنین موادی یافت می شود متعلق به کلاس d-metals است. به همین دلیل است که تمایل دارد پیوندهای کووالانسی را تشکیل ندهد، بلکه در ساختار فلز وارد شود.
به نظر ما ترکیبات فوق کاربرد عملی بیش از حد کافی دارند. اکنون بیایید به روند به دست آوردن آنها نگاهی بیندازیم.
تولید کاربید
دو نوع اول کاربید که بررسی کردیم، یعنی کووالانسی و نمک مانند، اغلب به یک روش ساده به دست می آیند: با واکنش اکسید عنصر و کک در دمای بالا. در همان زمان، بخشکک، متشکل از کربن، با یک اتم عنصر در ترکیب اکسید ترکیب می شود و یک کاربید را تشکیل می دهد. بخش دیگر "اکسیژن" می گیرد و مونوکسید کربن را تشکیل می دهد. این روش بسیار انرژی بر است، زیرا به حفظ دمای بالا (حدود 1600-2500 درجه) در ناحیه واکنش نیاز دارد.
واکنش های جایگزین برای به دست آوردن انواع خاصی از ترکیبات استفاده می شود. به عنوان مثال، تجزیه یک ترکیب، که در نهایت کاربید می دهد. فرمول واکنش به ترکیب خاص بستگی دارد، بنابراین ما در مورد آن بحث نمی کنیم.
قبل از پایان مقاله خود، اجازه دهید در مورد چند کاربید جالب بحث کنیم و در مورد آنها با جزئیات بیشتر صحبت کنیم.
ارتباطات جالب
کاربید سدیم. فرمول این ترکیب C2Na2 است. این را می توان بیشتر به عنوان یک استیلنید (یعنی محصول جایگزینی اتم های هیدروژن در استیلن با اتم های سدیم) به جای کاربید در نظر گرفت. فرمول شیمیایی این ظرافت ها را به طور کامل منعکس نمی کند، بنابراین باید آنها را در ساختار جستجو کرد. این یک ماده بسیار فعال است و در هر تماس با آب با تشکیل استیلن و قلیایی بسیار فعال با آن برهمکنش می‌کند.
کاربید منیزیم. فرمول: MgC2. روش های بدست آوردن این ترکیب فعال به اندازه کافی مورد توجه است. یکی از آنها شامل تف جوشی فلوراید منیزیم با کاربید کلسیم در دمای بالا است. در نتیجه دو محصول به دست می آید: فلوراید کلسیم و کاربید مورد نیاز ما. فرمول این واکنش بسیار ساده است و در صورت تمایل می توانید آن را در ادبیات تخصصی مطالعه کنید.
اگر از مفید بودن مطالب ارائه شده در مقاله مطمئن نیستید، موارد زیربخش برای شما.
چگونه می تواند در زندگی مفید باشد؟
خب، اول از همه، دانش ترکیبات شیمیایی هرگز نمی تواند اضافی باشد. همیشه مسلح بودن به دانش بهتر از بی آن ماندن است. ثانیاً، هرچه بیشتر در مورد وجود ترکیبات خاص بدانید، مکانیسم تشکیل آنها و قوانینی که به آنها اجازه وجود می دهد را بهتر درک می کنید.
قبل از رفتن به پایان، می خواهم چند توصیه برای مطالعه این مطالب ارائه دهم.
چگونه آن را مطالعه کنیم؟
خیلی ساده. این فقط یک شاخه از شیمی است. و باید در کتاب های شیمی مطالعه شود. با اطلاعات مدرسه شروع کنید و به اطلاعات عمیق تر از کتاب های درسی دانشگاه و کتاب های مرجع بروید.
نتیجه گیری
این موضوع آنقدرها هم که در نگاه اول به نظر می رسد ساده و خسته کننده نیست. شیمی همیشه می تواند جالب باشد اگر هدف خود را در آن پیدا کنید.
