Աշխարհում հայտնի են շատ տարբեր քիմիական միացություններ՝ մոտ հարյուր միլիոնավոր: Եվ նրանք բոլորը, ինչպես մարդիկ, անհատական են։ Անհնար է գտնել երկու նյութ, որոնք ունեն նույն քիմիական և ֆիզիկական հատկությունները տարբեր կազմով։
Աշխարհում գոյություն ունեցող ամենահետաքրքիր անօրգանական նյութերից մեկը կարբիդներն են: Այս հոդվածում մենք կքննարկենք դրանց կառուցվածքը, ֆիզիկական և քիմիական հատկությունները, կիրառությունները և կվերլուծենք դրանց արտադրության բարդությունները: Բայց նախ՝ մի փոքր հայտնագործության պատմության մասին։
Պատմություն
Մետաղական կարբիդները, որոնց բանաձևերը կներկայացնենք ստորև, բնական միացություններ չեն: Դա պայմանավորված է նրանով, որ ջրի հետ փոխազդեցության ժամանակ նրանց մոլեկուլները հակված են քայքայվել: Ուստի այստեղ արժե խոսել կարբիդների սինթեզման առաջին փորձերի մասին։
1849 թվականից կան հղումներ սիլիցիումի կարբիդի սինթեզի մասին, սակայն այդ փորձերից մի քանիսը մնում են չճանաչված: Լայնածավալ արտադրությունը սկսվել է 1893 թվականին ամերիկացի քիմիկոս Էդվարդ Աչեսոնի կողմից, մի գործընթացով, որը հետագայում կոչվել է նրա անունով։
Կալցիումի կարբիդի սինթեզի պատմությունը նույնպես չի տարբերվում մեծ քանակությամբ տեղեկատվության մեջ։ 1862 թ.-ին գերմանացի քիմիկոս Ֆրիդրիխ Վոլերը ստացավ այն՝ համաձուլված ցինկը և կալցիումը ածուխով տաքացնելով։
Այժմ անցնենք ավելի հետաքրքիր բաժիններին՝ քիմիական ևֆիզիկական հատկություններ. Ի վերջո, հենց նրանց մեջ է այս դասի նյութերի օգտագործման ողջ էությունը։
Ֆիզիկական հատկություններ
Բացարձակապես բոլոր կարբիդներն առանձնանում են իրենց կարծրությամբ։ Օրինակ, Mohs սանդղակի ամենադժվար նյութերից մեկը վոլֆրամի կարբիդն է (10 հնարավոր միավորից 9-ը): Բացի այդ, այս նյութերը շատ հրակայուն են. որոշների հալման ջերմաստիճանը հասնում է երկու հազար աստիճանի։
Կարբիդների մեծ մասը քիմիապես իներտ է և փոխազդում է փոքր քանակությամբ նյութերի հետ: Նրանք անլուծելի են ցանկացած լուծիչների մեջ: Այնուամենայնիվ, տարրալուծումը կարելի է համարել ջրի հետ փոխազդեցություն կապերի քայքայմամբ և մետաղի հիդրօքսիդի և ածխաջրածնի ձևավորմամբ:
Մենք կխոսենք վերջին ռեակցիայի և շատ այլ հետաքրքիր քիմիական փոխակերպումների մասին, որոնք ներառում են կարբիդներ հաջորդ բաժնում:
Քիմիական հատկություններ
Գրեթե բոլոր կարբիդները փոխազդում են ջրի հետ: Ոմանք՝ հեշտությամբ և առանց տաքացման (օրինակ՝ կալցիումի կարբիդ), իսկ ոմանք (օրինակ՝ սիլիցիումի կարբիդ)՝ ջրի գոլորշիները տաքացնելով մինչև 1800 աստիճան։ Ռեակտիվությունն այս դեպքում կախված է միացության կապի բնույթից, որը մենք կքննարկենք ավելի ուշ: Ջրի հետ ռեակցիայում առաջանում են տարբեր ածխաջրածիններ։ Դա տեղի է ունենում այն պատճառով, որ ջրի մեջ պարունակվող ջրածինը միանում է կարբիդի ածխածնի հետ: Կարելի է հասկանալ, թե որ ածխաջրածինը կստացվի (և կարող են ստացվել ինչպես հագեցած, այնպես էլ չհագեցած միացություններ)՝ ելնելով սկզբնական նյութում պարունակվող ածխածնի վալենտությունից։ Օրինակ, եթե uմենք ունենք կալցիումի կարբիդ, որի բանաձևը CaC2 է, տեսնում ենք, որ այն պարունակում է C22- իոն. Սա նշանակում է, որ դրան կարող են կցվել + լիցք ունեցող ջրածնի երկու իոն։ Այսպիսով, մենք ստանում ենք C2H2 միացությունը՝ ացետիլեն: Նույն կերպ, այնպիսի միացությունից, ինչպիսին է ալյումինի կարբիդը, որի բանաձևն է Al4C3, մենք ստանում ենք CH 4. Ինչու՞ ոչ C3H12, դուք հարցնում եք: Ի վերջո, իոնն ունի 12- լիցք: Բանն այն է, որ ջրածնի ատոմների առավելագույն քանակը որոշվում է 2n + 2 բանաձեւով, որտեղ n-ը ածխածնի ատոմների թիվն է։ Սա նշանակում է, որ միայն C3H8 (պրոպան) բանաձևով միացություն կարող է գոյություն ունենալ, և 12 լիցք ունեցող իոնը քայքայվում է երեքի: 4- լիցք ունեցող իոններ, որոնք պրոտոնների հետ միանալիս տալիս են մեթանի մոլեկուլներ։
Հետաքրքիր են կարբիդների օքսիդացման ռեակցիաները: Դրանք կարող են առաջանալ ինչպես օքսիդացնող նյութերի ուժեղ խառնուրդների ազդեցության ժամանակ, այնպես էլ թթվածնի մթնոլորտում սովորական այրման ժամանակ: Եթե թթվածնի հետ ամեն ինչ պարզ է՝ ստացվում է երկու օքսիդ, ապա այլ օքսիդացնող նյութերի դեպքում ավելի հետաքրքիր է։ Ամեն ինչ կախված է կարբիդի մաս կազմող մետաղի բնույթից, ինչպես նաև օքսիդացնող նյութի բնույթից: Օրինակ՝ սիլիցիումի կարբիդը, որի բանաձեւը SiC է, ազոտային և հիդրոֆտորաթթուների խառնուրդի հետ փոխազդելիս ածխաթթու արտազատմամբ առաջանում է հեքսաֆտորսիլիկաթթու։ Իսկ նույն ռեակցիան իրականացնելիս, բայց միայն ազոտաթթվով, ստանում ենք սիլիցիումի օքսիդ և ածխաթթու գազ։ Հալոգենները և քալկոգենները կարող են նաև կոչվել օքսիդացնող նյութեր: Ցանկացած կարբիդ փոխազդում է դրանց հետ, ռեակցիայի բանաձևը կախված է միայն նրա կառուցվածքից։
Մետաղական կարբիդները, որոնց բանաձեւերը մենք դիտարկել ենք, հեռու են այս դասի միացությունների միակ ներկայացուցիչներից: Այժմ մենք ավելի մանրամասն կանդրադառնանք այս դասի արդյունաբերական կարևոր միացություններից յուրաքանչյուրին և հետո կխոսենք մեր կյանքում դրանց կիրառման մասին:
Ի՞նչ են կարբիդները:
Պարզվում է, որ կարբիդը, որի բանաձևը, ասենք, CaC2, էականորեն տարբերվում է SiC-ից: Իսկ տարբերությունն առաջին հերթին ատոմների միջև կապի բնույթի մեջ է։ Առաջին դեպքում մենք գործ ունենք աղի նման կարբիդի հետ։ Միացությունների այս դասը այդպես է անվանվել, քանի որ այն իրականում իրեն աղի պես է պահում, այսինքն՝ կարողանում է տարանջատվել իոնների: Նման իոնային կապը շատ թույլ է, ինչը հեշտացնում է հիդրոլիզի ռեակցիան և շատ այլ փոխակերպումներ, ներառյալ իոնների միջև փոխազդեցությունները։
Մեկ այլ, թերևս արդյունաբերական առումով ավելի կարևոր, կարբիդի տեսակը կովալենտային կարբիդն է, օրինակ՝ SiC կամ WC: Դրանք բնութագրվում են բարձր խտությամբ և ամրությամբ։ Նաև հրակայուն և իներտ է քիմիական նյութերը նոսրացնելու համար:
Կան նաև մետաղանման կարբիդներ։ Դրանք ավելի շուտ կարելի է համարել որպես ածխածնի հետ մետաղների համաձուլվածքներ։ Դրանցից կարելի է առանձնացնել, օրինակ, ցեմենտիտը (երկաթի կարբիդ, որի բանաձևը տարբերվում է, բայց միջինում մոտավորապես հետևյալն է՝ Fe3C) կամ չուգուն։ Նրանք ունեն միջանկյալ քիմիական ակտիվություն իոնային և կովալենտային կարբիդների միջև:
Քիմիական միացությունների դասի այս ենթատեսակներից յուրաքանչյուրը, որը մենք քննարկում ենք, ունի իր գործնական կիրառությունը: Ինչպես և որտեղ դիմելյուրաքանչյուրի մասին կխոսենք հաջորդ բաժնում։
Կարբիդների գործնական կիրառում
Ինչպես արդեն քննարկել ենք, կովալենտային կարբիդներն ունեն գործնական կիրառությունների ամենալայն շրջանակը: Սրանք հղկող և կտրող նյութեր են և կոմպոզիտային նյութեր, որոնք օգտագործվում են տարբեր ոլորտներում (օրինակ, որպես զրահաբաճկոն կազմող նյութերից մեկը), և ավտոմասեր, և էլեկտրոնային սարքեր, և ջեռուցման տարրեր և միջուկային էներգիա: Եվ սա այս գերկարծր կարբիդների կիրառությունների ամբողջական ցանկը չէ:
Աղ առաջացնող կարբիդներն ունեն ամենանեղ կիրառությունը: Նրանց արձագանքը ջրի հետ օգտագործվում է որպես ածխաջրածինների արտադրության լաբորատոր մեթոդ։ Մենք արդեն քննարկել ենք, թե ինչպես է դա տեղի ունենում վերևում:
Կովալենտային, մետաղանման կարբիդների հետ մեկտեղ ամենալայն կիրառությունն ունեն արդյունաբերության մեջ: Ինչպես արդեն ասացինք, մեր քննարկվող միացությունների նման մետաղական տեսակն են պողպատները, չուգունները և ածխածնի հետ ցրված այլ մետաղական միացություններ։ Որպես կանոն, նման նյութերում հայտնաբերված մետաղը պատկանում է d-մետաղների դասին։ Այդ իսկ պատճառով այն հակված է ոչ թե կովալենտային կապեր ձևավորելու, այլ, այսպես ասած, ներմուծվելու մետաղի կառուցվածքում։
Մեր կարծիքով, վերը նշված միացությունները բավականաչափ գործնական կիրառություն ունեն: Հիմա եկեք նայենք դրանց ձեռքբերման գործընթացին:
Կարբիդների արտադրություն
Կարբիդների առաջին երկու տեսակները, որոնք մենք ուսումնասիրել ենք, այն է՝ կովալենտային և աղանման, ամենից հաճախ ստացվում են մեկ պարզ եղանակով՝ տարրի օքսիդի և կոքսի ռեակցիայի միջոցով բարձր ջերմաստիճանում։ Միաժամանակ մասկոքսը, որը բաղկացած է ածխածնից, միանում է օքսիդի բաղադրության մեջ գտնվող տարրի ատոմին և կազմում կարբիդ։ Մյուս մասը «վերցնում» է թթվածին և ձևավորում ածխածնի օքսիդ։ Այս մեթոդը շատ էներգիա խլող է, քանի որ պահանջում է ռեակցիայի գոտում բարձր ջերմաստիճանի պահպանում (մոտ 1600-2500 աստիճան):
Այլընտրանքային ռեակցիաները օգտագործվում են որոշակի տեսակի միացություններ ստանալու համար: Օրինակ՝ միացության տարրալուծումը, որն ի վերջո տալիս է կարբիդ։ Ռեակցիայի բանաձևը կախված է կոնկրետ միացությունից, ուստի մենք դա չենք քննարկելու:
Մինչ մեր հոդվածն ավարտելը, եկեք քննարկենք մի քանի հետաքրքիր կարբիդներ և ավելի մանրամասն խոսենք դրանց մասին:
Հետաքրքիր կապեր
Նատրիումի կարբիդ. Այս միացության բանաձևն է C2Na2: Սա կարելի է ավելի շատ համարել որպես ացետիլենիդ (այսինքն՝ ացետիլենում ջրածնի ատոմները նատրիումի ատոմներով փոխարինելու արդյունք), այլ ոչ թե կարբիդ։ Քիմիական բանաձեւը լիովին չի արտացոլում այս նրբությունները, ուստի դրանք պետք է փնտրել կառուցվածքում: Սա շատ ակտիվ նյութ է, և ջրի հետ ցանկացած շփման դեպքում այն շատ ակտիվորեն փոխազդում է դրա հետ՝ առաջացնելով ացետիլեն և ալկալի:
Մագնեզիումի կարբիդ. Բանաձև՝ MgC2: Հետաքրքիր են այս բավական ակտիվ միացության ստացման մեթոդները: Դրանցից մեկը ենթադրում է մագնեզիումի ֆտորիդի սինթրում կալցիումի կարբիդով բարձր ջերմաստիճանում: Սրա արդյունքում ստացվում է երկու մթերք՝ կալցիումի ֆտորիդ և մեզ անհրաժեշտ կարբիդ։ Այս ռեակցիայի բանաձևը բավականին պարզ է, և ցանկության դեպքում այն կարող եք կարդալ մասնագիտացված գրականության մեջ։
Եթե վստահ չեք հոդվածում ներկայացված նյութի օգտակարության մեջ, ապա հետևյալը.բաժինը ձեզ համար։
Ինչպե՞ս կարող է սա օգտակար լինել կյանքում:
Դե, առաջին հերթին, քիմիական միացությունների իմացությունը երբեք չի կարող ավելորդ լինել։ Միշտ ավելի լավ է զինվել գիտելիքով, քան մնալ առանց դրա։ Երկրորդ, ինչքան շատ իմանաք որոշակի միացությունների գոյության մասին, այնքան ավելի լավ կհասկանաք դրանց առաջացման մեխանիզմը և այն օրենքները, որոնք թույլ են տալիս դրանց գոյությունը։
Նախքան ավարտին անցնելը, ես կցանկանայի մի քանի առաջարկություններ տալ այս նյութի ուսումնասիրության համար:
Ինչպե՞ս ուսումնասիրել այն?
Շատ պարզ: Դա պարզապես քիմիայի մի ճյուղ է: Եվ դա պետք է ուսումնասիրվի քիմիայի դասագրքերում։ Սկսեք դպրոցական տեղեկություններից և անցեք ավելի խորը տեղեկատվության համալսարանական դասագրքերից և տեղեկատու գրքերից:
Եզրակացություն
Այս թեման այնքան էլ պարզ ու ձանձրալի չէ, որքան թվում է առաջին հայացքից։ Քիմիան միշտ կարող է հետաքրքիր լինել, եթե դրա մեջ գտնես քո նպատակը:
