Карбиды
Солеобразные карбиды
Карбиды активных металлов имеют ионное строение. Их называют солеобразными карбидами. Чтобы предсказать продукт их гидролиза — реакции с водой, — нужно определить, какой анион углерода входит в состав карбида. При гидролизе анион присоединяет протоны и превращается в молекулу газа.
| Анион | Карбид | Газ при гидролизе |
|---|---|---|
| Метанид \(\ce{C^4-}\) | \(\ce{Al4C3}\), \(\ce{Be2C}\) | Образуется метан \(\ce{CH4}\). |
| Ацетиленид \(\ce{C2^2-}\) | \(\ce{CaC2}\), \(\ce{Na2C2}\), \(\ce{Ag2C2}\) | Образуется ацетилен \(\ce{C2H2}\). |
| Аллиленид \(\ce{C3^4-}\) | \(\ce{Mg2C3}\) | Образуется пропин \(\ce{C3H4}\). |
Таким образом, разные анионы при гидролизе образуют разные газы. По объёму выделившегося газа находят его количество вещества, а затем по уравнению реакции — количество карбида. Для определения состава неизвестного образца используют и остальные данные задачи.
scienceГидролиз карбидов
- \(\ce{CaC2 + 2H2O -> Ca(OH)2 + C2H2 ^}\) — при гидролизе карбида кальция выделяется ацетилен.
- \(\ce{Al4C3 + 12H2O -> 4Al(OH)3 + 3CH4 ^}\) — при гидролизе карбида алюминия выделяется метан.
- \(\ce{Mg2C3 + 4H2O -> 2Mg(OH)2 + CH3-C#CH ^}\) — при гидролизе карбида магния выделяется пропин.
- \(\ce{Be2C + 4H2O -> 2Be(OH)2 + CH4 ^}\) — при гидролизе карбида бериллия выделяется метан.
- \(\ce{Al4C3 + 12HCl -> 4AlCl3 + 3CH4 ^}\) — с кислотой карбид алюминия реагирует быстрее, чем с водой.
К ацетиленидам относятся также соединения тяжёлых металлов. С ними необходимо обращаться особенно осторожно.
errorАцетилениды тяжёлых металлов
\(\ce{Ag2C2}\) и \(\ce{Cu2C2}\) образуются при пропускании ацетилена через аммиачные растворы солей серебра и меди(I) (\(\ce{C2H2 + 2[Ag(NH3)2]+ -> Ag2C2 v + 2NH4+ + 2NH3}\)). В сухом виде эти ацетилениды взрываются от удара. Поэтому для подачи ацетилена не используют медные трубы.
boltКак определить газ при гидролизе
Число атомов углерода в анионе равно числу атомов углерода в молекуле газа. Число присоединённых протонов равно модулю заряда аниона: \(\ce{C^4- + 4H+ -> CH4}\), \(\ce{C2^2- + 2H+ -> C2H2}\), \(\ce{C3^4- + 4H+ -> C3H4}\).
Ковалентные карбиды
В отличие от солеобразных, ковалентные карбиды имеют прочную структуру, образованную ковалентными связями. Карбид кремния \(\ce{SiC}\) представляет собой алмазоподобный каркас из атомов Si и C. Его твёрдость составляет 9,5; он устойчив к кислотам и окислению до 1600 °C.
Эдвард Ачесон получил карбид кремния в 1891 году, когда пытался синтезировать алмаз. Он назвал вещество карборундом, поскольку считал его соединением углерода с корундом. Карбид кремния получают при нагревании оксида кремния с углеродом:
Другой ковалентный карбид — карбид бора \(\ce{B4C}\). Он занимает третье место по твёрдости после алмаза и кубического нитрида бора. Карбид бора применяют в бронепластинах и как поглотитель нейтронов в реакторах благодаря бору-10.
auto_awesomeМуассанит
Природный \(\ce{SiC}\) называется муассанитом. Анри Муассан, получивший также фтор, обнаружил его в метеоритном кратере в 1893 году и сначала принял за алмаз. Синтетический муассанит сегодня используют как более дешёвую замену бриллиантов. Он сверкает сильнее, поскольку его показатель преломления больше.
Прочность связей в ковалентных карбидах объясняет их твёрдость и химическую стойкость. Тем не менее при высокой температуре их можно получить из оксидов, а карбид кремния — разрушить окислительным сплавлением со щёлочью.
scienceКовалентные карбиды
- \(\ce{SiO2 + 3C ->[t] SiC + 2CO}\) — в печи Ачесона карбид кремния получают восстановлением оксида кремния углеродом.
- \(\ce{2B2O3 + 7C ->[t] B4C + 6CO}\) — при нагревании оксида бора с углеродом образуется карбид бора.
- \(\ce{SiC + 2NaOH + 2O2 ->[t] Na2SiO3 + CO2 + H2O}\) — при окислительном сплавлении карбида кремния со щёлочью образуются силикат натрия, углекислый газ и вода.
Карбиды внедрения
Карбиды переходных металлов отличаются от рассмотренных выше веществ металлоподобными свойствами. В карбидах внедрения небольшие атомы углерода занимают промежутки между атомами металла. Такие карбиды проводят электрический ток, обладают высокой твёрдостью и тугоплавкостью. Вместе с ними рассматривают цементит: его структура сложнее, поэтому он не является типичным карбидом внедрения.
| Карбид | Температура плавления, °C | Применение |
|---|---|---|
| \(\ce{WC}\) | 2870 | Твёрдые сплавы с кобальтом применяют для резцов и буров. |
| \(\ce{TiC}\) | 3160 | Карбид используют для покрытий инструментов. |
| \(\ce{TaC}\), \(\ce{HfC}\) | ≈ 3900 | Эти карбиды относятся к числу самых тугоплавких веществ. |
| \(\ce{Fe3C}\) | — | Цементит образует твёрдую фазу стали и чугуна. |
Высокая твёрдость делает такие материалы полезными при обработке металлов.
auto_awesome«Победит»
Твёрдый сплав из карбида вольфрама на кобальтовой связке был создан в СССР под названием «победит» в 1929 году. Инструментом из победита можно резать даже закалённую сталь. Этим сплавом оснащают резцы, свёрла и буровые коронки; его широко применяют в современном машиностроении.
Особое значение для свойств стали имеет цементит \(\ce{Fe3C}\) — твёрдый и хрупкий карбид железа. Сталь содержит железо и до 2 % углерода. Её твёрдость и пластичность зависят от строения, в том числе от распределения частиц цементита, на которое влияет скорость охлаждения.
boltЦементит и закалка
Закалкой называют быстрое охлаждение стали. При закалке углерод сохраняется в неравновесной твёрдой структуре — мартенсите. Поэтому влияние скорости охлаждения на свойства стали нельзя объяснять только распределением частиц цементита.
scienceКарбиды металлов
- \(\ce{W + C ->[1500 °C] WC}\) — при нагревании вольфрама с углеродом образуется карбид вольфрама.
- \(\ce{3Fe + C -> Fe3C}\) — при науглероживании железа может образовываться цементит.
- \(\ce{Fe3C + 3H2SO4 -> 3FeSO4 + C + 3H2}\) — эта упрощённая схема показывает образование соли и водорода при взаимодействии цементита с кислотой; при растворении чугуна в кислоте остаётся углерод и выделяются углеводороды с неприятным запахом.
push_pinГлавное
Свойства карбида зависят от его строения. Солеобразные карбиды содержат анионы: метанид \(\ce{C^4-}\) входит в состав \(\ce{Al4C3}\) и \(\ce{Be2C}\), при гидролизе которых образуется \(\ce{CH4}\); ацетиленид \(\ce{C2^2-}\) входит в состав \(\ce{CaC2}\) и \(\ce{Ag2C2}\), образующих \(\ce{C2H2}\); аллиленид \(\ce{C3^4-}\) входит в состав \(\ce{Mg2C3}\), образующего пропин. Ковалентные карбиды \(\ce{SiC}\) (карборунд) и \(\ce{B4C}\) отличаются высокой твёрдостью и химической стойкостью. Металлоподобные карбиды переходных металлов, в том числе \(\ce{WC}\) и \(\ce{TiC}\), применяют в режущих инструментах; \(\ce{Fe3C}\) — цементит, влияющий на свойства стали.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.