Карбиды
Солеобразные карбиды
Карбиды активных металлов — ионные соединения. Тип аниона определяет газ при гидролизе:
| Анион | Карбид | Газ при гидролизе |
|---|---|---|
| метанид \(\ce{C^4-}\) | \(\ce{Al4C3}\), \(\ce{Be2C}\) | метан \(\ce{CH4}\) |
| ацетиленид \(\ce{C2^2-}\) | \(\ce{CaC2}\), \(\ce{Na2C2}\), \(\ce{Ag2C2}\) | ацетилен \(\ce{C2H2}\) |
| аллиленид \(\ce{C3^4-}\) | \(\ce{Mg2C3}\) | пропин \(\ce{C3H4}\) |
scienceГидролиз карбидов
- \(\ce{CaC2 + 2H2O -> Ca(OH)2 + C2H2 ^}\).
- \(\ce{Al4C3 + 12H2O -> 4Al(OH)3 + 3CH4 ^}\).
- \(\ce{Mg2C3 + 4H2O -> 2Mg(OH)2 + CH3-C#CH ^}\).
- \(\ce{Be2C + 4H2O -> 2Be(OH)2 + CH4 ^}\).
- \(\ce{Al4C3 + 12HCl -> 4AlCl3 + 3CH4 ^}\) — с кислотой быстрее.
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 они взрываются от удара — поэтому ацетилен нельзя вести по медным трубам.
boltКакой газ?
Число атомов углерода в анионе = число атомов в молекуле газа. Заряд аниона = число присоединившихся протонов: \(\ce{C^4- + 4H+ -> CH4}\), \(\ce{C2^2- + 2H+ -> C2H2}\), \(\ce{C3^4- + 4H+ -> C3H4}\).
Ковалентные карбиды
Карбид кремния \(\ce{SiC}\) (карборунд) — алмазоподобный каркас из атомов Si и C. Твёрдость 9,5; устойчив к кислотам и окислению до 1600 °C. Эдвард Ачесон получил его в 1891 году, пытаясь синтезировать алмаз, и назвал «карборундом» — думал, что это соединение углерода с корундом.
Карбид бора \(\ce{B4C}\) — третье по твёрдости вещество после алмаза и кубического нитрида бора; бронепластины, поглотитель нейтронов в реакторах (бор-10).
auto_awesomeМуассанит
Природный \(\ce{SiC}\) нашёл Анри Муассан (тот самый, что получил фтор) в метеоритном кратере в 1893 году — сначала принял его за алмаз. Синтетический муассанит сегодня — дешёвая замена бриллиантов: он даже сверкает сильнее (больше показатель преломления).
scienceКовалентные карбиды
- \(\ce{SiO2 + 3C ->[t] SiC + 2CO}\) — печь Ачесона.
- \(\ce{2B2O3 + 7C ->[t] B4C + 6CO}\).
- \(\ce{SiC + 2NaOH + 2O2 ->[t] Na2SiO3 + CO2 + H2O}\) — разрушается лишь окислительным сплавлением со щёлочью.
Карбиды внедрения
Маленькие атомы углерода занимают пустоты в решётках переходных металлов. Получаются карбиды внедрения — металлоподобные, проводящие ток, чрезвычайно твёрдые и тугоплавкие.
| Карбид | т. пл., °C | Применение |
|---|---|---|
| \(\ce{WC}\) | 2870 | твёрдые сплавы (с кобальтом) для резцов и буров |
| \(\ce{TiC}\) | 3160 | покрытия инструментов |
| \(\ce{TaC}\), \(\ce{HfC}\) | ≈ 3900 | самые тугоплавкие вещества |
| \(\ce{Fe3C}\) | — | цементит — твёрдая фаза стали и чугуна |
auto_awesome«Победит»
Твёрдый сплав из карбида вольфрама на кобальтовой связке (в СССР — «победит», 1929) режет сталь как масло. Им оснащают резцы, свёрла, буровые коронки — без него невозможно современное машиностроение.
boltЦементит и закалка
Сталь — железо с углеродом до 2 %. Цементит \(\ce{Fe3C}\) твёрдый и хрупкий; от того, как распределены его частицы (скорость охлаждения), зависят твёрдость и пластичность стали. Закалка — быстрое охлаждение — фиксирует углерод в неравновесной твёрдой структуре (мартенсит).
scienceКарбиды металлов
- \(\ce{W + C ->[1500 °C] WC}\).
- \(\ce{3Fe + C -> Fe3C}\) — при науглероживании.
- \(\ce{Fe3C + 3H2SO4 -> 3FeSO4 + C + 3H2}\) — упрощённо: при растворении чугуна в кислоте остаётся углерод и выделяются углеводороды с неприятным запахом.
push_pinГлавное
Солеобразные карбиды содержат анионы: метанид \(\ce{C^4-}\) (\(\ce{Al4C3}\), \(\ce{Be2C}\) → \(\ce{CH4}\)), ацетиленид \(\ce{C2^2-}\) (\(\ce{CaC2}\), \(\ce{Ag2C2}\) → \(\ce{C2H2}\)), аллиленид \(\ce{C3^4-}\) (\(\ce{Mg2C3}\) → пропин). Ковалентные — \(\ce{SiC}\) (карборунд), \(\ce{B4C}\): сверхтвёрдые, химически инертные. Металлоподобные карбиды переходных металлов (\(\ce{WC}\), \(\ce{TiC}\), \(\ce{Fe3C}\)) — фазы внедрения, твёрдые и тугоплавкие (режущий инструмент, цементит в стали).
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.