Главная » Металлы и сплавы

Что такое карбиды, их роль в производстве 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?».

Читайте также:  Плотность золота в зависимости от пробы: таблица + как проверить подлинность

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.

Свойства соединений

Как и другие элементы, карбиды обладают определенным набором свойств, которые делают их популярным материалом на рынке строительства и машиностроения.

  1. Высокая твердость — в отличие от чистого металла соединения являются наиболее твердыми, что позволяет использовать их в самых разных областях;
  2. Высокая температура плавления — они существенно выше, чем температуры плавления аналогичных металлов;
  3. Устойчивость к коррозиям. Некоторые варианты довольно устойчивы к кислотам и внешним факторам.
  4. Хорошая теплопроводимость и термостойкость, позволяющие использовать смесь и при высоких, и при низких температурах;
  5. Повышенная износоустойчивость не дает деталям из материала испортиться раньше времени.

В зависимости от металла и неметалла элементы обладают разнообразными свойствами, которые меняются в зависимости от начальных данных.

Как это может быть полезно в жизни?

Ну, во-первых, знание химических соединений никогда не может быть лишним. Всегда лучше быть вооружённым знанием, чем остаться без него. Во-вторых, чем больше вы знаете о существовании определённых соединений, тем лучше понимаете механизм их образования и законы, которые позволяют им существовать.

Перед тем как перейти к окончанию, хотелось бы дать несколько рекомендаций по изучению этого материала.

Виды карбидов

Все вещества можно разделить на три группы:

  1. Ковалентные образуют бромом и кремнием; химически инертны, атомы углерода находится в состоянии sp-, sp2-, sp3 -гибридизации. Образуется путем частичного замещения в алмазе атомов углерода на атомы брома и кремния. Обладают прочной межатомной связью, высокими температурой плавления, жаропрочностью, химической инертностью, являются полупроводниками. Карбид брома при этом довольно тверд, может даже поцарапать алмаз. Карбид кремния получается более хрупким, но химически стойким, окисляется при воздействии кислорода только при температуре больше 1000 градусов Цельсия, растворяется в царской водке и концентрированных азотной кислоте и плавиковой.
  2. Солеобразные или ионные — это соединения, образованные металлами I и II групп, а также алюминием, РЗЭ и актиноидами. Их получают непосредственно из элементов или путем восстановления оксидов углерода Обычно они разлагаются водой и кислотами, при этом происходит выделение углеводорода и остается гидроксид металла. Обладают высокой температурой плавления.
  3. Металлоподобные или ионно-ковалентно-металлические — это соединения, которые образуются переходными металлами IV–VII групп, а также никелем, железом и кобальтом; имеют промежуточную химическую активность. В таких соединениях небольшие атомы углерода расположены в пустотах между атомами металлов. Отсюда пошло название карбиды внедрения. Они отличаются высокими прочностью и температурой плавления.

В свою очередь ионные соединения делятся на:

  1. Метаниды — обычно прозрачны, не имеют цвета, в разбавленных кислотах и воде разлагаются и образуют метан. К ним относятся карбид магния, алюминия и бериллия.
  2. Ацетилениды — активно гидролизируются и образуют ацетилен или этин. Наиболее известен карбид кальция.

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

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.

Иначе говоря, при обработке металла соединение вступает в реакцию и начинает выделять огромное количество тепла и ацетилена, который поддерживает горение. Температура при этом может достигать 3150 градусов Цельсия. При работе с веществом необходимо строго придерживаться правил безопасности: правильно хранить смесь, помнить о том, что он легко загорается, стараться не контактировать с ядовитой полью.

Читайте также:  Сталь 3 – расшифровка, назначение, ГОСТ, сравнительные характеристики

Получение

Как ранее было отмечено, карбид кальция активно применяется при получении самых различных материалов. Именно поэтому процесс получения карбида кальция постоянно совершенствовался. К особенностям применяемых технологий можно отнести нижеприведенные моменты:

  1. В качестве сырья применяется негашеная известь. В большинстве случаев вещество получается из извести, но в домашних условиях провести подобную процедуру сложно.
  2. Известь смешивается с измельченном коксом для получения однородной массы.
  3. В промышленности карбид кальция получают по схеме, которая предусматривает нагрев вещества до высокой температуры. Для этого применяются электронные печи. Рекомендуемая температура плавления составляет 1900 ⁰С.
  4. После нагрева вещества до столь высокой температуры оно переходит в жидкое состояние. Для работы подготавливаются специальные формы.

При рассмотрении того, как из углерода получить карбид кальция отметим, что по установленным стандартам в состав должно входить не менее 80% основного вещества. На долю примесей должно приходится не более 25%, в число которых также входит углерод. Производство оксида кальция также приводит к выделению тепловой энергии, что стоит учитывать.

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:

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Вам также может быть интересно
Сталь электротехническая
сплав содержащий медь и олово
электротехническая сталь
Оловянный куб
графит
Где Взять Нихромовую Проволоку в Домашних Условиях Производство нихрома
Для любых предложений по сайту: [email protected]