Carbide, een klasse van chemische verbindingen waarin koolstof wordt gecombineerd met een metallisch of semimetaalelement. Calciumcarbide is vooral belangrijk als bron van acetyleen en andere chemicaliën, terwijl de carbiden van silicium, wolfraam en verschillende andere elementen gewaardeerd worden om hun fysieke hardheid, sterkte en weerstand tegen chemische aantasting, zelfs bij zeer hoge temperaturen. IJzercarbide (cementiet) is een belangrijk bestanddeel van staal en gietijzer.
uraniumverwerking: Carbidebrandstoffen
Er zijn verschillende uranium- en plutoniumcarbiden bekend, waaronder de monocarbiden (UC, PuC), de sesquicarbiden (U2C3, .
Bereiding van carbiden
Carbiden worden bereid uit koolstof en een element met vergelijkbare of lagere elektronegativiteit, meestal een metaal of een metaaloxide, bij temperaturen van 1.000-2.800 ° C (1.800-5.100 ° F). Bijna elk hardmetaal kan worden bereid volgens een van de verschillende algemene methoden. Bij de eerste methode worden de elementen direct gecombineerd bij hoge temperaturen (2000 ° C [3600 ° F] of hoger). De tweede methode is de reactie van een verbinding van een metaal, meestal een oxide, met koolstof bij hoge temperatuur. Twee extra werkwijzen omvatten de reactie van een metaal of metaalzout met een koolwaterstof, gewoonlijk ethyn, C 2 H 2. Bij een van de methoden reageert het verwarmde metaal met een gasvormige koolwaterstof; in het andere geval wordt een metalen opgelost in vloeibare ammoniak, NH 3 en de koolwaterstof door de oplossing geborreld. Carbiden die zijn bereid met acetyleen genoemd acetyliden en bevatten C 2 2- anion. De alkalimetaalacetyliden kunnen bijvoorbeeld het beste worden bereid door het alkalimetaal op te lossen in vloeibare ammoniak en acetyleen door de oplossing te leiden. Deze verbindingen die de algemene formule hebben M 2 C 2 (waarin M het metaal), zijn kleurloze, kristallijne vaste stof. Ze reageren heftig met water en worden bij verhitting in lucht geoxideerd tot het carbonaat. De aardalkalimetaalcarbiden zijn ook acetyliden. Ze hebben de algemene formule MC 2 en worden bereid door het aardalkalimetaal met acetyleen te verhitten boven 500 ° C (900 ° F).
Classificatie van carbiden
Classificatie van carbiden op basis van structureel type is vrij moeilijk, maar drie brede classificaties komen voort uit algemene trends in hun eigenschappen. De meest elektropositieve metalen vormen ionische of zoutachtige carbiden, de overgangsmetalen in het midden van het periodiek systeem hebben de neiging interstitiële carbiden te vormen en de niet-metalen van elektronegativiteit vergelijkbaar met die van koolstof vormen covalente of moleculaire carbiden.
Ionische carbiden
Ionische carbiden hebben afzonderlijke koolstofanionen met de vorm C 4−, ook wel methaniden genoemd, omdat ze kunnen worden beschouwd als zijnde afgeleid van methaan (CH 4); C 2 2-, genaamd acetyliden en afgeleid van acetyleen (C 2 H 2); en C 3 4−, afgeleid van alleen (C 3 H 4). De best gekarakteriseerde methaniden zijn waarschijnlijk berylliumcarbide (Be 2 C) en aluminiumcarbide (Al 4 C 3). Berylliumoxide (BeO) en koolstof reageren bij 2.000 ° C (3.600 ° F) om het steenrode berylliumcarbide te produceren, terwijl lichtgeel aluminiumcarbide wordt bereid uit aluminium en koolstof in een oven. Aluminiumcarbide reageert als een typisch methanide met water om methaan te produceren. Al 4 C 3 + 12 H 2 O → 4AL (OH) 3 + 3CH 4
Er zijn veel acetyliden die goed bekend en goed gekarakteriseerd zijn. Naast die van de bovengenoemde alkalimetalen en aardalkalimetalen, vormt lanthaan (La) twee verschillende acetyliden en vormen koper (Cu), zilver (Ag) en goud (Au) explosieve acetyliden. Zink (Zn), cadmium (Cd) en kwik (Hg) vormen ook acetyliden, hoewel ze niet zo goed worden gekarakteriseerd. De belangrijkste van deze verbindingen is calciumcarbide, CaC 2. Het belangrijkste gebruik van calciumcarbide is als bron van acetyleen voor gebruik in de chemische industrie. Calciumcarbide wordt industrieel gesynthetiseerd uit calciumoxide (kalk), CaO en koolstof in de vorm van cokes bij ongeveer 2200 ° C (4000 ° F). Zuiver calciumcarbide heeft een hoog smeltpunt (2.300 ° C [4.200 ° F]) en is een kleurloze vaste stof. De reactie van CaC 2 met water geeft C 2 H 2 en een aanzienlijke hoeveelheid warmte, zodat de reactie onder zorgvuldig gecontroleerde omstandigheden plaatsvindt. CaO + 3C → CaC 2 + CO
CaC 2 + 2H 2 O → C 2 H 2 + Ca (OH) 2 Calciumcarbide reageert ook met stikstofgas bij verhoogde temperaturen (1.000 - 1.200 ° C [1.800 - 2.200 ° F]) tot vormen calciumcyaanamide, CaCN 2. CaC 2 + N 2 → CaCN 2 + CTit is een belangrijke industriële reactie omdat CaCN 2 door zijn reactie met water uitgebreid gebruikt wordt als meststof om cyaanamide, H 2 NCN, te produceren. De meeste MC 2 acetyliden de CaC 2 structuur die is afgeleid van de kubische natriumchloride (NaCl) structuur. De C 2 -eenheden liggen parallel langs de celassen, waardoor de cel vervormt van kubisch naar tetragonaal.
Interstitiële carbiden
Interstitiële carbiden zijn voornamelijk afgeleid van relatief grote overgangsmetalen die fungeren als gastheerrooster voor de kleine koolstofatomen, die de tussenruimten van de dicht opeengepakte metaalatomen innemen. (Zie kristal voor een bespreking van pakkingsarrangementen in vaste stoffen.) Interstitiële carbiden worden gekenmerkt door extreme hardheid maar tegelijkertijd extreme brosheid. Ze hebben zeer hoge smeltpunten (typisch ongeveer 3.000-4.000 ° C [5.400-7.200 ° F]) en behouden veel van de eigenschappen die met het metaal zelf verband houden, zoals een hoge geleidbaarheid van warmte en elektriciteit, evenals metaalglans. Bij hoge temperaturen behouden sommige interstitiële carbiden de mechanische eigenschappen van metalen, zoals vervormbaarheid. Veel van de vroege overgangsmetalen hebben stralen die groot genoeg zijn om interstitiële monocarbiden, MC, te vormen. De kritische (dwz minimum) straal lijkt ongeveer 1,35 angstrom (1,35 x 10-8 cm of 5,32 x 10-9 inch) te zijn. De meeste overgangsmetalen vormen echter interstitiële carbiden van verschillende stoichiometrieën. Van mangaan (Mn) is bijvoorbeeld bekend dat het ten minste vijf verschillende interstitiële carbiden vormt. In tegenstelling tot de ionische carbiden reageren de meeste interstitiële carbiden niet met water en zijn chemisch inert. Verschillende hebben een industrieel belang, waaronder wolfraamcarbide (WC) en tantaalcarbide (TaC), die vanwege hun extreme hardheid en chemische inertie worden gebruikt als snijgereedschap met hoge snelheid. IJzercarbide (cementiet), Fe 3 C, is een belangrijk onderdeel in staal.
