Na świecie znanych jest wiele różnych związków chemicznych: około setek milionów. I wszyscy, podobnie jak ludzie, są indywidualni. Nie da się znaleźć dwóch substancji, które miałyby te same właściwości chemiczne i fizyczne o różnym składzie.
Jedną z najciekawszych substancji nieorganicznych istniejących na świecie są węgliki. W niniejszym artykule omówimy ich budowę, właściwości fizykochemiczne, zastosowania oraz przeanalizujemy zawiłości ich wytwarzania. Ale najpierw trochę o historii odkrycia.
Historia
Węgliki metali, których wzory podamy poniżej, nie są związkami naturalnymi. Wynika to z faktu, że ich cząsteczki mają tendencję do rozkładu podczas interakcji z wodą. Dlatego warto tutaj opowiedzieć o pierwszych próbach syntezy węglików.
Od 1849 istnieją odniesienia do syntezy węglika krzemu, ale niektóre z tych prób pozostają nierozpoznane. Produkcja na dużą skalę rozpoczęła się w 1893 roku przez amerykańskiego chemika Edwarda Achesona w procesie, który później został nazwany jego imieniem.
Historia syntezy węglika wapnia również nie różni się dużą ilością informacji. W 1862 r. niemiecki chemik Friedrich Wöhler uzyskał go przez ogrzewanie stopowego cynku i wapnia z węglem.
Teraz przejdźmy do bardziej interesujących działów: chemiczne iwłaściwości fizyczne. Przecież to w nich tkwi cała esencja użycia tej klasy substancji.
Właściwości fizyczne
Absolutnie wszystkie węgliki wyróżniają się twardością. Na przykład jedną z najtwardszych substancji w skali Mohsa jest węglik wolframu (9 na 10 możliwych punktów). Ponadto substancje te są bardzo ogniotrwałe: temperatura topnienia niektórych z nich sięga dwóch tysięcy stopni.
Większość węglików jest chemicznie obojętna i wchodzi w interakcje z niewielką ilością substancji. Są nierozpuszczalne w żadnych rozpuszczalnikach. Jednak rozpuszczanie można uznać za interakcję z wodą z niszczeniem wiązań i tworzeniem wodorotlenku metalu i węglowodoru.
O ostatniej reakcji i wielu innych interesujących przemianach chemicznych z udziałem węglików porozmawiamy w następnym rozdziale.
Właściwości chemiczne
Prawie wszystkie węgliki wchodzą w interakcję z wodą. Niektóre - łatwo i bez ogrzewania (na przykład węglik wapnia), a niektóre (na przykład węglik krzemu) - przez podgrzanie pary wodnej do 1800 stopni. Reaktywność w tym przypadku zależy od charakteru wiązania w związku, co omówimy później. W reakcji z wodą powstają różne węglowodory. Dzieje się tak, ponieważ wodór zawarty w wodzie łączy się z węglem w węgliku. Możliwe jest zrozumienie, który węglowodór się pojawi (i mogą się pojawić zarówno związki nasycone, jak i nienasycone) na podstawie wartościowości węgla zawartego w oryginalnej substancji. Na przykład, jeśli umamy węglik wapnia, którego wzór to CaC2, widzimy, że zawiera jon C22-. Oznacza to, że można do niego przyłączyć dwa jony wodorowe z ładunkiem +. W ten sposób otrzymujemy związek C2H2 - acetylen. W ten sam sposób, ze związku takiego jak węglik glinu, którego wzór to Al4C3 otrzymujemy CH 4. Dlaczego nie C3H12, pytasz? W końcu jon ma ładunek 12-. Faktem jest, że maksymalna liczba atomów wodoru jest określona wzorem 2n + 2, gdzie n jest liczbą atomów węgla. Oznacza to, że może istnieć tylko związek o wzorze C3H8 (propan) i że jon o ładunku 12- rozpada się na trzy jony o ładunku 4-, które w połączeniu z protonami dają cząsteczki metanu.
Reakcje utleniania węglików są interesujące. Mogą wystąpić zarówno pod wpływem silnych mieszanin środków utleniających, jak i podczas zwykłego spalania w atmosferze tlenu. Jeśli z tlenem wszystko jest jasne: otrzymuje się dwa tlenki, to z innymi utleniaczami jest to bardziej interesujące. Wszystko zależy od rodzaju metalu wchodzącego w skład węglika, a także od rodzaju środka utleniającego. Na przykład węglik krzemu, którego wzór to SiC, podczas interakcji z mieszaniną kwasów azotowego i fluorowodorowego tworzy kwas heksafluorokrzemowy z uwolnieniem dwutlenku węgla. A przeprowadzając tę samą reakcję, ale tylko z kwasem azotowym, otrzymujemy tlenek krzemu i dwutlenek węgla. Halogeny i chalkogeny mogą być również określane jako środki utleniające. Dowolny węglik wchodzi z nimi w interakcję, wzór reakcji zależy tylko od jego struktury.
Węgliki metali, których formuły rozważaliśmy, nie są jedynymi przedstawicielami tej klasy związków. Teraz przyjrzymy się bliżej każdemu z przemysłowo ważnych związków tej klasy, a następnie porozmawiamy o ich zastosowaniu w naszym życiu.
Co to są węgliki?
Okazuje się, że węglik, którego wzór, powiedzmy, CaC2, różni się znacznie strukturą od SiC. A różnica polega przede wszystkim na naturze wiązania między atomami. W pierwszym przypadku mamy do czynienia z węglikiem podobnym do soli. Ta klasa związków została tak nazwana, ponieważ faktycznie zachowuje się jak sól, to znaczy jest w stanie dysocjować na jony. Takie wiązanie jonowe jest bardzo słabe, co ułatwia przeprowadzenie reakcji hydrolizy i wielu innych przemian, w tym oddziaływań między jonami.
Innym, być może ważniejszym z punktu widzenia przemysłu, typem węglika jest węglik kowalencyjny, taki jak SiC lub WC. Charakteryzują się dużą gęstością i wytrzymałością. Również ogniotrwały i obojętny na rozcieńczanie chemikaliów.
Istnieją również węgliki metalopodobne. Można je raczej uznać za stopy metali z węglem. Wśród nich można wyróżnić np. cementyt (węglik żelaza, którego wzór jest różny, ale średnio jest on w przybliżeniu następujący: Fe3C) lub żeliwo. Mają aktywność chemiczną pośrednią między węglikami jonowymi i kowalencyjnymi.
Każdy z tych podgatunków klasy związków chemicznych, które omawiamy, ma swoje praktyczne zastosowanie. Jak i gdzie złożyć wniosekkażdy, omówimy w następnej sekcji.
Praktyczne zastosowanie węglików
Jak już omówiliśmy, węgliki kowalencyjne mają najszerszy zakres praktycznych zastosowań. Są to materiały ścierne i tnące oraz materiały kompozytowe stosowane w różnych dziedzinach (na przykład jako jeden z materiałów tworzących kamizelki kuloodporne) oraz części samochodowe i urządzenia elektroniczne oraz elementy grzejne i energia jądrowa. A to nie jest pełna lista zastosowań tych supertwardych węglików.
Węgliki tworzące sól mają najwęższe zastosowanie. Ich reakcja z wodą jest wykorzystywana jako laboratoryjna metoda wytwarzania węglowodorów. Omówiliśmy już, jak to się dzieje powyżej.
Wraz z kowalencyjnymi, metalopodobne węgliki mają najszersze zastosowanie w przemyśle. Jak już powiedzieliśmy, takim metalopodobnym typem związków, o których mówimy, są stale, żeliwa i inne związki metali przeplatane węglem. Z reguły metal znajdujący się w takich substancjach należy do klasy d-metali. Dlatego skłania się do tworzenia nie wiązań kowalencyjnych, ale niejako do wprowadzenia w strukturę metalu.
Naszym zdaniem powyższe związki mają więcej niż wystarczające zastosowania praktyczne. Przyjrzyjmy się teraz procesowi ich pozyskiwania.
Produkcja węglików
Pierwsze dwa badane przez nas rodzaje węglików, a mianowicie kowalencyjne i solnopodobne, otrzymuje się najczęściej w jeden prosty sposób: w reakcji tlenku pierwiastka i koksu w wysokiej temperaturze. W tym samym czasie częśćKoks, składający się z węgla, łączy się z atomem pierwiastka w składzie tlenku i tworzy węglik. Druga część „bierze” tlen i tworzy tlenek węgla. Metoda ta jest bardzo energochłonna, gdyż wymaga utrzymania wysokiej temperatury (około 1600-2500 stopni) w strefie reakcyjnej.
Alternatywne reakcje służą do otrzymywania pewnych typów związków. Na przykład rozkład związku, który ostatecznie daje węglik. Wzór reakcji zależy od konkretnego związku, więc nie będziemy go omawiać.
Zanim zakończymy nasz artykuł, omówmy kilka interesujących węglików i porozmawiajmy o nich bardziej szczegółowo.
Ciekawe połączenia
Węglik sodu. Wzór tego związku to C2Na2. Można to traktować bardziej jako acetylenek (tj. produkt zastąpienia atomów wodoru w acetylenie atomami sodu), a nie węglik. Wzór chemiczny nie oddaje w pełni tych subtelności, dlatego należy ich szukać w strukturze. Jest to bardzo aktywna substancja iw każdym kontakcie z wodą bardzo aktywnie z nią oddziałuje tworząc acetylen i alkalia.
Węglik magnezu. Wzór: MgC2. Interesujące są metody otrzymywania tego wystarczająco aktywnego związku. Jednym z nich jest spiekanie fluorku magnezu z węglikiem wapnia w wysokiej temperaturze. W wyniku tego otrzymujemy dwa produkty: fluorek wapnia oraz potrzebny nam węglik. Wzór na tę reakcję jest dość prosty i możesz go przeczytać w specjalistycznej literaturze, jeśli chcesz.
Jeśli nie masz pewności co do przydatności materiału przedstawionego w artykule, to:sekcja dla Ciebie.
Jak to może być przydatne w życiu?
Po pierwsze, znajomość związków chemicznych nigdy nie może być zbyteczna. Zawsze lepiej być uzbrojonym w wiedzę, niż być bez niej. Po drugie, im więcej wiesz o istnieniu niektórych związków, tym lepiej rozumiesz mechanizm ich powstawania i prawa, które pozwalają im istnieć.
Zanim przejdę do końca, chciałbym przedstawić kilka zaleceń dotyczących przestudiowania tego materiału.
Jak się uczyć?
Bardzo proste. To tylko gałąź chemii. I powinno być studiowane w podręcznikach do chemii. Zacznij od informacji o szkole i przejdź do bardziej szczegółowych informacji z podręczników uniwersyteckich i podręczników.
Wniosek
Ten temat nie jest tak prosty i nudny, jak się wydaje na pierwszy rzut oka. Chemia zawsze może być interesująca, jeśli znajdziesz w niej swój cel.
