สารประกอบทางเคมีต่างๆ เป็นที่รู้จักในโลก: ประมาณหลายร้อยล้าน และทุกคนก็เหมือนกันทุกคน เป็นไปไม่ได้ที่จะพบสารสองชนิดที่มีคุณสมบัติทางเคมีและทางกายภาพเหมือนกันโดยมีองค์ประกอบต่างกัน
สารอนินทรีย์ที่น่าสนใจที่สุดชนิดหนึ่งที่มีอยู่ในโลกคือคาร์ไบด์ ในบทความนี้ เราจะพูดถึงโครงสร้าง คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมี การใช้งาน และวิเคราะห์ความซับซ้อนของการผลิต แต่ก่อนอื่น เล็กน้อยเกี่ยวกับประวัติของการค้นพบ
ประวัติศาสตร์
เมทัลคาร์ไบด์ตามสูตรด้านล่างนี้ ไม่ใช่สารประกอบจากธรรมชาติ เนื่องจากโมเลกุลของพวกมันมีแนวโน้มที่จะสลายตัวเมื่อทำปฏิกิริยากับน้ำ ดังนั้นจึงควรพูดถึงความพยายามครั้งแรกในการสังเคราะห์คาร์ไบด์ที่นี่
ตั้งแต่ปี 1849 มีการอ้างอิงถึงการสังเคราะห์ซิลิกอนคาร์ไบด์ แต่ความพยายามเหล่านี้บางส่วนยังไม่เป็นที่จดจำ การผลิตขนาดใหญ่เริ่มต้นขึ้นในปี พ.ศ. 2436 โดยนักเคมีชาวอเมริกันชื่อ Edward Acheson ในกระบวนการที่ต่อมาตั้งชื่อตามเขา
ประวัติการสังเคราะห์แคลเซียมคาร์ไบด์ก็ไม่ได้แตกต่างกันในข้อมูลจำนวนมาก ในปี พ.ศ. 2405 นักเคมีชาวเยอรมันชื่อฟรีดริช วอห์เลอร์ได้มันมาโดยการให้ความร้อนที่ผสมสังกะสีและแคลเซียมด้วยถ่านหิน
ตอนนี้ไปยังส่วนที่น่าสนใจมากขึ้น: เคมีและคุณสมบัติทางกายภาพ ท้ายที่สุด สาระสำคัญทั้งหมดของการใช้สารประเภทนี้อยู่ในตัวพวกเขา
สมบัติทางกายภาพ
คาร์ไบด์ทั้งหมดมีความโดดเด่นด้วยความแข็ง ตัวอย่างเช่น สารที่แข็งที่สุดชนิดหนึ่งในระดับ Mohs คือทังสเตนคาร์ไบด์ (9 จาก 10 คะแนนที่เป็นไปได้) นอกจากนี้ สารเหล่านี้ยังทนไฟได้มาก: จุดหลอมเหลวของบางส่วนถึงสองพันองศา
คาร์ไบด์ส่วนใหญ่เฉื่อยทางเคมีและทำปฏิกิริยากับสารในปริมาณเล็กน้อย พวกมันไม่ละลายในตัวทำละลายใด ๆ อย่างไรก็ตาม การละลายถือได้ว่าเป็นปฏิกิริยากับน้ำกับการทำลายพันธะและการก่อตัวของโลหะไฮดรอกไซด์และไฮโดรคาร์บอน
เราจะพูดถึงปฏิกิริยาสุดท้ายและการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่น่าสนใจอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับคาร์ไบด์ในหัวข้อถัดไป
คุณสมบัติทางเคมี
คาร์ไบด์เกือบทั้งหมดทำปฏิกิริยากับน้ำ บางชนิดทำได้ง่ายและไม่มีความร้อน (เช่น แคลเซียมคาร์ไบด์) และบางส่วน (เช่น ซิลิกอนคาร์ไบด์) โดยให้ความร้อนไอน้ำถึง 1800 องศา การเกิดปฏิกิริยาในกรณีนี้ขึ้นอยู่กับลักษณะของพันธะในสารประกอบ ซึ่งเราจะพูดถึงในภายหลัง ในการทำปฏิกิริยากับน้ำจะเกิดไฮโดรคาร์บอนต่างๆ สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากไฮโดรเจนที่มีอยู่ในน้ำรวมกับคาร์บอนในคาร์ไบด์ เป็นไปได้ที่จะเข้าใจว่าไฮโดรคาร์บอนตัวใดจะออกมา (และทั้งสารประกอบอิ่มตัวและไม่อิ่มตัวสามารถปรากฏออกมาได้) โดยพิจารณาจากความจุของคาร์บอนที่มีอยู่ในสารดั้งเดิม ตัวอย่างเช่น ถ้า uเรามีแคลเซียมคาร์ไบด์ซึ่งมีสูตรคือ CaC2 เราเห็นว่ามันประกอบด้วยไอออน C22-. ซึ่งหมายความว่าสามารถใส่ไฮโดรเจนไอออน 2 ตัวที่มีประจุ + เข้าไปได้ ดังนั้นเราจึงได้สารประกอบ C2H2 - อะเซทิลีน ในทำนองเดียวกัน จากสารประกอบ เช่น อะลูมิเนียมคาร์ไบด์ ซึ่งมีสูตรคือ Al4C3 เราจะได้ CH 4. ทำไมไม่ C3H12 คุณถาม? ท้ายที่สุดแล้วไอออนมีประจุ 12- ความจริงก็คือจำนวนอะตอมไฮโดรเจนสูงสุดถูกกำหนดโดยสูตร 2n + 2 โดยที่ n คือจำนวนอะตอมของคาร์บอน ซึ่งหมายความว่ามีเพียงสารประกอบที่มีสูตร C3H8 (โพรเพน) เท่านั้นที่สามารถมีอยู่ได้ และไอออนที่มีประจุ 12- สลายตัวเป็นสาม ไอออนที่มีประจุ 4- ซึ่งให้โมเลกุลมีเทนเมื่อรวมกับโปรตอน
ปฏิกิริยาออกซิเดชันของคาร์ไบด์น่าสนใจ สามารถเกิดขึ้นได้ทั้งเมื่อสัมผัสกับสารผสมที่เข้มข้นของสารออกซิไดซ์ และระหว่างการเผาไหม้ธรรมดาในบรรยากาศออกซิเจน หากทุกอย่างชัดเจนด้วยออกซิเจน: ได้ออกไซด์สองอันจากนั้นด้วยตัวออกซิไดซ์อื่น ๆ ก็น่าสนใจกว่า ทั้งหมดขึ้นอยู่กับธรรมชาติของโลหะที่เป็นส่วนหนึ่งของคาร์ไบด์ เช่นเดียวกับลักษณะของตัวออกซิไดซ์ ตัวอย่างเช่นซิลิกอนคาร์ไบด์ซึ่งเป็นสูตรของ SiC เมื่อทำปฏิกิริยากับส่วนผสมของกรดไนตริกและกรดไฮโดรฟลูออริกจะสร้างกรดเฮกซาฟลูออโรซิลิกด้วยการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และเมื่อทำปฏิกิริยาแบบเดียวกัน แต่ด้วยกรดไนตริกเท่านั้น เราจะได้ซิลิกอนออกไซด์และคาร์บอนไดออกไซด์ ฮาโลเจนและคาลโคเจนยังสามารถถูกอ้างถึงเป็นสารออกซิไดซ์ คาร์ไบด์ใด ๆ ทำปฏิกิริยากับพวกมัน สูตรปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับโครงสร้างเท่านั้น
เมทัลคาร์ไบด์ซึ่งเป็นสูตรที่เราพิจารณาแล้วนั้นยังห่างไกลจากตัวแทนของสารประกอบประเภทนี้เท่านั้น ตอนนี้เราจะพิจารณาสารประกอบที่มีความสำคัญทางอุตสาหกรรมแต่ละชนิดในชั้นเรียนนี้อย่างละเอียดยิ่งขึ้น จากนั้นจึงพูดถึงการใช้งานของพวกมันในชีวิตของเรา
คาร์ไบด์คืออะไร
ปรากฎว่าคาร์ไบด์ซึ่งมีสูตรว่า CaC2, แตกต่างอย่างมากในโครงสร้างจาก SiC และความแตกต่างเป็นหลักในธรรมชาติของพันธะระหว่างอะตอม ในกรณีแรก เรากำลังจัดการกับคาร์ไบด์ที่มีลักษณะคล้ายเกลือ สารประกอบประเภทนี้มีชื่อเรียกเช่นนั้น เพราะจริง ๆ แล้วมีลักษณะเหมือนเกลือ กล่าวคือ มันสามารถแยกตัวออกเป็นไอออนได้ พันธะไอออนิกนั้นอ่อนมาก ซึ่งทำให้ง่ายต่อการทำปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสและการเปลี่ยนแปลงอื่นๆ มากมาย รวมถึงปฏิกิริยาระหว่างไอออน
คาร์ไบด์ประเภทหนึ่งที่อาจมีความสำคัญทางอุตสาหกรรมมากกว่านั้นคือคาร์ไบด์โควาเลนต์ เช่น SiC หรือ WC มีความหนาแน่นและความแข็งแรงสูง ยังทนไฟและเฉื่อยเพื่อเจือจางสารเคมี
นอกจากนี้ยังมีคาร์ไบด์คล้ายโลหะอีกด้วย พวกมันค่อนข้างถือได้ว่าเป็นโลหะผสมของโลหะที่มีคาร์บอน ในกลุ่มเหล่านี้ เราสามารถแยกแยะได้ ตัวอย่างเช่น ซีเมนต์ (ไอรอนคาร์ไบด์ซึ่งมีสูตรแตกต่างกันไป แต่โดยเฉลี่ยแล้วจะมีลักษณะดังนี้: Fe3C) หรือเหล็กหล่อ พวกมันมีกิจกรรมทางเคมีเป็นสื่อกลางในระดับระหว่างคาร์ไบด์ไอออนิกและโควาเลนต์
สารประกอบเคมีแต่ละชนิดที่เรากำลังพูดถึงมีการใช้งานจริงของตัวเอง สมัครอย่างไรและที่ไหนเราจะพูดถึงในหัวข้อถัดไป
การใช้งานจริงของคาร์ไบด์
ดังที่เราได้กล่าวไปแล้ว โควาเลนต์คาร์ไบด์มีการใช้งานจริงที่หลากหลายที่สุด เหล่านี้เป็นวัสดุที่มีฤทธิ์กัดกร่อนและตัด และวัสดุคอมโพสิตที่ใช้ในด้านต่างๆ (เช่น เป็นวัสดุชนิดหนึ่งที่ประกอบเป็นเกราะป้องกันตัว) และชิ้นส่วนรถยนต์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ส่วนประกอบความร้อน และพลังงานนิวเคลียร์ และนี่ไม่ใช่รายการแอปพลิเคชันทั้งหมดสำหรับคาร์ไบด์แบบแข็งพิเศษเหล่านี้
คาร์ไบด์ขึ้นรูปเกลือมีการใช้งานที่แคบที่สุด ปฏิกิริยาของพวกมันกับน้ำถูกใช้เป็นวิธีการทางห้องปฏิบัติการในการผลิตไฮโดรคาร์บอน เราได้พูดคุยกันแล้วว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร
นอกจากโควาเลนต์แล้ว คาร์ไบด์คล้ายโลหะยังมีการใช้งานที่กว้างที่สุดในอุตสาหกรรมอีกด้วย ดังที่เราได้กล่าวไปแล้ว สารประกอบประเภทคล้ายโลหะที่เรากำลังพูดถึงคือ เหล็กกล้า เหล็กหล่อ และสารประกอบโลหะอื่นๆ ที่กระจายตัวด้วยคาร์บอน ตามกฎแล้ว โลหะที่พบในสารดังกล่าวจัดอยู่ในกลุ่มของโลหะดี นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงมีแนวโน้มที่จะไม่เกิดพันธะโควาเลนต์ แต่อย่างที่ควรจะเป็น จะถูกนำเข้าสู่โครงสร้างของโลหะ
ในความเห็นของเรา สารประกอบข้างต้นมีการใช้งานจริงมากเกินพอ มาดูขั้นตอนการได้มากัน
การผลิตคาร์ไบด์
คาร์ไบด์สองประเภทแรกที่เราตรวจสอบ ได้แก่ โควาเลนต์และคล้ายเกลือ มักได้มาด้วยวิธีง่ายๆ วิธีเดียว: โดยปฏิกิริยาของออกไซด์ของธาตุและโค้กที่อุณหภูมิสูง ในขณะเดียวกัน ส่วนหนึ่งโค้กที่ประกอบด้วยคาร์บอนรวมกับอะตอมของธาตุในองค์ประกอบของออกไซด์และก่อตัวเป็นคาร์ไบด์ อีกส่วนหนึ่ง "รับ" ออกซิเจนและก่อตัวเป็นคาร์บอนมอนอกไซด์ วิธีนี้สิ้นเปลืองพลังงานมาก เนื่องจากต้องรักษาอุณหภูมิสูง (ประมาณ 1600-2500 องศา) ในเขตปฏิกิริยา
ปฏิกิริยาทางเลือกใช้เพื่อให้ได้สารประกอบบางประเภท ตัวอย่างเช่น การสลายตัวของสารประกอบซึ่งท้ายที่สุดจะให้คาร์ไบด์ สูตรของปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับสารประกอบเฉพาะ ดังนั้นเราจะไม่พูดถึงมัน
ก่อนจะจบบทความของเรา มาพูดคุยกันเกี่ยวกับคาร์ไบด์ที่น่าสนใจและพูดถึงรายละเอียดเพิ่มเติมกัน
การเชื่อมต่อที่น่าสนใจ
โซเดียมคาร์ไบด์. สูตรสำหรับสารประกอบนี้คือ C2Na2 สิ่งนี้สามารถมองได้ว่าเป็นอะเซทิลีไนด์มากกว่า (เช่น ผลิตภัณฑ์ของการแทนที่อะตอมไฮโดรเจนในอะเซทิลีนด้วยโซเดียมอะตอม) แทนที่จะเป็นคาร์ไบด์ สูตรทางเคมีไม่ได้สะท้อนถึงรายละเอียดปลีกย่อยเหล่านี้ทั้งหมด จึงต้องค้นหาในโครงสร้าง นี่เป็นสารออกฤทธิ์มาก และเมื่อสัมผัสกับน้ำ มันจะทำปฏิกิริยากับมันอย่างแข็งขันกับการก่อตัวของอะเซทิลีนและอัลคาไล
แมกนีเซียมคาร์ไบด์. สูตร: MgC2 วิธีการเพื่อให้ได้สารประกอบที่ออกฤทธิ์เพียงพอนี้เป็นที่สนใจ หนึ่งในนั้นเกี่ยวข้องกับการเผาแมกนีเซียมฟลูออไรด์กับแคลเซียมคาร์ไบด์ที่อุณหภูมิสูง ด้วยเหตุนี้ จึงได้ผลิตภัณฑ์สองอย่าง: แคลเซียมฟลูออไรด์และคาร์ไบด์ที่เราต้องการ สูตรสำหรับปฏิกิริยานี้ค่อนข้างง่าย และคุณสามารถอ่านได้ในวรรณกรรมเฉพาะทางหากต้องการ
หากคุณไม่แน่ใจเกี่ยวกับประโยชน์ของเนื้อหาที่นำเสนอในบทความ ให้ทำดังนี้ส่วนสำหรับคุณ
สิ่งนี้จะมีประโยชน์ในชีวิตได้อย่างไร
ก่อนอื่น ความรู้เรื่องสารประกอบเคมีไม่มีวันฟุ่มเฟือย การมีอาวุธความรู้นั้นดีกว่าการถูกทิ้งไว้โดยปราศจากความรู้เสมอ ประการที่สอง ยิ่งคุณรู้เกี่ยวกับการมีอยู่ของสารประกอบบางชนิดมากเท่าไหร่ คุณก็ยิ่งเข้าใจกลไกการก่อตัวและกฎหมายที่อนุญาตให้พวกมันมีอยู่มากขึ้นเท่านั้น
ก่อนที่จะไปต่อจนจบ ฉันอยากจะให้คำแนะนำเล็กน้อยสำหรับการศึกษาเนื้อหานี้
เรียนยังไง
ง่ายมาก มันเป็นเพียงสาขาหนึ่งของเคมี และควรศึกษาในตำราเคมี เริ่มต้นด้วยข้อมูลโรงเรียนและไปยังข้อมูลเชิงลึกเพิ่มเติมจากหนังสือเรียนของมหาวิทยาลัยและหนังสืออ้างอิง
สรุป
หัวข้อนี้ไม่เรียบง่ายและน่าเบื่ออย่างที่เห็นในแวบแรก เคมีสามารถน่าสนใจได้เสมอหากคุณพบเป้าหมายในนั้น
