Carbid, eine chemische Klasse, bei der Kohlenstoff mit einem metallischen oder halbmetallischen Element kombiniert wird. Calciumcarbid ist hauptsächlich als Quelle für Acetylen und andere Chemikalien wichtig, während die Carbide von Silizium, Wolfram und mehreren anderen Elementen aufgrund ihrer physikalischen Härte, Festigkeit und Beständigkeit gegen chemische Angriffe auch bei sehr hohen Temperaturen geschätzt werden. Eisencarbid (Zementit) ist ein wichtiger Bestandteil von Stahl und Gusseisen.
Uranverarbeitung: Hartmetallbrennstoffe
Es sind verschiedene Uran- und Plutoniumcarbide bekannt, darunter die Monocarbide (UC, PuC), die Sesquicarbide (U2C3, .
Herstellung von Karbiden
Carbide werden aus Kohlenstoff und einem Element ähnlicher oder niedrigerer Elektronegativität, üblicherweise entweder einem Metall oder einem Metalloxid, bei Temperaturen von 1.000 bis 2.800 ° C (1.800 bis 5.100 ° F) hergestellt. Fast jedes Carbid kann nach einer von mehreren allgemeinen Methoden hergestellt werden. Die erste Methode beinhaltet die direkte Kombination der Elemente bei hohen Temperaturen (2.000 ° C oder höher). Das zweite Verfahren ist die Reaktion einer Verbindung eines Metalls, üblicherweise eines Oxids, mit Kohlenstoff bei hoher Temperatur. Zwei zusätzliche Verfahren umfassen die Reaktion eines Metalls oder Metallsalzes mit einem Kohlenwasserstoff, üblicherweise Acetylen, C 2 H 2. Bei einem der Verfahren reagiert das erhitzte Metall mit einem gasförmigen Kohlenwasserstoff; in dem anderen wird ein Metall in flüssigem Ammoniak, NH 3, gelöst und der Kohlenwasserstoff wird durch die Lösung geblasen. Mit Acetylen hergestellte Carbide werden als Acetylide bezeichnet und enthalten das C 2 2− -Anion. Zum Beispiel werden die Alkalimetallacetylide am besten hergestellt, indem das Alkalimetall in flüssigem Ammoniak gelöst und Acetylen durch die Lösung geleitet wird. Diese Verbindungen mit der allgemeinen Formel M 2 C 2 (wobei M das Metall ist) sind farblose, kristalline Feststoffe. Sie reagieren heftig mit Wasser und werden beim Erhitzen an der Luft zum Carbonat oxidiert. Die Erdalkalicarbide sind ebenfalls Acetylide. Sie haben die allgemeine Formel MC 2 und werden durch Erhitzen des Erdalkalimetalls mit Acetylen über 500 ° C (900 ° F) hergestellt.
Klassifizierung von Karbiden
Die Klassifizierung von Carbiden nach Strukturtyp ist ziemlich schwierig, aber drei allgemeine Klassifizierungen ergeben sich aus allgemeinen Trends in ihren Eigenschaften. Die elektropositivsten Metalle bilden ionische oder salzähnliche Carbide, die Übergangsmetalle in der Mitte des Periodensystems neigen dazu, sogenannte interstitielle Carbide zu bilden, und die Nichtmetalle der Elektronegativität ähnlich denen von Kohlenstoff bilden kovalente oder molekulare Carbide.
Ionencarbide
Ioncarbide haben diskrete Kohlenstoffanionen der Formen C 4−, manchmal auch Methanide genannt, da sie als von Methan abgeleitet angesehen werden können (CH 4); C 2 2−, Acetylide genannt und von Acetylen (C 2 H 2) abgeleitet; und C 3 4−, abgeleitet von Allen (C 3 H 4). Die am besten charakterisierten Methanide sind wahrscheinlich Berylliumcarbid (Be 2 C) und Aluminiumcarbid (Al 4 C 3). Berylliumoxid (BeO) und Kohlenstoff reagieren bei 2.000 ° C (3.600 ° F) unter Bildung des ziegelroten Berylliumcarbids, während hellgelbes Aluminiumcarbid in einem Ofen aus Aluminium und Kohlenstoff hergestellt wird. Aluminiumcarbid reagiert als typisches Methanid mit Wasser unter Bildung von Methan. Al 4 C 3 + 12H 2 O → 4Al (OH) 3 + 3CH 4
Es gibt viele Acetylide, die bekannt und gut charakterisiert sind. Zusätzlich zu den oben erwähnten Alkalimetallen und Erdalkalimetallen bildet Lanthan (La) zwei verschiedene Acetylide, und Kupfer (Cu), Silber (Ag) und Gold (Au) bilden explosive Acetylide. Zink (Zn), Cadmium (Cd) und Quecksilber (Hg) bilden ebenfalls Acetylide, obwohl sie nicht so gut charakterisiert sind. Die wichtigste dieser Verbindungen ist Calciumcarbid, CaC 2. Calciumcarbid wird hauptsächlich als Acetylenquelle für die chemische Industrie verwendet. Calciumcarbid wird industriell aus Calciumoxid (Kalk), CaO und Kohlenstoff in Form von Koks bei etwa 2.200 ° C (4.000 ° F) synthetisiert. Reines Calciumcarbid hat einen hohen Schmelzpunkt (2.300 ° C) und ist ein farbloser Feststoff. Die Reaktion von CaC 2 mit Wasser ergibt C 2 H 2 und eine signifikante Wärmemenge, so dass die Reaktion unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen durchgeführt wird. CaO + 3C → CaC 2 + CO
CaC 2 + 2H 2 O → C 2 H 2 + Ca (OH) 2 Calciumcarbid reagiert auch mit Stickstoffgas bei erhöhten Temperaturen (1.000–1.200 ° C [1.800–2.200 ° F]) bis bilden Calciumcyanamid, CaCN 2. CaC 2 + N 2 → CaCN 2 + CT Dies ist eine wichtige industrielle Reaktion, da CaCN 2 aufgrund seiner Reaktion mit Wasser unter Bildung von Cyanamid, H 2 NCN, in großem Umfang als Düngemittel verwendet wird. Die meisten MC 2 -Acetylide haben die CaC 2 -Struktur, die von der kubischen Natriumchlorid (NaCl) -Struktur abgeleitet ist. Die C 2 -Einheiten liegen parallel entlang der Zellachsen, was zu einer Verzerrung der Zelle von kubisch nach tetragonal führt.
Interstitielle Carbide
Interstitielle Carbide werden hauptsächlich von relativ großen Übergangsmetallen abgeleitet, die als Wirtsgitter für die kleinen Kohlenstoffatome dienen, die die Zwischenräume der dicht gepackten Metallatome einnehmen. (Siehe Kristall für eine Diskussion der Packungsanordnungen in Festkörpern.) Interstitielle Carbide zeichnen sich durch extreme Härte bei gleichzeitig extremer Sprödigkeit aus. Sie haben sehr hohe Schmelzpunkte (typischerweise etwa 3.000–4.000 ° C) und behalten viele der mit dem Metall selbst verbundenen Eigenschaften bei, wie z. B. eine hohe Leitfähigkeit von Wärme und Elektrizität sowie metallischen Glanz. Bei erhöhten Temperaturen behalten einige interstitielle Carbide die mechanischen Eigenschaften von Metallen bei, wie z. B. die Formbarkeit. Viele der frühen Übergangsmetalle haben Radien, die groß genug sind, um interstitielle Monocarbide MC zu bilden. Der kritische (dh minimale) Radius scheint ungefähr 1,35 Angström (1,35 × 10 –8 cm oder 5,32 × 10 –9 Zoll) zu betragen. Die meisten Übergangsmetalle bilden jedoch interstitielle Carbide mit mehreren Stöchiometrien. Beispielsweise ist bekannt, dass Mangan (Mn) mindestens fünf verschiedene interstitielle Carbide bildet. Im Gegensatz zu den ionischen Carbiden reagieren die meisten interstitiellen Carbide nicht mit Wasser und sind chemisch inert. Einige haben industrielle Bedeutung, darunter Wolframcarbid (WC) und Tantalcarbid (TaC), die aufgrund ihrer extremen Härte und chemischen Inertheit als Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeuge verwendet werden. Eisencarbid (Zementit), Fe 3 C, ist ein wichtiger Bestandteil von Stahl.
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