הרבה תרכובות כימיות שונות ידועות בעולם: בערך מאות מיליונים. וכולם, כמו אנשים, הם אינדיבידואליים. אי אפשר למצוא שני חומרים שיהיו בעלי אותן תכונות כימיות ופיזיקליות בהרכב שונה.
אחד החומרים האנאורגניים המעניינים ביותר שקיימים בעולם הם קרבידים. במאמר זה, נדון במבנה, בתכונות הפיזיקליות והכימיות שלהם, ביישומים וננתח את נבכי הייצור שלהם. אבל קודם כל, קצת על ההיסטוריה של התגלית.
היסטוריה
קרבידים של מתכת, שאת הנוסחאות שלהם נביא להלן, אינן תרכובות טבעיות. זה נובע מהעובדה שהמולקולות שלהם נוטות להתפרק בעת אינטראקציה עם מים. לכן, כדאי לדבר כאן על הניסיונות הראשונים לסנתז קרבידים.
משנת 1849 ישנן התייחסויות לסינתזה של סיליקון קרביד, אך חלק מהניסיונות הללו נותרו בלתי מוכרים. ייצור בקנה מידה גדול החל בשנת 1893 על ידי הכימאי האמריקאי אדוארד אצ'סון בתהליך שנקרא מאוחר יותר על שמו.
ההיסטוריה של סינתזה של סידן קרביד גם אינה שונה בכמות גדולה של מידע. בשנת 1862, הכימאי הגרמני פרידריך ווהלר השיג אותו על ידי חימום אבץ סגסוגת וסידן בפחם.
עכשיו בואו נעבור לקטעים מעניינים יותר: כימיקלים ותכונות גשמיות. הרי כל המהות של השימוש בסוג זה של חומרים טמונה בהם.
נכסים פיזיים
בהחלט כל הקרבידים נבדלים בקשיותם. לדוגמה, אחד החומרים הקשים ביותר בסולם Mohs הוא טונגסטן קרביד (9 מתוך 10 נקודות אפשריות). בנוסף, החומרים הללו עמידים מאוד: נקודת ההיתוך של חלקם מגיעה לאלפיים מעלות.
רוב הקרבידים אינרטיים מבחינה כימית ומקיימים אינטראקציה עם כמות קטנה של חומרים. הם אינם מסיסים בכל ממיסים. עם זאת, פירוק יכול להיחשב כאינטראקציה עם מים עם הרס של קשרים ויצירת מתכת הידרוקסיד ופחמימנים.
נדבר על התגובה האחרונה ועוד הרבה טרנספורמציות כימיות מעניינות הכוללות קרבידים בסעיף הבא.
מאפיינים כימיים
כמעט כל הקרבידים מתקשרים עם מים. חלקם - בקלות וללא חימום (למשל סידן קרביד), וחלק (למשל סיליקון קרביד) - בחימום אדי מים ל-1800 מעלות. התגובתיות במקרה זה תלויה באופי הקשר בתרכובת, עליה נדון בהמשך. בתגובה עם מים נוצרים פחמימנים שונים. זה קורה מכיוון שהמימן הכלול במים מתחבר עם הפחמן שבקרביד. אפשר להבין איזה פחמימן ייצא (ויכולות להתברר גם תרכובות רוויות וגם תרכובות בלתי רוויות) על סמך הערכיות של הפחמן הכלול בחומר המקורי. לדוגמה, אם uיש לנו סידן קרביד, שהנוסחה שלו היא CaC2, אנחנו רואים שהוא מכיל את היון C22-. המשמעות היא שניתן לחבר אליו שני יוני מימן בעלי מטען +. לפיכך, נקבל את התרכובת C2H2 - אצטילן. באותו אופן, מתרכובת כמו אלומיניום קרביד, שהנוסחה שלה היא Al4C3, נקבל CH 4. למה לא C3H12, אתם שואלים? הרי ליון יש מטען של 12-. העובדה היא שהמספר המרבי של אטומי מימן נקבע על ידי הנוסחה 2n + 2, כאשר n הוא מספר אטומי הפחמן. המשמעות היא שרק תרכובת עם הנוסחה C3H8 (פרופאן) יכולה להתקיים, והיון הזה עם מטען של 12- מתפרק לשלושה יונים עם מטען של 4-, שנותנים מולקולות מתאן בשילוב עם פרוטונים.
תגובות חמצון של קרבידים מעניינות. הם יכולים להתרחש הן בעת חשיפה לתערובות חזקות של חומרי חמצון, והן במהלך בעירה רגילה באווירת חמצן. אם הכל ברור עם חמצן: שתי תחמוצות מתקבלות, אז עם חומרי חמצון אחרים זה יותר מעניין. הכל תלוי באופי המתכת שהיא חלק מהקרביד, כמו גם באופי של חומר החמצון. לדוגמה, סיליקון קרביד, שהנוסחה שלו היא SiC, בעת אינטראקציה עם תערובת של חומצות חנקתיות והידרופלואוריות, יוצר חומצה hexafluorosilicic עם שחרור של פחמן דו חמצני. וכאשר מבצעים את אותה תגובה, אך עם חומצה חנקתית בלבד, אנו מקבלים תחמוצת סיליקון ופחמן דו חמצני. ניתן להתייחס להלוגנים ולכלקוגנים גם כחומרי חמצון. כל קרביד יוצר איתם אינטראקציה, נוסחת התגובה תלויה רק במבנה שלו.
קרבידים של מתכת, שהנוסחאות שלהם שקלנו, רחוקים מלהיות הנציגים היחידים של מחלקה זו של תרכובות. כעת נסתכל מקרוב על כל אחת מהתרכובות החשובות מבחינה תעשייתית של המעמד הזה ולאחר מכן נדבר על היישום שלהן בחיינו.
מהם קרבידים?
מסתבר שקרביד, שהנוסחה שלו, למשל, CaC2, שונה משמעותית במבנה מ-SiC. וההבדל הוא בעיקר באופי הקשר בין אטומים. במקרה הראשון, עסקינן בקרביד דמוי מלח. מחלקה זו של תרכובות נקראת כך מכיוון שהיא למעשה מתנהגת כמו מלח, כלומר, היא מסוגלת להתנתק ליונים. קשר יוני כזה חלש מאוד, מה שמקל על ביצוע תגובת ההידרוליזה ותמורות רבות אחרות, כולל אינטראקציות בין יונים.
סוג אחר, אולי חשוב יותר מבחינה תעשייתית, של קרביד הוא הקרביד הקוולנטי, כגון SiC או WC. הם מאופיינים בצפיפות גבוהה וחוזק. גם עקשן ואינרטי לדילול כימיקלים.
יש גם קרבידים דמויי מתכת. הם יכולים להיחשב כסגסוגות של מתכות עם פחמן. בין אלה ניתן להבחין למשל בצמנטיט (קרביד ברזל שנוסחתו משתנה, אך בממוצע הוא בערך הבא: Fe3C) או ברזל יצוק. יש להם פעילות כימית בדרגה בינונית בין קרבידים יוניים וקוולנטיים.
לכל אחד מתת-המינים הללו של קבוצת התרכובות הכימיות שבהן אנו דנים יש יישום מעשי משלו. איך ואיפה להגיש בקשהעל כל אחד מהם נדבר בסעיף הבא.
יישום מעשי של קרבידים
כפי שכבר דנו, לקרבידים קוולנטיים יש את המגוון הרחב ביותר של יישומים מעשיים. אלו הם חומרים שוחקים וחיתוכים, וחומרים מרוכבים המשמשים בתחומים שונים (למשל, כאחד החומרים המרכיבים את השריון), וחלקי רכב, ומכשירים אלקטרוניים, וגופי חימום ואנרגיה גרעינית. וזו אינה רשימה מלאה של יישומים עבור הקרבידים העל-קשים האלה.
לקרבידים יוצרי מלח יש את היישום הצר ביותר. התגובה שלהם עם מים משמשת כשיטת מעבדה לייצור פחמימנים. כבר דנו איך זה קורה למעלה.
יחד עם קוולנטי, לקרבידים דמויי מתכת יש את היישום הרחב ביותר בתעשייה. כפי שכבר אמרנו, סוג כזה דמוי מתכת של התרכובות שאנו דנים בהן הן פלדות, ברזל יצוק ותרכובות מתכת אחרות המשובצות בפחמן. ככלל, המתכת שנמצאת בחומרים כאלה שייכת למעמד של מתכות d. לכן הוא נוטה ליצור לא קשרים קוולנטיים, אלא, כביכול, להחדיר למבנה המתכת.
לדעתנו, לתרכובות הנ ל יש יותר ממספיק יישומים מעשיים. עכשיו בואו נסתכל על תהליך השגתן.
ייצור קרבידים
שני הסוגים הראשונים של קרבידים שבדקנו, כלומר קוולנטיים ודמויי מלח, מתקבלים לרוב בדרך פשוטה אחת: בתגובה של תחמוצת היסוד וקולה בטמפרטורה גבוהה. במקביל, חלקקוק, המורכב מפחמן, מתחבר עם אטום של יסוד בהרכב התחמוצת ויוצר קרביד. החלק השני "לוקח" חמצן ויוצר פחמן חד חמצני. שיטה זו צורכת מאוד אנרגיה, שכן היא דורשת שמירה על טמפרטורה גבוהה (כ-1600-2500 מעלות) באזור התגובה.
תגובות אלטרנטיביות משמשות להשגת סוגים מסוימים של תרכובות. לדוגמה, פירוק של תרכובת, אשר בסופו של דבר נותן קרביד. נוסחת התגובה תלויה בתרכובת הספציפית, ולכן לא נדון בה.
לפני שנסיים את המאמר שלנו, בואו נדון בכמה קרבידים מעניינים ונדבר עליהם ביתר פירוט.
חיבורים מעניינים
נתרן קרביד. הנוסחה של תרכובת זו היא C2Na2. אפשר לחשוב על זה יותר כעל אצטילניד (כלומר, תוצר של החלפת אטומי מימן באצטילן באטומי נתרן), ולא כקרביד. הנוסחה הכימית אינה משקפת במלואה את הדקויות הללו, ולכן יש לחפש אותן במבנה. זהו חומר פעיל מאוד ובכל מגע עם מים הוא יוצר איתו אינטראקציה מאוד פעילה עם היווצרות של אצטילן ואלקלי.
מגנזיום קרביד. נוסחה: MgC2. שיטות להשגת תרכובת מספיק פעילה זו מעניינות. אחד מהם כולל סינטר של מגנזיום פלואוריד עם סידן קרביד בטמפרטורה גבוהה. כתוצאה מכך מתקבלים שני מוצרים: סידן פלואוריד והקרביד שאנו צריכים. הנוסחה לתגובה זו פשוטה למדי, ותוכל לקרוא אותה בספרות המיוחדת אם תרצה.
אם אינך בטוח לגבי התועלת של החומר המוצג במאמר, אז את הדברים הבאיםקטע בשבילך.
איך זה יכול להיות שימושי בחיים?
ובכן, קודם כל, ידע בתרכובות כימיות לעולם לא יכול להיות מיותר. תמיד עדיף להיות חמוש בידע מאשר להישאר בלעדיו. שנית, ככל שאתה יודע יותר על קיומן של תרכובות מסוימות, אתה מבין טוב יותר את מנגנון היווצרותן ואת החוקים המאפשרים להן להתקיים.
לפני שממשיכים לסוף, ברצוני לתת כמה המלצות ללימוד החומר הזה.
איך ללמוד את זה?
פשוט מאוד. זה רק ענף של כימיה. ויש ללמוד את זה בספרי לימוד בכימיה. התחל עם מידע בית ספר ועבור למידע מעמיק יותר מספרי לימוד וספרי עיון באוניברסיטה.
מסקנה
נושא זה אינו פשוט ומשעמם כפי שהוא נראה במבט ראשון. כימיה תמיד יכולה להיות מעניינת אם אתה מוצא בה את המטרה שלך.
