Rất nhiều hợp chất hóa học khác nhau đã được biết đến trên thế giới: khoảng hàng trăm triệu. Và tất cả chúng, giống như con người, đều là cá nhân. Không thể tìm thấy hai chất có cùng tính chất hóa học và vật lý với thành phần khác nhau.
Một trong những chất vô cơ thú vị nhất tồn tại trên thế giới là cacbua. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ thảo luận về cấu trúc, tính chất vật lý và hóa học, ứng dụng của chúng và phân tích sự phức tạp trong quá trình sản xuất của chúng. Nhưng trước tiên, hãy giới thiệu một chút về lịch sử phát hiện ra.
Lịch sử
Cacbua kim loại, công thức mà chúng tôi sẽ đưa ra dưới đây, không phải là hợp chất tự nhiên. Điều này là do thực tế là các phân tử của chúng có xu hướng bị phân hủy khi tương tác với nước. Do đó, điều đáng nói về những nỗ lực đầu tiên để tổng hợp cacbua ở đây.
Từ năm 1849, có đề cập đến việc tổng hợp silic cacbua, nhưng một số nỗ lực này vẫn chưa được công nhận. Sản xuất quy mô lớn bắt đầu vào năm 1893 bởi nhà hóa học người Mỹ Edward Acheson trong một quy trình mà sau này được đặt theo tên của ông.
Lịch sử tổng hợp canxi cacbua cũng không khác nhau ở một lượng lớn thông tin. Năm 1862, nhà hóa học người Đức Friedrich Wöhler đã thu được nó bằng cách nung kẽm và canxi hợp kim với than đá.
Bây giờ chúng ta hãy chuyển sang các phần thú vị hơn: hóa chất vàtính chất vật lý. Xét cho cùng, bản chất của toàn bộ công dụng của loại chất này nằm ở chúng.
Tính chất vật lý
Hoàn toàn tất cả các cacbua được phân biệt bằng độ cứng của chúng. Ví dụ, một trong những chất cứng nhất trong thang Mohs là cacbua vonfram (9/10 điểm khả dĩ). Ngoài ra, những chất này rất chịu lửa: nhiệt độ nóng chảy của một số trong số chúng đạt tới hai nghìn độ.
Hầu hết các cacbua đều trơ về mặt hóa học và tương tác với một lượng nhỏ các chất. Chúng không hòa tan trong bất kỳ dung môi nào. Tuy nhiên, sự hòa tan có thể được coi là tương tác với nước với sự phá hủy các liên kết và sự hình thành hydroxit kim loại và hydrocacbon.
Chúng ta sẽ nói về phản ứng cuối cùng và nhiều biến đổi hóa học thú vị khác liên quan đến cacbua trong phần tiếp theo.
Tính chất hóa học
Hầu như tất cả các cacbua đều tương tác với nước. Một số - dễ dàng và không cần đun nóng (ví dụ, cacbua canxi), và một số (ví dụ, cacbua silic) - bằng cách làm nóng hơi nước đến 1800 độ. Khả năng phản ứng trong trường hợp này phụ thuộc vào bản chất của liên kết trong hợp chất, chúng ta sẽ thảo luận sau. Trong phản ứng với nước, các hydrocacbon khác nhau được tạo thành. Điều này xảy ra do hydro có trong nước kết hợp với carbon trong cacbua. Có thể hiểu hiđrocacbon nào sẽ bật ra (và cả hợp chất no và không no đều có thể bật ra) dựa trên hóa trị của cacbon có trong chất ban đầu. Ví dụ, nếu bạnchúng ta có canxi cacbua, công thức của nó là CaC2, chúng ta thấy rằng nó chứa ion C22-. Điều này có nghĩa là hai ion hydro có điện tích + có thể được gắn vào nó. Như vậy, ta được hợp chất C2H2- axetilen. Theo cách tương tự, từ một hợp chất như nhôm cacbua, công thức của nó là Al4C3, chúng ta nhận được CH4. Tại sao không phải là C3H12, bạn hỏi? Rốt cuộc, ion có điện tích là 12-. Thực tế là số nguyên tử hydro tối đa được xác định theo công thức 2n + 2, trong đó n là số nguyên tử cacbon. Điều này có nghĩa là chỉ một hợp chất có công thức C3H8(propan) mới có thể tồn tại và ion đó với điện tích 12 phân rã thành ba các ion có điện tích 4 -, tạo ra các phân tử metan khi kết hợp với các proton.
Phản ứng oxy hóa của cacbua rất thú vị. Chúng có thể xảy ra cả khi tiếp xúc với hỗn hợp chất oxy hóa mạnh và trong quá trình đốt cháy thông thường trong môi trường oxy. Nếu mọi thứ đều rõ ràng với oxi: thu được hai oxit, sau đó với các chất oxi hóa khác thì thú vị hơn. Tất cả phụ thuộc vào bản chất của kim loại là một phần của cacbua, cũng như bản chất của chất oxy hóa. Ví dụ, silic cacbua, công thức của nó là SiC, khi tương tác với hỗn hợp axit nitric và hydrofluoric, tạo thành axit hexafluorosilicic và giải phóng carbon dioxide. Và khi thực hiện cùng một phản ứng nhưng chỉ với axit nitric, chúng ta thu được oxit silic và cacbon đioxit. Halogens và chalcogens cũng có thể được coi là chất oxy hóa. Bất kỳ cacbua nào tương tác với chúng, công thức phản ứng chỉ phụ thuộc vào cấu trúc của nó.
Cacbua kim loại, công thức mà chúng ta đã xem xét, không phải là đại diện duy nhất của loại hợp chất này. Bây giờ chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn từng hợp chất quan trọng trong công nghiệp của lớp này và sau đó nói về ứng dụng của chúng trong cuộc sống của chúng ta.
Cacbua là gì?
Hóa ra rằng cacbua, có công thức, chẳng hạn, CaC2,khác biệt đáng kể về cấu trúc với SiC. Và sự khác biệt chủ yếu ở bản chất của liên kết giữa các nguyên tử. Trong trường hợp đầu tiên, chúng ta đang xử lý cacbua dạng muối. Loại hợp chất này được đặt tên như vậy bởi vì nó thực sự hoạt động giống như một loại muối, tức là nó có thể phân ly thành các ion. Liên kết ion như vậy rất yếu nên dễ dàng thực hiện phản ứng thủy phân và nhiều biến đổi khác, bao gồm cả tương tác giữa các ion.
Một loại cacbua khác, có lẽ quan trọng hơn về mặt công nghiệp là cacbit cộng hóa trị, chẳng hạn như SiC hoặc WC. Chúng được đặc trưng bởi mật độ và sức mạnh cao. Đồng thời chịu lửa và trơ với hóa chất pha loãng.
Ngoài ra còn có các cacbua giống kim loại. Chúng có thể được coi là hợp kim của kim loại với cacbon. Trong số này, người ta có thể phân biệt, ví dụ, ximăng (cacbua sắt, công thức của chúng khác nhau, nhưng trung bình nó xấp xỉ như sau: Fe3C) hay gang. Chúng có hoạt tính hóa học ở mức độ trung gian giữa cacbua ion và cộng hóa trị.
Mỗi phân loài này của nhóm hợp chất hóa học mà chúng ta đang thảo luận đều có ứng dụng thực tế riêng. Nộp đơn như thế nào và ở đâutừng cái, chúng ta sẽ nói đến trong phần tiếp theo.
Ứng dụng thực tế của cacbua
Như chúng ta đã thảo luận, cacbua cộng hóa trị có phạm vi ứng dụng thực tế rộng rãi nhất. Đây là các vật liệu mài mòn và cắt, và vật liệu composite được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau (ví dụ, như một trong những vật liệu tạo nên áo giáp), các bộ phận ô tô, thiết bị điện tử và các phần tử sưởi ấm và năng lượng hạt nhân. Và đây không phải là danh sách đầy đủ các ứng dụng cho các cacbua siêu cứng này.
Cacbua tạo muối có ứng dụng hẹp nhất. Phản ứng của chúng với nước được sử dụng như một phương pháp phòng thí nghiệm để sản xuất hydrocacbon. Chúng tôi đã thảo luận về cách điều này xảy ra ở trên.
Cùng với cộng hóa trị, cacbua giống kim loại có ứng dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp. Như chúng ta đã nói, một loại hợp chất giống như kim loại mà chúng ta đang thảo luận là thép, gang và các hợp chất kim loại khác xen kẽ với cacbon. Theo quy luật, kim loại được tìm thấy trong các chất đó thuộc nhóm kim loại d. Đó là lý do tại sao nó có xu hướng không phải là hình thành liên kết cộng hóa trị, nhưng lại được đưa vào cấu trúc của kim loại.
Theo chúng tôi, các hợp chất trên có quá đủ các ứng dụng thực tế. Bây giờ chúng ta hãy xem quá trình thu được chúng.
Sản xuất cacbua
Hai loại cacbua đầu tiên mà chúng ta đã kiểm tra, cụ thể là cộng hóa trị và dạng muối, thường được thu được bằng một cách đơn giản nhất: bằng phản ứng giữa oxit của nguyên tố và than cốc ở nhiệt độ cao. Đồng thời, một phầnthan cốc, bao gồm cacbon, kết hợp với nguyên tử của một nguyên tố trong thành phần của oxit, và tạo thành một cacbua. Phần còn lại "lấy" oxy và tạo thành carbon monoxide. Phương pháp này rất tốn năng lượng, vì nó yêu cầu duy trì nhiệt độ cao (khoảng 1600-2500 độ) trong vùng phản ứng.
Phản ứng thay thế được sử dụng để thu được một số loại hợp chất. Ví dụ, sự phân hủy của một hợp chất, cuối cùng tạo ra một cacbua. Công thức phản ứng phụ thuộc vào hợp chất cụ thể, vì vậy chúng ta sẽ không thảo luận về nó.
Trước khi kết thúc bài viết, chúng ta hãy thảo luận về một số cacbua thú vị và nói chi tiết hơn về chúng.
Kết nối thú vị
Natri cacbua. Công thức của hợp chất này là C2Na2. Đây có thể được coi là một axetylen (nghĩa là, sản phẩm của sự thay thế các nguyên tử hydro trong axetylen bằng các nguyên tử natri), hơn là một cacbua. Công thức hóa học không phản ánh đầy đủ những nét tinh tế này, vì vậy chúng phải được tìm kiếm trong cấu trúc. Đây là một chất rất hoạt động và khi tiếp xúc với nước, nó sẽ tương tác rất tích cực với nó với sự hình thành axetylen và kiềm.
Magie cacbua. Công thức: MgC2. Các phương pháp thu được hợp chất đủ hoạt tính này đang được quan tâm. Một trong số đó liên quan đến quá trình thiêu kết magie florua với canxi cacbua ở nhiệt độ cao. Kết quả là, hai sản phẩm thu được: canxi florua và cacbua mà chúng ta cần. Công thức của phản ứng này khá đơn giản, bạn có thể tìm đọc trong tài liệu chuyên ngành nếu muốn.
Nếu bạn chưa rõ về công dụng của tài liệu được trình bày trong bài viết, thì những điều sauphần dành cho bạn.
Điều này có thể hữu ích như thế nào trong cuộc sống?
Vâng, trước hết, kiến thức về các hợp chất hóa học không bao giờ là thừa. Luôn luôn tốt hơn để được trang bị kiến thức hơn là bị bỏ rơi mà không có nó. Thứ hai, bạn càng biết nhiều về sự tồn tại của một số hợp chất, bạn càng hiểu rõ hơn về cơ chế hình thành của chúng và quy luật cho phép chúng tồn tại.
Trước khi chuyển sang phần cuối, tôi muốn đưa ra một số khuyến nghị cho việc nghiên cứu tài liệu này.
Học nó như thế nào?
Rất đơn giản. Nó chỉ là một nhánh của hóa học. Và nó nên được nghiên cứu trong sách giáo khoa hóa học. Bắt đầu với thông tin về trường học và chuyển sang thông tin chuyên sâu hơn từ sách giáo khoa và sách tham khảo của trường đại học.
Kết
Chủ đề này thoạt nhìn không đơn giản và nhàm chán. Hóa học luôn có thể thú vị nếu bạn tìm thấy mục đích của mình trong đó.
