stringtranslate.com

Карбид

Решётчатая структура карбида титана

В химии карбид обычно описывает соединение , состоящее из углерода и металла. В металлургии карбидизация или науглероживание — это процесс получения карбидного покрытия на металлической детали. [1]

Межузельные/карбиды металлов

Концевые фрезы из карбида вольфрама

Карбиды переходных металлов 4, 5 и 6 групп (за исключением хрома) часто называют соединениями внедрения . [2] Эти карбиды обладают металлическими свойствами и являются тугоплавкими . Некоторые из них демонстрируют диапазон стехиометрии , представляя собой нестехиометрическую смесь различных карбидов, возникающую из-за дефектов кристалла. Некоторые из них, в том числе карбид титана и карбид вольфрама , имеют промышленное значение и используются для покрытия металлов в режущих инструментах. [3]

Давно распространенное мнение состоит в том, что атомы углерода помещаются в октаэдрические промежутки в плотноупакованной металлической решетке, когда радиус атома металла превышает примерно 135 пм: [2]

В следующей таблице [2] [3] показаны структуры металлов и их карбидов. (Обратите внимание, что объемноцентрированная кубическая структура, принятая ванадием, ниобием, танталом, хромом, молибденом и вольфрамом, не является плотноупакованной решеткой.) Обозначение «h/2» относится к структуре типа M 2 C, описанной выше, которая является только приблизительное описание реальных конструкций. Простое представление о том, что решетка чистого металла «поглощает» атомы углерода, оказывается неверным, поскольку упаковка решетки атомов металла в карбидах отличается от упаковки в чистом металле, хотя технически верно, что углерод Атомы помещаются в октаэдрические промежутки плотноупакованной металлической решетки.

Долгое время считалось, что нестехиометрические фазы разупорядочены со случайным заполнением междоузлий, однако было обнаружено ближнее и дальнее упорядочение. [5]

Железо образует ряд карбидов Fe 3 C , Fe 7 C 3 и Fe 2 C . Наиболее известен цементит Fe 3 C, присутствующий в сталях. Эти карбиды более реакционноспособны, чем карбиды внедрения; например, карбиды Cr, Mn, Fe, Co и Ni гидролизуются разбавленными кислотами, а иногда и водой, с образованием смеси водорода и углеводородов. Эти соединения имеют общие черты как с инертными междоузлиями, так и с более реакционноспособными солеподобными карбидами. [2]

Считается, что некоторые металлы, такие как свинец и олово , ни при каких обстоятельствах не образуют карбидов. [6] Однако существует смешанный карбид титана и олова, который является двумерным проводником. [7]

Химическая классификация карбидов

Карбиды можно условно классифицировать по типу химической связи следующим образом:

  1. солеподобные (ионные),
  2. ковалентные соединения ,
  3. межузельные соединения и
  4. «промежуточные» карбиды переходных металлов .

Примеры включают карбид кальция (CaC 2 ), карбид кремния (SiC), карбид вольфрама (WC; часто называемый просто карбидом , когда речь идет о станках) и цементит (Fe 3 C), [2] каждый из которых используется в ключевых промышленных применениях. . Наименование ионных карбидов не носит систематического характера.

Солеподобные/солевые/ионные карбиды

Солеподобные карбиды состоят из сильно электроположительных элементов, таких как щелочные металлы , щелочноземельные металлы , лантаноиды , актиниды и металлы 3 группы ( скандий , иттрий и лютеций ). Алюминий из 13-й группы образует карбиды , а галлий , индий и таллий — нет. Эти материалы содержат изолированные углеродные центры, часто называемые «C 4- », в метанидах или метидах; двухатомные единицы, " C2-2", в ацетилидах ; и трехатомных единицах," C4-3", в аллилидах. [2] Интеркаляционное соединение графита КС 8 , полученное из паров калия и графита, и производные щелочных металлов С 60 обычно не классифицируются как карбиды. [8]

Метаниды

Метаниды представляют собой разновидность карбидов, отличающуюся своей склонностью к разложению в воде с образованием метана . Тремя примерами являются карбид алюминия Al 4 C 3 , карбид магния Mg 2 C [9] и карбид бериллия Be 2 C .

Карбиды переходных металлов не являются солевыми: их реакция с водой очень медленная, и ею обычно пренебрегают. Например, в зависимости от пористости поверхности 5–30 атомных слоев карбида титана гидролизуются, образуя метан в течение 5 минут в условиях окружающей среды с последующим насыщением реакции. [10]

Обратите внимание, что метанид в этом контексте — тривиальное историческое название. Согласно соглашениям о систематических наименованиях ИЮПАК, такое соединение, как NaCH 3 , будет называться «метанид», хотя это соединение часто называют метилнатрием. [11] Для получения дополнительной информации о CH см . Метильную группу # Метил-анион.−3анион.

Ацетилиды/этиниды

Карбид кальция

Предполагается, что некоторые карбиды представляют собой соли ацетилид- аниона C.2-2(также называемый перкарбидом, по аналогии с пероксидом ), который имеет тройную связь между двумя атомами углерода. Щелочные металлы, щелочноземельные металлы и лантаноиды образуют ацетилиды, например карбид натрия Na 2 C 2 , карбид кальция CaC 2 и LaC 2 . [2] Лантаниды также образуют карбиды (полуторные карбиды, см. ниже) с формулой M 2 C 3 . Металлы из группы 11 также склонны к образованию ацетилидов, таких как ацетилид меди (I) и ацетилид серебра . Карбиды актинидных элементов , имеющие стехиометрию MC 2 и M 2 C 3 , также описываются как солеподобные производные C2-2.

Длина тройной связи C–C колеблется от 119,2 пм в CaC 2 (аналогично этину) до 130,3 пм в LaC 2 и 134 пм в UC 2 . Связь в LaC 2 была описана в терминах La III с дополнительным электроном, делокализованным на разрыхляющую орбиталь на C.2-2, объясняющий металлическую проводимость. [2]

Аллилиды

Многоатомный ион C4-3, иногда называемый аллилидом , содержится в Li 4 C 3 и Mg 2 C 3 . Ион линеен и изоэлектронен CO 2 . [2] Расстояние C–C в Mg 2 C 3 составляет 133,2 пм. [12] Mg 2 C 3 дает при гидролизе метилацетилен , CH 3 CCH, и пропадиен , CH 2 CCH 2 , что было первым признаком того, что он содержит C. 4-3.

Ковалентные карбиды

Карбиды кремния и бора называют «ковалентными карбидами», хотя практически все соединения углерода обладают некоторым ковалентным характером. Карбид кремния имеет две схожие кристаллические формы, обе из которых связаны со структурой алмаза. [2] Карбид бора B 4 C, с другой стороны, имеет необычную структуру, которая включает икосаэдрические звенья бора, связанные атомами углерода. В этом отношении карбид бора подобен боридам, богатым бором . И карбид кремния (также известный как карборунд ), и карбид бора являются очень твердыми и тугоплавкими материалами . Оба материала имеют промышленное значение. Бор образует также другие ковалентные карбиды, например B 25 C.

Молекулярные карбиды

Комплекс [Au 6 C(PPh 3 ) 6 ] 2+ , содержащий углеродно-золотое ядро

Металлокомплексы, содержащие C, известны как карбидокомплексы металлов . Наиболее распространены углеродцентрированные октаэдрические кластеры, такие как [Au 6 C(P Ph 3 ) 6 ] 2+ (где «Ph» представляет собой фенильную группу ) и [Fe 6 C(CO) 6 ] 2- . Подобные виды известны для карбонилов металлов и ранних галогенидов металлов. Было выделено несколько концевых карбидов, таких как [CRuCl 2 {P(C 6 H 11 ) 3 } 2 ] .

Металлокарбогедрины (или «мет-кары») представляют собой устойчивые кластеры общей формулы М 8 С 12 , где М – переходный металл (Ti, Zr, V и др.).

Похожие материалы

Помимо карбидов существуют и другие группы родственных углеродных соединений: [2]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Кунст, Гельмут; Хаазе, Бриджит; Маллой, Джеймс С.; Виттель, Клаус; Нестлер, Монтия К.; Николл, Эндрю Р.; Эрнинг, Ульрих; Раушер, Герхард (2006). «Металлы, обработка поверхности». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a16_403.pub2. ISBN 978-3527306732.
  2. ^ abcdefghijk Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1984). Химия элементов. Оксфорд: Пергамон Пресс . стр. 318–22. ISBN 978-0-08-022057-4.
  3. ^ аб Питер Эттмайер; Вальтер Ленгауэр (1994). «Карбиды: химия твердого тела переходных металлов». В Р. Брюсе Кинге (ред.). Энциклопедия неорганической химии . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-93620-6.
  4. ^ Аб Чжу, Циньцин; Сяо, Гуоруй; Цуй, Янвэй; Ян, Учжан; Ву, Сики; Цао, Гуан-Хань; Жэнь, Чжи (15 октября 2021 г.). «Анизотропное расширение решетки и усиление сверхпроводимости, вызванное легированием межузельного углерода в рении». Журнал сплавов и соединений . 878 : 160290. doi : 10.1016/j.jallcom.2021.160290. ISSN  0925-8388.
  5. ^ CH де Новион; Дж. П. Ландесман (1985). «Порядок и беспорядок в карбидах и нитридах переходных металлов: экспериментальные и теоретические аспекты». Чистое приложение. Хим . 57 (10): 1391. doi : 10.1351/pac198557101391 . S2CID  59467042.
  6. ^ Джон Перси (1870). Металлургия свинца, включая десивирование и купелирование. Лондон: Дж. Мюррей. п. 67 . Проверено 6 апреля 2013 г.
  7. ^ YC Чжоу; ХИ Донг; Б. Х. Ю (2000). «Разработка двумерных пластин из карбида титана и олова (Ti2SnC) на основе исследования электронной структуры». Инновации в области исследований материалов . 4 (1): 36–41. Бибкод : 2000MatRI...4...36Z. дои : 10.1007/s100190000065. S2CID  135756713.
  8. ^ Шрайвер и Аткинс - Неорганическая химия
  9. ^ О.О. Куракевич; Т. А. Штробель; ДЯ Ким; Дж. Д. Коди (2013). «Синтез Mg2C: метанид магния». Angewandte Chemie, международное издание . 52 (34): 8930–8933. дои : 10.1002/anie.201303463. ПМИД  23824698.
  10. ^ А. И. Августиник; Г.В. Дроздецкая; С. С. Орданьян (1967). «Реакция карбида титана с водой». Порошковая металлургия и металлокерамика . 6 (6): 470–473. дои : 10.1007/BF00780135. S2CID  134209836.
  11. ^ Вайс, Эрвин; Корбелин, Зигфрид; Кокрофт, Джереми Карл; Фитч, Эндрю Николас (1990). «Über Metallалкил- und -aryl-Verbindungen, 44 Darstellung und Struktur von Mmethylnatrium. Strukturbestimmung an NaCD3-Pulvern bei 1,5 и 300 K durch Neutronen- und Synchrotronstrahlenbeugung». Химише Берихте . 123 (8): 1629–1634. дои : 10.1002/cber.19901230807. ISSN  0009-2940.
  12. ^ Фьеллваг Х.; Павел К. (1992). «Кристаллическая структура сесквикарбида магния». Неорг. Хим . 31 (15): 3260. doi :10.1021/ic00041a018.