Карбид - Carbide
В химии , А карбид обычно описывает соединение , состоящее из углерода и металла. В металлургии , carbiding или цементации является способ получения карбида покрытий на металлической части.
Межузельные / металлические карбиды
Карбиды переходных металлов 4, 5 и 6 групп (за исключением хрома) часто описываются как соединения внедрения . Эти карбиды обладают металлическими свойствами и являются тугоплавкими . Некоторые из них демонстрируют диапазон стехиометрии , представляя собой нестехиометрическую смесь различных карбидов, возникающих из-за дефектов кристаллов. Некоторые из них, в том числе из карбида титана и карбида вольфрама , играют важную роль в промышленности и могут быть использованы для покрытия металлов в режущих инструментах.
Давно распространено мнение, что атомы углерода входят в октаэдрические промежутки в плотноупакованной решетке металла, когда радиус атома металла больше примерно 135 мкм:
- Когда атомы металла имеют кубическую плотную упаковку (ccp), то заполнение всех октаэдрических пустот углеродом достигает стехиометрии 1: 1 со структурой каменной соли.
- Когда атомы металла являются гексагональной плотной упаковкой (ГПУ), так как октаэдрических лежат непосредственно напротив друг друга по обе стороны от слоя атомов металла, заполняя только один из них с углеродом достигает 2: 1 стехиометрии с CdI 2 структуры .
В следующей таблице показаны фактические структуры металлов и их карбидов. (Обратите внимание: объемноцентрированная кубическая структура, принятая ванадием, ниобием, танталом, хромом, молибденом и вольфрамом, не является решеткой с плотной упаковкой.) Обозначение «h / 2» относится к структуре типа M 2 C, описанной выше, которая является только примерное описание реальных конструкций. Простое представление о том, что решетка чистого металла "поглощает" атомы углерода, можно рассматривать как неверное, поскольку упаковка решетки атомов металла в карбидах отличается от упаковки в чистом металле, хотя технически правильно, что углерод атомы помещаются в октаэдрические пустоты плотноупакованной металлической решетки.
Металл | Структура чистого металла | Металлический радиус (пм) |
Упаковка атомов металла MC |
Структура MC | Упаковка атома металла
M 2 C |
Конструкция M 2 C | Прочие карбиды |
---|---|---|---|---|---|---|---|
титан | hcp | 147 | ccp | каменная соль | |||
цирконий | hcp | 160 | ccp | каменная соль | |||
гафний | hcp | 159 | ccp | каменная соль | |||
ванадий | скрытая копия | 134 | ccp | каменная соль | hcp | ч / 2 | В 4 С 3 |
ниобий | скрытая копия | 146 | ccp | каменная соль | hcp | ч / 2 | Nb 4 C 3 |
тантал | скрытая копия | 146 | ccp | каменная соль | hcp | ч / 2 | Та 4 С 3 |
хром | скрытая копия | 128 | Cr 23 C 6 , Cr 3 C, Cr 7 C 3 , Cr 3 C 2 |
||||
молибден | скрытая копия | 139 | шестиугольник | hcp | ч / 2 | Пн 3 С 2 | |
вольфрам | скрытая копия | 139 | шестиугольник | hcp | ч / 2 |
Долгое время считалось, что нестехиометрические фазы разупорядочены со случайным заполнением пустот, однако обнаружено ближнее и дальнее упорядочение.
Железо образует ряд карбидов Fe 3 C, Fe 7 C 3 и Fe 2 C. Наиболее известным является цементит Fe 3 C, который присутствует в сталях. Эти карбиды более реакционноспособны, чем карбиды внедрения; например, карбиды Cr, Mn, Fe, Co и Ni все гидролизуются разбавленными кислотами, а иногда и водой, с образованием смеси водорода и углеводородов. Эти соединения имеют общие черты как с инертными вставками, так и с более реакционноспособными солеподобными карбидами.
Считается, что некоторые металлы, такие как свинец и олово , ни при каких обстоятельствах не образуют карбиды. Однако существует смешанный карбид титана и олова, который является двумерным проводником.
Химическая классификация карбидов
Карбиды в целом можно классифицировать по типу химических связей следующим образом: (i) солеподобные (ионные), (ii) ковалентные соединения , (iii) межузельные соединения и (iv) «промежуточные» карбиды переходных металлов . Примеры включают карбид кальция (CaC 2 ), карбид кремния (SiC), карбид вольфрама (WC; часто называют просто карбидом, когда речь идет о станках) и цементит (Fe 3 C), каждый из которых используется в ключевых промышленных приложениях. Название ионных карбидов не носит систематического характера.
Солевидные / солевые / ионные карбиды
Солевидные карбиды состоят из очень электроположительных элементов, таких как щелочные металлы , щелочноземельные металлы и металлы 3 группы, включая скандий , иттрий и лантан . Алюминий из группы 13 образует карбиды , а галлий , индий и таллий - нет. Эти материалы имеют изолированные углеродные центры, часто описываемые как «C 4– » в метанидах или метидах; двухатомные единицы, " C"2-
2"в ацетилидах и трехатомных единицах" C4-
3"в аллилидах. Соединение интеркаляции графита KC 8 , полученное из паров калия и графита, и производные щелочного металла C 60 обычно не классифицируются как карбиды.
Метаниды
Метаниды - это подмножество карбидов, отличающихся своей склонностью к разложению в воде с образованием метана . Три примера - карбид алюминия Al
4C
3, карбид магния Mg
2C и карбид бериллия Be
2C .
Карбиды переходных металлов не являются солевыми карбидами, но их реакция с водой очень медленная, и ею обычно пренебрегают. Например, в зависимости от пористости поверхности 5–30 атомных слоев карбида титана гидролизуются с образованием метана в течение 5 минут в условиях окружающей среды с последующим насыщением реакции.
Обратите внимание, что метанид в этом контексте - банальное историческое название. Согласно правилам систематического наименования ИЮПАК такое соединение, как NaCH 3 , будет называться «метанидом», хотя это соединение часто называют метилнатрием.
Ацетилиды / Этиниды
Предполагается, что некоторые карбиды являются солями ацетилид-аниона C2-
2(также называемый перкарбидом по аналогии с пероксидом ), который имеет тройную связь между двумя атомами углерода. Щелочные металлы, щелочноземельные металлы и лантаноиды металлы образуют ацетилениды, например, карбид натрия Na 2 C 2 , карбид кальция СаС 2 и LAC 2 . Лантаноиды также образуют карбиды (сесквикарбиды, см. Ниже) с формулой M 2 C 3 . Металлы из группы 11 , также имеют тенденцию к образованию ацетиленидов, такому как медь (I) ацетилиду и серебро ацетилиду . Карбиды актинидных элементов , которые имеют стехиометрию MC 2 и M 2 C 3 , также описываются как солеподобные производные C2-
2.
Длина тройной связи C – C находится в диапазоне от 119,2 пм в CaC 2 (аналогично этину) до 130,3 пм в LaC 2 и 134 пм в UC 2 . Связывание в LaC 2 было описано в терминах La III с дополнительным электроном, делокализованным на разрыхляющую орбиталь на C2-
2, объясняя металлическую проводимость.
Аллилиды
Многоатомные ионы С4-
3, иногда называемый аллилидом , содержится в Li 4 C 3 и Mg 2 C 3 . Ион линейен и изоэлектронен с CO 2 . Расстояние C – C в Mg 2 C 3 составляет 133,2 пм. Mg 2 C 3 дает метилацетилен , CH 3 CCH, и пропадиен , CH 2 CCH 2 , при гидролизе, что было первым признаком того, что он содержит C4-
3.
Ковалентные карбиды
Карбиды кремния и бора описываются как «ковалентные карбиды», хотя практически все соединения углерода проявляют некоторый ковалентный характер. Карбид кремния имеет две похожие кристаллические формы, каждая из которых связана со структурой алмаза. Карбид бора , B 4 C, с другой стороны, имеет необычную структуру, которая включает икосаэдрические звенья бора, связанные атомами углерода. В этом отношении карбида бора похож на боре богатых бориды . И карбид кремния (также известный как карборунд ), и карбид бора - очень твердые и тугоплавкие материалы . Оба материала важны в промышленном отношении. Бор также образует другие ковалентные карбиды, такие как B 25 C.
Молекулярные карбиды
Комплексы металлов, содержащие C, известны как карбидокомплексы металлов . Наиболее распространены октаэдрические кластеры с углеродным центром, такие как [Au 6 C (PΦ 3 ) 6 ] 2+ (где Φ или «Ph» представляет собой гексагональное углеродное кольцо: фенильную группу ) и [Fe 6 C (CO) 6 ] 2− . Подобные разновидности известны для карбонилов металлов и ранних галогенидов металлов. Было выделено несколько концевых карбидов, таких как [CRuCl 2 {P (C 6 H 11 ) 3 } 2 ].
Металлокарбоэдрины (или «меткары») представляют собой стабильные кластеры с общей формулой M
8C
12 где M - переходный металл (Ti, Zr, V и т. д.).
Связанные материалы
Помимо карбидов существуют другие группы родственных углеродных соединений:
- соединения интеркалирования графита
- фуллериды щелочных металлов
- эндоэдральные фуллерены , в которых атом металла заключен в молекулу фуллерена
- металлакарбоэдрены (меткарбоны), представляющие собой кластерные соединения, содержащие звенья C 2 .
- настраиваемый нанопористый углерод , при котором газовое хлорирование карбидов металлов удаляет молекулы металла с образованием высокопористого, почти чистого углеродного материала, способного накапливать энергию с высокой плотностью.
- карбеновые комплексы переходных металлов .
- двумерные карбиды переходных металлов: MXenes