Карбид - Carbide

Информацию об инструменте разработки программного обеспечения для ОС Symbian см. Carbide.c ++. Информацию о металлическом соединении, обычно используемом в станках, см. Карбид вольфрама. Для города в Западной Вирджинии см. Карбид, округ Ветцель, Западная Вирджиния.
Решетчатая структура карбид титана.

В химия, а карбид обычно описывает соединение, состоящее из углерод и металл. В металлургия, карбидирование или же науглероживание - это процесс нанесения карбидного покрытия на металлическую деталь.[1]

Промежуточные / металлические карбиды

Карбид вольфрама концевые фрезы.

Карбиды переходных металлов 4, 5 и 6 групп (за исключением хрома) часто описываются как интерстициальные соединения.[2] Эти карбиды обладают металлическими свойствами и огнеупорный. Некоторые демонстрируют ряд стехиометрия, представляющие собой нестехиометрическую смесь различных карбидов, возникающих из-за дефектов кристаллов. Некоторые из них, например. карбид титана, TiC и карбид вольфрама важны в промышленности и используются для покрытия металлов в режущих инструментах.[3]

Давно распространено мнение, что атомы углерода входят в октаэдрические промежутки в плотноупакованной металлической решетке, когда радиус атома металла больше примерно 135 мкм:[2]

  • Когда атомы металла кубический плотно упакованный, (ccp), то заполнение всех октаэдрических пустот углеродом достигает стехиометрии 1: 1 со структурой каменной соли.
  • Когда атомы металла шестиугольный плотно упакованный, (hcp), поскольку октаэдрические промежутки лежат прямо напротив друг друга по обе стороны от слоя атомов металла, заполнение только одного из них углеродом достигает стехиометрии 2: 1 с CdI2 структура.

Следующая таблица[2][3] показывает реальные структуры металлов и их карбидов. (Обратите внимание: объемно-центрированная кубическая структура, принятая ванадием, ниобием, танталом, хромом, молибденом и вольфрамом, не является решеткой с плотной упаковкой.) Обозначение «h / 2» относится к M2Структура типа C, описанная выше, является лишь приблизительным описанием реальных структур. 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 вписываются в октаэдрические пустоты плотноупакованной металлической решетки.

МеталлСтруктура чистого металлаМеталлический
радиус (пм)		MC
упаковка атомов металла		Структура MCM2C
упаковка атомов металла		M2C структураПрочие карбиды
титанhcp147ccpкаменная соль
цирконийhcp160ccpкаменная соль
гафнийhcp159ccpкаменная соль
ванадийскрытая копия134ccpкаменная сольhcpч / 2V4C3
ниобийскрытая копия146ccpкаменная сольhcpч / 2Nb4C3
танталскрытая копия146ccpкаменная сольhcpч / 2Та4C3
хромскрытая копия128Cr23C6, Cr3C,
Cr7C3, Cr3C2
молибденскрытая копия139шестиугольникhcpч / 2Пн3C2
вольфрамскрытая копия139шестиугольникhcpч / 2

Долгое время нестехиометрический считалось, что фазы неупорядочены со случайным заполнением пустот, однако было обнаружено ближнее и дальнее упорядочение.[4]

Железо образует ряд карбидов, Fe3C, Fe7C3 и Fe2C. Самым известным является цементит, Fe3C, присутствующий в сталях. Эти карбиды более реактивны, 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.[2]

Некоторые металлы, такие как вести и банка, как полагают, ни при каких обстоятельствах не образуют карбиды.[5] Однако существует смешанный карбид титана и олова, который является двумерным проводником.[6]

Химическая классификация карбидов

Карбиды в целом можно классифицировать по типу химических связей следующим образом: (i) солеподобные (ионные), (ii) ковалентные соединения, (iii) интерстициальные соединения и (iv) «промежуточный» переходный металл карбиды. Примеры включают карбид кальция (CaC2), Карбид кремния (SiC), карбид вольфрама (WC; часто называют просто, карбид когда речь идет о станках), и цементит (Fe3C),[2] каждый из них 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 щелочных металлов, щелочноземельные металлы, и металлы 3 группы, в том числе скандий, иттрий, и лантан. Алюминий из 13 групп карбиды, но галлий, индий, и таллий не. Эти материалы имеют изолированные углеродные центры, часто описываемые как «C4−«в метанидах или метидах; двухатомные единицы»,C2−
2", в ацетилиды; и трехатомные единицы, "C4−
3", в аллидах.[2] В соединение интеркаляции графита KC8, приготовленный из паров калия и графита, и производных щелочных металлов C60 обычно не классифицируются как карбиды.[7]

Метаниды

Метаниды - это подмножество карбидов, которые отличаются склонностью к разложению в воде с образованием метан. Три примера: карбид алюминия Al
4C
3, карбид магния Mg
2C[8] и карбид бериллия Быть
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 карбид титана гидролизуются, образуя метан в течение 5 минут в условиях окружающей среды с последующим насыщением реакции.[9]

Обратите внимание, что метанид в этом контексте - банальное историческое название. Согласно правилам систематического наименования IUPAC, такое соединение, как NaCH3 можно было бы назвать «метанидом», хотя это соединение часто называют метилнатрием.[10]

Ацетилиды / Этиниды

Карбид кальция.

Предполагается, что некоторые карбиды являются солями ацетилид анион C22– (также называемый перкарбидом), который имеет тройная связь между двумя атомами углерода. Щелочные металлы, щелочноземельные металлы и лантаноидные металлы образуют ацетилиды, например карбид натрия Na2C2, карбид кальция CaC2, и LaC2.[2] Лантаноиды также образуют карбиды (сесквикарбиды, см. Ниже) с формулой M2C3. Металлы из группы 11 также имеют тенденцию к образованию ацетилидов, таких как ацетилид меди (I) и ацетилид серебра. Карбиды актинидные элементы, которые имеют стехиометрию MC2 И м2C3, также описываются как солеподобные производные C2−
2.

Длина тройной связи C-C составляет от 119,2 пм в CaC2 (аналогично этине), до 130.3 ч. в LaC2 и 134 вечера в UC2. Связь в LaC2 был описан в терминах LaIII с дополнительным электроном, делокализованным на разрыхляющую орбиталь на C2−
2, объясняя металлическую проводимость.[2]

Аллилиды

В многоатомный ион C4−
3иногда называют аллилид, находится в Ли4C3 и Mg2C3. Ион линейный и равен изоэлектронный с СО2.[2] Расстояние C-C в мг2C3 133,2 вечера.[11] Mg2C3 дает метилацетилен, CH3CCH и пропадиен, CH2CCH2, при гидролизе, что было первым признаком того, что он содержит C4−
3.

Ковалентные карбиды

Карбиды кремния и бор описаны как «ковалентные карбиды», хотя практически все соединения углерода обладают некоторой ковалентностью. Карбид кремния имеет две похожие кристаллические формы, обе связаны со структурой алмаза.[2] Карбид бора, B4C, с другой стороны, имеет необычную структуру, которая включает в себя икосаэдрические звенья бора, связанные атомами углерода. В этом отношении карбид бора похож на богатый бором бориды. Оба карбида кремния (также известные как карборунд) и карбид бора - очень твердые материалы и огнеупорный. Оба материала важны в промышленном отношении. Бор также образует другие ковалентные карбиды, например B25С.

Молекулярные карбиды

Комплекс [Au6C (PPh3)6]2+, содержащий углеродно-золотой сердечник.

Комплексы металлов, содержащие C, известны как карбидокомплексы металлов. Чаще всего встречаются октаэдрические кластеры с углеродным центром, такие как [Au6C (PPh3)6]2+ и [Fe6С (СО)6]2−. Подобные виды известны по карбонилы металлов и ранние галогениды металлов. Было выделено несколько концевых карбидов, например [CRuCl2{ПК6ЧАС11)3}2].

Металлокарбоэдрины (или «метавозы») - 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:[2]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Кунст, Гельмут; Хаазе, Бриджит; Маллой, Джеймс С.; Виттель, Клаус; Nestler, Montia C .; 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.
  2. ^ а б c d е ж грамм час я j k Гринвуд, Норман Н.; Эрншоу, Алан (1984). Химия элементов. Оксфорд: Pergamon Press. С. 318–22. ISBN  978-0-08-022057-4.
  3. ^ а б Питер Эттмайер; Вальтер Ленгауэр (1994). «Карбиды: химия твердого тела переходных металлов». В Р. Брюс Кинг (ред.). Энциклопедия неорганической химии. Джон Вили и сыновья. ISBN  978-0-471-93620-6.
  4. ^ C.H. де Новион; Дж. П. Ландесман (1985). «Порядок и беспорядок в карбидах и нитридах переходных металлов: экспериментальные и теоретические аспекты». Pure Appl. Chem. 57 (10): 1391. Дои:10.1351 / pac198557101391. S2CID  59467042.
  5. ^ Джон Перси (1870). Металлургия свинца, включая десиверизацию и купелирование. Лондон: Дж. Мюррей. п. 67. Получено 2013-04-06.
  6. ^ Ю. К. Чжоу; Х. Я. Донг; Б. Х. Ю (2000). «Разработка двумерных пластин карбида титана и олова (Ti2SnC) на основе исследования электронной структуры». Инновации в исследованиях материалов. 4 (1): 36–41. Дои:10.1007 / с100190000065. S2CID  135756713.
  7. ^ Шрайвер и Аткинс - Неорганическая химия
  8. ^ О. Куракевич; Т.А. Штробель; Д.Ю. Ким; Дж. Д. Коди (2013). «Синтез Mg2C: метанид магния». Angewandte Chemie International Edition. 52 (34): 8930–8933. Дои:10.1002 / anie.201303463. PMID  23824698.
  9. ^ 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 (неактивно 11.11.2020).CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2020 г. (связь)
  10. ^ Вайс, Эрвин; Корбелин, Зигфрид; Кокрофт, Джереми Карл; Фитч, Эндрю Николас (1990). "Über Metallalkyl- und -aryl-Verbindungen, 44 Darstellung und Struktur von Methylnatrium. Strukturbestimmung an NaCD3-Pulvern bei 1.5 and 300 K durch Neutronen- und Synchrotronstrahlenbeugung". Chemische Berichte. 123 (8): 1629–1634. Дои:10.1002 / cber.19901230807. ISSN  0009-2940.
  11. ^ Fjellvag H .; Павел К. (1992). «Кристаллическая структура сесквикарбида магния». Неорг. Chem. 31 (15): 3260. Дои:10.1021 / ic00041a018.