Что такое карбиды металлов

Аl 4 С 3 + 12Н 2 О : 4Аl(ОН) 3 + 3СН 4 ;

Na 2 C 2 + 2Н 2 О : 2NaOH + С 2 Н 2 ;

Mg 2 C 3 + 4Н 2 О : 2Mg(OH) 2 + С 3 Н 4 .

Ковалентные и металлоподобные карбиды не разлагаются водой и большинством минер. к-т и щелочей. Получают карбиды из элементов, восстановлением оксидов металлов, газофазным способом, металлотермически. Синтез из элементов осуществляют при высоких т-рах в вакууме или инертной атмосфере. В зависимости от технол. параметров процесса образуются порошки с размером частиц от 0,5 мкм до 2 мм. Синтез может осуществляться в режиме горения, т. к. в результате р-ции выделяется большое кол-во тепла, либо в плазме при 5000-10000 К в дуговых, высокочастотных и сверхчастотных плазмотронах. В результате быстрого охлаждения из парогазовой смеси элементов в плазмообразующем газе (Аr или Не) образуются ультрадисперсные порошки с размерами частиц 10-100 нм. Восстановлением оксидов металлов производят наиб. важные соед. — бора карбиды, кремния карбиды, а также вольфрама карбиды, титана карбид и др. Карбиды переходных металлов. Газофазным способом получают карбиды из хим. соед., к-рые испаряются, разлагаются, а затем восстанавливаются и взаимод. друг с другом, напр.:

2МСl + 2ССl 4 + 5Н 2 : 2МС + 10НСl.

Чаще всего этот синтез осуществляют в плазме, получая дисперсные порошки. По металлотермич. способу оксиды металлов восстанавливают металлами (Mg, Al или Са) в присут. углерода, напр.:

МО + С + Мg : МС + МgО.

Особо чистые карбиды, не содержащие кислорода и азота, синтезируют взаимод. С и металла в расплаве др. металла или сплава, напр. TiC получают в сплаве Fe Ni. Из ионных карбидов наиб. важен кальция карбид СаС 2 , из ковалентных В 4 С и SiC. Металлоподобные карбиды упрочняют чугун и сталь [Fe 3 C, (Fe,Cr) 3 C, Fe 2 W 2 C, (Fe,Cr,Mo) 23 C 6 ], они являются основой твердых вольфрама сплавов (WC, TiC, WC, TiC, TaC, WC) и др. твердых сплавов (TiC, VC, Сr 3 С 2 , ТаС), используемых для обработки металлов резанием. Карбиды применяют также как восстановители, раскислители и катализаторы, они входят в состав жаропрочных и жаростойких композиционных материалов, в т. ч. керметов.
===
Исп. литература для статьи «КАРБИДЫ» : Стормс Э., Тугоплавкие карбиды, пер. с англ., М., 1970; Гольдшмидт X., Сплавы внедрения, пер. с англ., в. 1-2, М, 1971, Тот Л., Карбиды и нитриды переходных металлов, пер. с англ., М, 1974. Самсонов Г. В., Упадхая Г. Ш., Нешпор В. С., Физическое материаловедение карбидов, К., 1974, Высокотемпературные карбиды, под ред. Г. В. Самсонова, К, 1975, Карбиды и сплавы на их основе, под ред. Г. В. Самсонова, К, 1976, Свойства, получение и применение тугоплавких соединений, Справочник, под ред. Т. Я. Косолаповой. М, 1986, П. С. Кислый.

Страница «КАРБИДЫ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

Соединения углерода с электроположительными элементами, главным образом с металлами и некоторыми неметаллами По типу химической связи К. могут быть подразделены на три основные группы: ионные (или солеобразные), ковалентные и металлоподобные. Некоторые К. принадлежат к нестехиометрическим соединениям (См. Нестехиометрические соединения) твёрдым веществам переменного состава, не отвечающего стехиометрическим законам.

Ионные К. образуются сильно электроположительными металлами; они содержат катионы металлов и анионы углерода. К ним относятся ацетилениды с анионами [С ≡ С] 2- , которые могут быть представлены как продукты замещения водорода в ацетилене C2H2 металлами, а также метаниды — продукты замещения металлами водорода в метане CH4.

Табл. 1 — Свойства некоторых ионных карбидов

КарбидКристалличе- ская структураПлот- ность, г/см 3Температура плавления, °СТеплота образо- вания, ккал/моль*Удельное объёмное электрическое сопро- тивление, мкомсм
Ромбическая1,3014,2
Гексагональная1,60800 (разл.)— 4,1
Гексагональная1,62
Тетрагональная2,0721±5
Тетрагональная2,21230014,1±2,0
Тетрагональная3,722000 (разл.)12,l±4,0
Тетрагональная5,35236038,045
Тетрагональная5,56229060
Кубическая2,44240028,01,1 . 10 6
Ромбоэдрическая2,95210049,5
Читайте также:  Узлы для плетения рыболовных сетей

Табл. 2. — Свойства некоторых металлоподобных и ковалентных карбидов

КарбидГраницы области однородности, ат.Кристалличе- ская струк тура а)Плот- ность, г/см 3Темпе ратура плавле- ния, °СТеплота образо- вания, ккал/моль д )Коэффициент терми- ческого рас- ширения (20- 1800 °С) 1 /1°С․10 6Теплопровод- ность, кал/см сек°С е)Удельное объемное элетрическое соп- ротивление мкомсмРабота выхода элек- ронов ж) φэфф, эвМикро- твер дость Гн/м 2Модуль упругос- ти Гн/м 2
TiC37-50КГЦ4,94315043,98,50,06952,54,2031460
ZrC38-50КГЦ6,60342047,76,950,09504,0229550
HfC36-50КГЦ12,65370055,06,060,07453,9528,5359
VC40-47КГЦ5,50285024,17,20,094764,0725,5431
nвc41,2-50КГЦ7,80360033,76,50,044423,9320,5540
TaC42,2-49КГЦ14,5388034,08,290,053243,8216500
Cr3C2Ромбич.6,7418958,111,70,0467513,3380
Mo2C31,2-33,3ГПУ9,06258011,07,80,0767115544
W2 C29,5-33,3ГПУ17,1327957,90,07275,54,5814,5428
WCГексагон.15,7027859,15,20,08319,218722
Fe3CРомбич.7,691650—5,410,8
SiCГексагон.3,222827 б)15,84,7 в)0,24>0,13․10 633,4386
B4C17,6-29,5 г)Ромбоэдр.2,522250 б)13,84,5 в)0,299․10 549,5480

а) КГЦ — кубическая гранецентрированная, Ромбич. — ромбическая. Ромбоэдр. — ромбоэдрическая, ГПУ — гексагональная плотноупакованная, Гекс. — гексагональная. б) Разлагается. в) 20—1000 °С, г) % по массе, д) 1 кал/моль = 4,19 кдж/моль. е) 1 кал/смсек․°С = 419 вт/(мК). ж) При 1800 K.

Табл. 3. — Механические свойства карбидов

КарбидТвёрдость Н, Гн/м 2 , при температуре, °СПредел прочности при растяжении, Мн/м 2 , при температуре °СПредел прочности при сжатии, Мн/м 2 , при температуре °СМодуль упругости, Гн/м 2 , при температуре °С
201230173020123017302012301730207301230
TiC31,01,60,3560200901350470260460420400
ZC29,02,01,33001001700300550520500
NbC20,50,750,281400400200540500470
WC18,00,90,452700600100722690600
SiC33,42,20,9180230800400160386373350

Ацетиленидами являются К. щелочных металлов (Li2C2, Na2C2 и пр.), магния MgC2 и щелочноземельных металлов (CaC2, SrC2 и др.), высшие К. редкоземельных металлов (YC2, LaC2 и др.) и актиноидов (ThC2 и пр.). С уменьшением ионизационного потенциала металла в этой группе возрастает склонность к образованию «поликарбидов» со сложными анионами из атомов углерода (MeC8, MeC16, MeC24 и др.). Эти К. имеют графитоподобные решётки, в которых между слоями из атомов углерода расположены атомы металла. Ионные К. ацетиленидного типа, например Карбид кальция, при взаимодействии с водой или разбавленными кислотами разлагаются с выделением ацетилена (или ацетилена в смеси с др. углеводородами и иногда — водородом). Cu2C2, Ag2C2 и др. взрываются при ударе, обладают невысокой химической устойчивостью, легко разлагаются и окисляются при нагревании. К метанидам относятся Be2C, Al4C3, которые легко гидролизуются с выделением метана (табл. 1).

Ковалентные К., типичными представителями которых являются К. кремния и бора, SiC и B4C (правильнее B12C 3 ), отличаются прочностью межатомной связи; обладают высокой твёрдостью, химической инертностью, жаропрочностью; являются полупроводниками. Структура некоторых таких К. (например, SiC) близка к структуре Алмаза. Кристаллические решётки этих К. представляют собой гигантские молекулы (см. Бора карбид, Кремния карбид).

Металлоподобные К. обычно построены как фазы внедрения атомов углерода в поры кристаллических решёток переходных металлов. Природа металлоподобных К., как фаз внедрения, обусловливает их высокую твёрдость и износостойкость, практическое отсутствие пластичности при обычных температурах, хрупкость и относительно невысокие прочие механические свойства. К. этой группы — хорошие проводники электричества, откуда и название — «металлоподобные». Многие из них — сверхпроводники (например, температуры перехода в сверхпроводящее состояние составляют: Nb2C, 9,18 К; NbC, 8—10 К; MO2C, 12,2 К; MoC, 6,5 К). Важными для техники свойствами обладают взаимные сплавы К. TiC, ZrC, HfC, NbC и TaC. Так, композиции, состоящие из 25% HfC и 75% TaC, имеют наиболее высокую температуру плавления (около 4000 °С) из всех тугоплавких металлов и веществ. Металлоподобные К. обладают большой химической устойчивостью в кислотах, меньшей — в щелочах. При их взаимодействии с H2, O2, N2 и пр. образуются гидридокарбиды, оксикарбиды, карбонитриды, также представляющие фазы внедрения и обладающие свойствами, близкими к свойствам К. К металлоподобным К. относятся также соединения с более сложными структурами: Mn3C, Fe3C, Co3C, Ni3C (табл. 2).

Читайте также:  Как определить класс точности прибора формула

Получение и применение. Распространёнными методами получения К. являются нагревание смесей порошков металлов и угля в среде инертного газа или восстановительного газа; сплавление металлов с одновременной карбидизацией (MeO + С → MeC + CO) при температурах 1500—2000° С и др. Для получения изделий из порошков К. используют порошковую металлургию (См. Порошковая металлургия); отливку расплавленных К. (обычно под давлением газовой среды для предотвращения разложения при высоких температурах); диффузионное науглероживание предварительно подготовленных изделий из металлов и неметаллов; осаждение в результате реакций в газовой фазе (особенно при получении карбидных волокон); плазменную металлургию. Обычные механические методы обработки изделий из металлоподобных К. и высокопрочных карбидно-металлических сплавов оказываются непригодными и заменяются абразивной, ультразвуковой обработкой, электроискровым способом и др.

Из ионных К. важное значение в технике как источник ацетилена имеет карбид кальция. Широко используются ковалентные и металлоподобные К. Так, тугоплавкие К. применяют для изготовления нагревателей электропечей сопротивления, защитных чехлов для термопар, тиглей и т.д. На основе сверхтвёрдых и износостойких К. производят металло-керамические твёрдые сплавы (вольфрамокобальтовые и титановольфрамовые), а также абразивы для шлифования и доводки (особенно SiC и B4C). К. входят в состав жаропрочных и жаростойких сплавов — керметов (См. Керметы), в которых твёрдые, но хрупкие К. цементированы вязкими, но достаточно тугоплавкими металлами. К. железа Fe3O образует в железоуглеродистых сплавах (чугунах и сталях) так называемую цементитную фазу — твёрдую, но очень хрупкую и непластичную (см. Цементит). Высокая химическая стойкость К. используется в химическом машиностроении и химической промышленности для изготовления трубопроводов, насадок, облицовки реакторов. Металлическая или полупроводниковая проводимость, хорошие термоэмиссионные свойства, способность переходить в сверхпроводящее состояние — для изготовления резисторов, различных элементов полупроводниковых устройств, в составе электроконтактов, магнитных материалов, термокатодов в электронике.

Лит.: Самсонов Г. В., Тугоплавкие соединения. Справочник по свойствам и применению, М., 1963; Косолапова Т. Я., Карбиды, М,, 1968; Тугоплавкие материалы в машиностроении. Справочник, под ред. А. Т. Туманова и К. И. Портного, М., 1967; Особо тугоплавкие элементы и соединения. Справочник, М., 1969; Тугоплавкие карбиды, [Сборник], под ред. Г. В. Самсонова, К., 1970.

Водородные соединения углерода

Химические свойства углерода.

В обычных условиях углерод (особенно алмаз) очень инертен и вступает во взаимодействие только с очень энергичными окислителями. При нагревании химическая активность углерода повышается. В аморфном виде уголь и кокс легко горят на воздухе, образуя углекислый газ CO2. При недостатке кислорода углерод окисляется только до СО. Алмаз способен гореть лишь в чистом кислороде при 700 — 800ºС. Эта способность углерода окисляться при нагревании используется при восстановлении многих металлов из их оксидов.

Читайте также:  Как правильно прозвонить конденсатор

C другими галогенами углерод непосредственно не соединяется, а соответствующие соединения получают косвенным путем. Четыреххлористый углерод получают пропусканием хлора через сероуглерод при 60ºС в присутствии катализатора FeS: CS2 + 2Cl2 = CCl4 + 2S.

При высокой температуре углерод взаимодействует с серой, азотом и кремнием:

С металлами углерод реагирует при высоких температурах, образуя карбиды. Карбиды также можно получить при взаимодействии угля с оксидами металлов:

3C + CaO = CaC2 + CO.

Углерод взаимодействует, как восстановитель, и с оксидами других металлов при нагревании: C + 2PbO = 2Pb + CO2.

Углерод растворяется только в кислотах-окислителях при нагревании:

Углеводороды являются достаточно стабильными, так как перекрывание малых по размеру валентных орбиталей велико, различие в электроотрицательностях углерода и водорода мало, поэтому образуются прочные ковалентные связи С−Н.

Прямой синтез метана (простейшего углеводорода) можно осуществить только в присутствии катализатора, например мелкодисперсного никеля. Разнообразие углеводородных соединений объясняется способностью углерода к образованию бесконечных линейных и разветвленных цепочек (−С−С−, >С=С

Ионно-ковалентные карбиды (солеподобные) –к ним относят метаниды и ацетилениды. Метаниды можно рассматривать как производные метана, содержащие ион С −4 , например карбид бериллия Be2C или карбид алюминия Al4C3. Это тугоплавкие кристаллические вещества, которые реагируют с разбавленными кислотами с выделением метана:

Ацетилениды— производные ацетилена состава М +1 2С2, М +2 С2 и М +3 22)3, содержат ион С2 −2 (где М – это s- и d-металлы I и II группы периодической системы или Al +3 ). Ацетилениды детонируют даже в сухом виде, разлагаются водой и разбавленными кислотами:

Солеподобные карбиды получают при взаимодействии оксидов металлов с графитом при высокой температуре:

Ацетилениды можно получить обменным взаимодействием ацетилена с солью соответствующего металла.

Металлоподобные карбиды – это карбиды d-металлов IV – VIII групп нестехиометрического состава, который изменяется в широких пределах; проявляют металлические свойства: металлический блеск, высокую твердость, высокие температуры плавления. Карбиды титана, ванадия, ниобия, молибдена и вольфрама характеризуются еще и высокой коррозионной устойчивостью.

Металлоподобные карбиды получают непосредственным взаимодействием металлов или их оксидов с углеродом в электропечах при высокой температуре:

Карбиды состава M3C (где металл имеет небольшой радиус) термически и химически менее устойчивы, например, разлагаются разбавленными кислотами, выделяя смесь углеводородов с достаточно длинными цепями.

Ковалентные карбиды с атомной кристаллической решеткой – B4C и SiC – продукты частичного замещения атомов углерода в структуре алмаза на атомы бора или кремния. Карбид бора очень тверд, царапает алмаз, химически достаточно инертен. Карборунд по твердости близок к алмазу, но более хрупок, химически стоек и окисляется кислородом только при температуре свыше 1000ºС. При сплавлении со щелочью в присутствии кислорода карборунд разрушается с образованием карбоната и силиката. SiC растворяется только в смеси концентрированных плавиковой и азотной кислот, в царской водке.

Такие карбиды получают в электропечах при очень высокой температуре из смесей соответственно SiO2 или B2O3 с коксом, графитом или сажей.

Применение. Металлические карбиды придают сталям и чугунам твердость, износоустойчивость. Карбиды вольфрама и тантала используют для изготовления режущих инструментов и получения сверхтвердых сплавов. Карборунд используют как абразивный материал, как компонент огнеупорных материалов, в качестве стержней сопротивления в электронагревательных приборах.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Для студентов недели бывают четные, нечетные и зачетные. 9240 — Что такое карбиды металлов | 7358 — Что такое карбиды металлов или читать все.