Карбид
В химии карбид состоящее обычно описывает соединение, из углерода и металла. В металлургии карбидирование — это или науглероживание процесс получения карбидного покрытия на металлической детали. [1]
Межузельные/карбиды металлов
[ редактировать ]
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]
- Когда атомы металла имеют кубическую плотную упаковку (ccp), то заполнение всех октаэдрических пустот углеродом обеспечивает стехиометрию 1:1 со структурой каменной соли. [4]
- Когда атомы металла имеют гексагональную плотную упаковку (ГПУ), поскольку октаэдрические промежутки лежат прямо напротив друг друга по обе стороны от слоя атомов металла, заполнение только одного из них углеродом обеспечивает стехиометрию 2: 1 со CdI 2. структурой . [4]
Следующая таблица [2] [3] показывает структуры металлов и их карбидов. (Обратите внимание: 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 пустоты плотноупакованной металлической решетки.
| Металл | Структура чистого металла | Металлик радиус (пм) | МК упаковка атомов металла | Структура МК | М 2 С упаковка атомов металла | М 2 Структура С | Другие карбиды |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| титан | ГЦП | 147 | КПК | каменная соль | |||
| цирконий | ГЦП | 160 | КПК | каменная соль | |||
| гафний | ГЦП | 159 | КПК | каменная соль | |||
| ванадий | СК | 134 | КПК | каменная соль | ГЦП | ч/2 | В 4 С 3 |
| ниобий | СК | 146 | КПК | каменная соль | ГЦП | ч/2 | Нб 4 С 3 |
| тантал | СК | 146 | КПК | каменная соль | ГЦП | ч/2 | Та 4 С 3 |
| хром | СК | 128 | Кр 23 С 6 , Кр 3 С, Кр 7 С 3 , Кр 3 С 2 | ||||
| молибден | СК | 139 | шестиугольный | ГЦП | ч/2 | Mo3CМо3С2 | |
| вольфрам | СК | 139 | шестиугольный | ГЦП | ч/2 |
Долгое время считалось, что нестехиометрические фазы разупорядочены со случайным заполнением междоузлий, однако было обнаружено ближнее и дальнее упорядочение. [5]
Железо образует ряд карбидов, Фе 3 С , Fe 7 C 3 и Фе 2 С. 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]
некоторые металлы, такие как свинец и олово , ни при каких обстоятельствах не образуют карбидов. Считается, что [6] Однако существует смешанный карбид титана и олова, который является двумерным проводником. [7]
Химическая классификация карбидов
[ редактировать ]Карбиды можно классифицировать по типу химической связи следующим образом:
- солеподобные (ионные),
- ковалентные соединения ,
- межузельные соединения и
- «промежуточные» карбиды переходных металлов .
Примеры включают карбид кальция (CaC 2 ), карбид кремния (SiC), карбид вольфрама часто называемый просто карбидом (WC; применительно к станкам ) и цементит (Fe 3 C), [2] каждый из которых используется в ключевых промышленных приложениях. Наименование ионных карбидов не носит систематического характера.
Солеподобные/солевые/ионные карбиды
[ редактировать ]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 имеют изолированные углеродные центры, часто называемые «C». 4− ", в метанидах или метидах; двухатомные единицы, " C 2- 2 ", в ацетилидах ; и трехатомные единицы," C 4− 3 ", в аллилидах. [2] Интеркаляционное соединение графита КС 8 , полученное из паров калия и графита, и производные щелочных металлов С 60 обычно не относят к карбидам. [8]
Метаниды
[ редактировать ]Метаниды представляют собой разновидность карбидов, отличающуюся своей склонностью к разложению в воде с образованием метана . Три примера: карбид алюминия. Al 4 C 3 , карбид магния Мг 2 С [9] и карбид бериллия Будь 2 С.
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] См. Метильную группу # Метил-анион для получения дополнительной информации о СН - 3 анион.
Ацетилиды/этиниды
[ редактировать ]
Предполагается, что некоторые карбиды представляют собой соли ацетилид-аниона. C 2− 2 (также называемый перкарбидом по аналогии с пероксидом ), имеющий 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 С 2- 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 описывается с помощью La III с дополнительным электроном, делокализованным на разрыхляющую орбиталь на C 2− 2 , объясняющий металлическую проводимость. [2]
Аллилиды
[ редактировать ]Многоатомный ион C 4− 3 , иногда называемый аллилидом , содержится в Li 4 C 3 и Мг 2 С 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 С 4−3 .
Ковалентные карбиды
[ редактировать ]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 С другой стороны, C 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 материалами ), и карбид бора являются очень твердыми и тугоплавкими . Оба материала имеют промышленное значение. Бор образует также другие ковалентные карбиды, например B 25 C.
Молекулярные карбиды
[ редактировать ]
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 терминальных карбидов, таких как [CRuCl 2 {P(C 6 H 11 ) 3 } 2 ] .
Металлокарбогедрины (или «мет-кары») представляют собой стабильные кластеры с общей формулой М 8 С 12 где М – переходный металл (Ti, Zr, V и др.).
Похожие материалы
[ редактировать ]Помимо карбидов существуют и другие группы родственных углеродных соединений: [2]
- интеркаляционные соединения графита
- щелочных металлов Фуллериды
- эндоэдральные фуллерены , где атом металла инкапсулирован внутри молекулы фуллерена.
- металлокарбоэдрены (мет-кары), которые представляют собой кластерные соединения, содержащие звенья С 2 .
- настраиваемый нанопористый углерод , при котором газовое хлорирование карбидов металлов удаляет молекулы металлов с образованием высокопористого, почти чистого углеродного материала, способного хранить энергию с высокой плотностью.
- Карбеновые комплексы переходных металлов .
- двумерные карбиды переходных металлов: MXenes
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Арт, Хельмут; 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 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1984). Химия элементов . Оксфорд: Пергамон Пресс . стр. 318–22. ISBN 978-0-08-022057-4 .
- ^ Перейти обратно: а б 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 .
- ^ Перейти обратно: а б 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 .
- ^ 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 .
- ^ Джон Перси (1870). Металлургия свинца, включая десиверизацию и купелирование . Лондон: Дж. Мюррей. п. 67 . Проверено 6 апреля 2013 г.
- ^ Ю.К. 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 .
- ^ Шрайвер и Аткинс - Неорганическая химия
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Вайс, Эрвин; Корбелен, Зигфрид; Кокрофт, Джереми Карл; Фитч, Эндрю Николас (1990). «Об алкильных и арильных соединениях металлов, 44 представление и структура метилового натрия. Определение структуры порошков NaCD3 при 1,5 и 300 К методами дифракции нейтронов и синхротронного пучка». Химические отчеты . 123 (8): 1629–1634. дои : 10.1002/cber.19901230807 . ISSN 0009-2940 .
- ^ Фьельваг Х.; Павел К. (1992). «Кристаллическая структура сесквикарбида магния». Неорг. Хим . 31 (15): 3260. doi : 10.1021/ic00041a018 .
