Свойства и особенности карбидов металлов

В природе металлы активно вступают в химические реакции с кислотами, щелочами и атмосферным кислородом. В большинстве случаев для этого не требуется дополнительная обработка (химическая, термическая). При сильном нагреве металлы начинают активно вступать в реакцию с углеродом, что приводит к образованию сложных соединений под названием карбиды. Эти соединения отличаются рядом необычных свойств — высокая прочность, тугоплавкость, химическая инертность. Какие бывают карбиды металлов? Как эти соединения применяются в промышленности? Какие вещества получили наибольшее применение?

Краткие сведения

Карбиды — это химические соединения, которые состоят из углерода (C) и другого элемента. Обычно в качестве второго элемента выступают металлы — это может быть железо (Fe), титан (Ti), хром (Cr), гафний (Hf) и другие. В карбидных соединениях углерод более высокой электроотрицательностью (в сравнении со вторым элементом). Поэтому карбиды нельзя отнести к оксидам, галогенидам и другим химическим соединениям. Карбиды металлов — в основном твердые тугоплавкие вещества, которые отличаются очень высокой прочностью и почти не вступают в реакции с химически активными веществами.

Благодаря этим необычным свойствам карбиды часто применяют в качестве абразивов для обработки различных сплавов (это может быть чугун, сталь, соединения на основе алюминия). Из них делают электроды для сварки, огнеупорные стержни, элементы электрических систем. Первые карбиды на основе калия, железа и магния были открыты и получены совсем недавно — в XIX веке. Однако со временем были получены и новые карбидные соединения — на основе хрома, титана, гафния, вольфрама, кальция.

Физические свойства, особенности

Карбидные материалы обладают рядом характерных свойств, особенностей. Перечислим их:

1. Высокая твердость. Атомы углерода и металлов образуют твердую кристаллическую решётку, для разрушения которой потребуется большое механическое усилие. Поэтому с помощью ударов разрушить карбидные вещества будет крайне сложно. Благодаря высокой твердости материалы нашли широкое распространение в различных технических сферах (от военного машиностроения до строительства).
2. Высокая температура плавления. Плотная кристаллическая решетка обеспечивает устойчивость вещества при сильном нагреве или охлаждении. Средняя температура плавления карбидов находится в пределах от 1500 до 2000 градусов. Поэтому такой материал без проблем выдержит длительное воздействие экстремальных температур (скажем, его можно использовать в печах, металлургических ковшах для расплавления других материалов).
3. Устойчивость к химическим веществам и коррозии. Внешние электронные оболочки веществ-карбидов являются полностью заполненными. Поэтому такой материал будет редко вступать в химические реакции с другими веществами (он устойчив к воздействию кислот, щелочей, солей). Вещества не вступают в реакцию с водой и атмосферным кислородом, поэтому они не покрываются ржавчиной, что обеспечивает их высокий срок годности.
4. Повышенная износоустойчивость. Изделия на основе карбидов долгое время сохраняют свою форму даже в случае удара, деформации или воздействия высоких температур. Поэтому они обладают повышенной износоустойчивостью, что делает их срок годности большим. Благодаря повышенной устойчивости материал часто применяют для изготовления абразивных и шлифовальных изделий, которыми можно пользоваться в течение большого срока.

Стоит обратить внимание, что далеко не все карбидные соединения обладают перечисленными свойствами. Скажем, карбид золота (I) чрезвычайно взрывоопасен (тогда как большинство других карбидов металлов — нет). Он может взорваться даже в случае неаккуратного пересыпания вещества на бумажную поверхность. Поэтому при рассмотрении физических и химических свойства карбидов нужно по отдельности рассматривать каждое соединение, поскольку карбидные материалы могут обладать уникальными необычными свойствами.

Разновидности карбидов

Различают несколько разновидностей карбидов в зависимости от конфигурации кристаллической решетки. Тип решетки определяет ряд физико-химических свойства материала, что нужно учитывать при их применении. Рассмотрим основные разновидности кристаллических решеток карбидов:

• Материалы с ковалентной решеткой. Вещества с таким способом связи возможны только в том случае, если в качестве второго элемента выступает бром или кремний. На атомарном уровне соединение образуется за счет sp, sp-2 или sp-3 гибридизации. В веществе атомарный металл заменяет собой углерод, что позволяет формировать прочное устойчивое вещество, которое устойчиво к механическим ударам, высоким температурам, химическим веществам. С точки зрения электропроводности вещество является полупроводником (хотя использование карбидов в качестве полупроводниковых элементов невыгодно с практической точки зрения).
• Металлоподобные материалы. В эту группу входят соединения, у которых металлических элемент является железом, кобальтом, никелем либо относится к переходной группе (IV-VII). У таких карбидных соединений металлические атомы располагаются не на месте атомов углерода, а в различных пустотах кристаллических решеток (поэтому часто такие вещества называют карбидами внедрения). Такое необычное расположение делает вещество устойчивым, крепким, надежным, оно не будет разрушаться под воздействием высоких температур или при воздействии химически активных веществ (кислоты, щелочи, соли и другие).
• Материалы с ионной связью. В эту группу входит множество карбидов, у которых в качестве металлического элемента выступает алюминий, редкоземельные металлы либо элементы I или II группы периодической таблицы. По химической структуре вещества похожи на соединения с ковалентной решеткой с той лишь разницей, что здесь металлы обычно теряют один или несколько электронов на внешнем уровне, что приводит к образованию веществ-ионов. По химико-физическим свойствам ионные карбиды аналогичны стандартным соединениям — отличная прочность, высокая температура плавления. Единственное крупное отличие — вещества активно взаимодействуют с кислотами (обычно с образованием металла или подобных веществ).

Применение материалов

Карбиды металлов применяются производстве (в основном — в тяжелом). Перечислим основные варианты применения:

• Простые карбидные соединения на основе железа могут добавлять в металлический сплав (чугун, сталь, чистое железо), чтобы улучшить его физико-химические свойства. Дополнительные компоненты улучшают прочность, повышают химическую инертность, минимизируют риск коррозии под действием воды или атмосферного воздуха. Еще одно полезное свойство — увеличение температуры плавления, что удобно в случае изготовления тугоплавких запчастей или деталей.
• Карбиды на основе титана или вольфрама отличаются сверхвысокой прочностью, а плавятся они при сверхвысоких температурах. Поэтому из них делают режущие и абразивные инструменты, которые отличаются высоким сроком годности. Подобные соединения можно использовать в качестве огнеупорных материалов (скажем, при производстве печей), для изготовления сварочных стержней.
• Карбид кальция обладает необычным свойством — при контакте с водой происходит ряд химических реакций, что в конечном счете приводит к образованию ацетилена. Это вещество широко применяется для кислородной сварки, резки или напайки. Поэтому такое карбидное соединение может использоваться для изготовления соответствующих деталей (электроды для сварочных инструментов, напайка и другие). Ацетилен при горении выделяет большое количество тепла, поэтому к работам нужно подойти осторожно.

Основные металлические карбиды

На практике широко применяется множество карбидных соединений. Рассмотрим основные из них.

Карбид гафния

Встречается в виде только одного вещества — HfC. В нормальных условиях обладает кристаллической структурой, окрашено в серый цвет. плавится при температуре 3900 градусов — интересно, что его закипание происходит уже при температуре 4160 градусов. Поэтому к расплавлению нужно подходить аккуратно, чтобы не испарить его. При нагреве до 2000 градусов начинает взаимодействовать с металлами (молибден, вольфрам). Вещество не обладает полной химической инертностью — оно вступает в реакцию с кислотами (в азотной или серной кислоте оно способно полностью раствориться).

Карбиды хрома

Встречается в виде нескольких веществ; основные — Cr₂₃C₆, Cr₃C₂, Cr₇C₃. Отличаются высокой химической инертностью (хотя могут реагировать с цинком при сильном нагреве). Не вступают в контакт с водой, атмосферным воздухом, кислотами, щелочами, солями, другими карбидными соединениями. Температура плавления не слишком высокое — большинство соединений плавятся уже при температуре 1500-1700 градусов. У соединения Cr₇C₃ при нагреве до 800 градусов происходит ряд эндотермических реакций и превращений, что приводит к превращению вещества в Cr₂₃C₆.

Карбид титана

Встречается в виде одного стабильного соединения — TiC. При нормальных условиях обладает серым цветом с характерным металлическим блеском. Плавится при температуре 3100 градусов, кипит — при 4305 градусах. Обладает высокой устойчивостью, прочностью. Химическая инертность средняя — в нормальном состоянии может вступать в реакцию с кислотами и щелочами (хотя реакция идет слабо). При нагреве до 2500 градусов может вступать в реакцию с азотом (в том числе — атмосферным). При нагреве до 1200 градусов может окисляться и/или вступать в реакцию с углекислым газом.

Карбиды вольфрама

Встречается в виде двух устойчивых соединений — WC и W₂C. Оба карбида отличаются приблизительно одинаковыми химико-физическими свойствами. Вид — мелкий порошок серовато-черного цвета (со слабым металлическим блеском или без него). Вещества плавятся при температуре около 2720 градусов, однако при более низких температурах начинается их активных контакт с атмосферным воздухом, азотом или углекислым газом. Соединения легко растворяются в разогретых до температуре кипения серных и азотных кислотах.

Карбид кальция

Основное устойчивое соединение — CaC₂. Вид — крупные прозрачные кристаллы, которые могут обладать светло-голубым оттенком. При наличии примесей может окрашиваться в другие цвета — серый, желтый, коричневый, черный и другие (в зависимости от типа примеси и ее концентрации). Соединение плавится при температуре порядка 2500 градусов, однако при комнатной температуре оно активно вступает в реакцию с водой с активным выделением ацетилена. Поэтому вещество нуждается в особых безопасных способах хранения (ацетилен является токсичным для человека).

Карбид циркония

Основное соединение — ZrC. Стандартное состояние — небольшие кристаллы серого цвета, обладающие металлическим блеском. Температура плавления — 3530 градусов, однако при нагреве до 1200 градусов вещество начинает активно вступать в реакцию с атмосферным кислородом, что приводит к образованию оксидов. Вещество слабо реагирует с кислотами, щелочами и солями, однако может вступать в реакцию с атомизированным азотом в составе сложных веществ, что приводит к образованию нитритов. Поэтому вещество нуждается в особых способах хранения.

Заключение

Подведем итоги. Карбиды металлов — соединения, в состав которых входит углерод и какой-либо дополнительный металл. Это может быть железо, хром, цирконий, вольфрам и другие. Соединение может образовывать сложную прочную кристаллическую решетку (ковалентную, металлическую, ионную). Карбиды из-за особенностей своего строения отличаются высокой прочностью, устойчивостью к механической деформации, химической инертностью. Вещества обычно не вступают в реакцию с кислотами, щелочами, солями, атмосферными газами (кислород, азот, углекислый газ).

Из карбидов делают абразивные или шлифовальные инструменты, поскольку они не деформируются, не портятся со временем, могут деформировать другие прочные соединения. Из них делают электроды для сварочных инструментов, термоустойчивые стержни, элементы электрических инструментов. Некоторые виды карбидов могут проявлять необычные свойства. Скажем, карбид золота взрывается при легком контакте, а карбид кальция может вступать в реакцию с водой при комнатной температуре с образованием ацетилена.

Используемая литература и источники:

• Статья на Википедии
• Самсонов Г. В., Косолапова Т. Я., Домасевич Л. Т. Свойства, методы получения и области применения тугоплавких карбидов и сплавов на их основе. Киев, 1974
• Gusev A. I., Rempel A. A. Nanocrystalline Materials. — Cambridge: Cambridge International Science Publishing, 2004.
• Вальков Ф. А. Неорганическая химия, учебник для педагогических вузов. — М.: Государственное учебно-педагогическое издательство, 1963.