მსოფლიოში ცნობილია მრავალი განსხვავებული ქიმიური ნაერთი: დაახლოებით ასეულობით მილიონი. და ყველა მათგანი, ისევე როგორც ადამიანები, ინდივიდუალურია. შეუძლებელია ორი ნივთიერების პოვნა, რომლებსაც ექნებათ იგივე ქიმიური და ფიზიკური თვისებები განსხვავებული შემადგენლობით.
მსოფლიოში ერთ-ერთი ყველაზე საინტერესო არაორგანული ნივთიერებაა კარბიდები. ამ სტატიაში განვიხილავთ მათ სტრუქტურას, ფიზიკურ და ქიმიურ თვისებებს, აპლიკაციებს და გავაანალიზებთ მათი წარმოების სირთულეებს. მაგრამ ჯერ ცოტა რამ აღმოჩენის ისტორიის შესახებ.
ისტორია
მეტალის კარბიდები, რომელთა ფორმულებს ქვემოთ მივცემთ, არ არის ბუნებრივი ნაერთები. ეს გამოწვეულია იმით, რომ მათი მოლეკულები წყალთან ურთიერთობისას იშლება. ამიტომ, აქ ღირს კარბიდების სინთეზის პირველ მცდელობებზე საუბარი.
1849 წლიდან არის ცნობები სილიციუმის კარბიდის სინთეზზე, მაგრამ ზოგიერთი ამ მცდელობა რჩება ამოუცნობი. ფართომასშტაბიანი წარმოება დაიწყო 1893 წელს ამერიკელმა ქიმიკოსმა ედუარდ აჩესონმა პროცესით, რომელიც მოგვიანებით მისი სახელი დაარქვეს.
კალციუმის კარბიდის სინთეზის ისტორია ასევე არ განსხვავდება დიდი რაოდენობით ინფორმაციის მიხედვით. 1862 წელს გერმანელმა ქიმიკოსმა ფრიდრიხ ვოლერმა იგი მიიღო თუთიისა და კალციუმის შენადნობი ნახშირით გაცხელებით.
ახლა გადავიდეთ უფრო საინტერესო მონაკვეთებზე: ქიმიური დაფიზიკური თვისებები. ყოველივე ამის შემდეგ, სწორედ მათში მდგომარეობს ამ კლასის ნივთიერებების გამოყენების მთელი არსი.
ფიზიკური თვისებები
აბსოლუტურად ყველა კარბიდი გამოირჩევა სიმტკიცით. მაგალითად, მოჰსის მასშტაბის ერთ-ერთი უმძიმესი ნივთიერება არის ვოლფრამის კარბიდი (9 შესაძლო 10 ქულა). გარდა ამისა, ეს ნივთიერებები ძალიან ცეცხლგამძლეა: ზოგიერთი მათგანის დნობის წერტილი ორ ათას გრადუსს აღწევს.
კარბიდების უმეტესობა ქიმიურად ინერტულია და ურთიერთქმედებს მცირე რაოდენობით ნივთიერებებთან. ისინი არ იხსნება ნებისმიერ გამხსნელებში. თუმცა, დაშლა შეიძლება ჩაითვალოს წყალთან ურთიერთქმედებით ბმების განადგურებით და ლითონის ჰიდროქსიდისა და ნახშირწყალბადების წარმოქმნით.
ჩვენ ვისაუბრებთ ბოლო რეაქციაზე და ბევრ სხვა საინტერესო ქიმიურ ტრანსფორმაციაზე, რომელიც მოიცავს კარბიდებს შემდეგ ნაწილში.
ქიმიური თვისებები
თითქმის ყველა კარბიდი ურთიერთქმედებს წყალთან. ზოგი - ადვილად და გაცხელების გარეშე (მაგალითად, კალციუმის კარბიდი), ზოგი კი (მაგალითად, სილიციუმის კარბიდი) - წყლის ორთქლის 1800 გრადუსამდე გაცხელებით. რეაქტიულობა ამ შემთხვევაში დამოკიდებულია ნაერთში ბმის ბუნებაზე, რაზეც მოგვიანებით განვიხილავთ. წყალთან რეაქციაში წარმოიქმნება სხვადასხვა ნახშირწყალბადები. ეს იმიტომ ხდება, რომ წყალში შემავალი წყალბადი ერწყმის კარბიდში არსებულ ნახშირბადს. შესაძლებელია იმის გაგება, თუ რომელი ნახშირწყალბადი გამოვა (და შეიძლება აღმოჩნდეს როგორც გაჯერებული, ასევე უჯერი ნაერთები) თავდაპირველ ნივთიერებაში შემავალი ნახშირბადის ვალენტობის საფუძველზე. მაგალითად, თუ თქვენჩვენ გვაქვს კალციუმის კარბიდი, რომლის ფორმულა არის CaC2, ჩვენ ვხედავთ, რომ ის შეიცავს იონ C22-. ეს ნიშნავს, რომ მასზე შეიძლება მიმაგრდეს წყალბადის ორი იონი + მუხტით. ამრიგად, მივიღებთ ნაერთს C2H2 - აცეტილენი. ანალოგიურად, ისეთი ნაერთისგან, როგორიცაა ალუმინის კარბიდი, რომლის ფორმულა არის Al4C3, ვიღებთ CH 4. რატომ არა C3H12, გეკითხებით? ბოლოს და ბოლოს, იონს აქვს მუხტი 12-. ფაქტია, რომ წყალბადის ატომების მაქსიმალური რაოდენობა განისაზღვრება ფორმულით 2n + 2, სადაც n არის ნახშირბადის ატომების რაოდენობა. ეს ნიშნავს, რომ მხოლოდ ნაერთის ფორმულით C3H8 (პროპანი) შეიძლება არსებობდეს და 12-იანი მუხტის მქონე იონი იშლება სამად. იონები მუხტით 4-, რომლებიც წარმოქმნიან მეთანის მოლეკულებს პროტონებთან შერწყმისას.
საინტერესოა
კარბიდების ჟანგვის რეაქციები. ისინი შეიძლება მოხდეს როგორც ჟანგვის აგენტების ძლიერი ნარევების ზემოქმედებისას, ასევე ჟანგბადის ატმოსფეროში ჩვეულებრივი წვის დროს. თუ ჟანგბადით ყველაფერი ნათელია: მიიღება ორი ოქსიდი, მაშინ სხვა ჟანგვის აგენტებთან ერთად ეს უფრო საინტერესოა. ეს ყველაფერი დამოკიდებულია ლითონის ბუნებაზე, რომელიც არის კარბიდის ნაწილი, ასევე ჟანგვის აგენტის ბუნებაზე. მაგალითად, სილიციუმის კარბიდი, რომლის ფორმულა არის SiC, აზოტისა და ჰიდროფლორის მჟავების ნარევთან ურთიერთქმედებისას წარმოქმნის ჰექსაფტოროსილიციუმის მჟავას ნახშირორჟანგის გამოყოფით. ხოლო იგივე რეაქციის განხორციელებისას, მაგრამ მხოლოდ აზოტის მჟავით, ვიღებთ სილიციუმის ოქსიდს და ნახშირორჟანგს. ჰალოგენები და ქალკოგენები ასევე შეიძლება მოიხსენიებოდეს როგორც ჟანგვის აგენტები. ნებისმიერი კარბიდი ურთიერთქმედებს მათთან, რეაქციის ფორმულა დამოკიდებულია მხოლოდ მის სტრუქტურაზე.
მეტალის კარბიდები, რომელთა ფორმულები ჩვენ განვიხილეთ, შორს არიან ამ კლასის ნაერთების ერთადერთი წარმომადგენლებისგან. ახლა ჩვენ უფრო დეტალურად განვიხილავთ ამ კლასის ინდუსტრიულად მნიშვნელოვან ნაერთებს და შემდეგ ვისაუბრებთ მათ გამოყენებაზე ჩვენს ცხოვრებაში.
რა არის კარბიდები?
გამოდის, რომ კარბიდი, რომლის ფორმულა, ვთქვათ, CaC2, მნიშვნელოვნად განსხვავდება სტრუქტურით SiC-ისგან. და განსხვავება, პირველ რიგში, ატომებს შორის კავშირის ბუნებაშია. პირველ შემთხვევაში საქმე გვაქვს მარილის მსგავს კარბიდთან. ნაერთების ამ კლასს ასე ეწოდა, რადგან ის რეალურად იქცევა მარილის მსგავსად, ანუ მას შეუძლია იონებად დაშლა. ასეთი იონური ბმა ძალიან სუსტია, რაც აადვილებს ჰიდროლიზის რეაქციის და მრავალი სხვა გარდაქმნების განხორციელებას, მათ შორის იონებს შორის ურთიერთქმედების ჩათვლით.
კარბიდის კიდევ ერთი, ალბათ უფრო ინდუსტრიულად მნიშვნელოვანი ტიპია კოვალენტური კარბიდი, როგორიცაა SiC ან WC. ისინი გამოირჩევიან მაღალი სიმკვრივით და სიმტკიცით. ასევე ცეცხლგამძლე და ინერტული ქიმიკატების განზავებისთვის.
არსებობს აგრეთვე ლითონის მსგავსი კარბიდები. ისინი უფრო მეტად შეიძლება ჩაითვალოს ლითონების შენადნობად ნახშირბადთან ერთად. მათ შორის შეიძლება განვასხვავოთ, მაგალითად, ცემენტიტი (რკინის კარბიდი, რომლის ფორმულა იცვლება, მაგრამ საშუალოდ დაახლოებით შემდეგია: Fe3C) ან თუჯის. მათ აქვთ შუალედური ქიმიური აქტივობა იონურ და კოვალენტურ კარბიდებს შორის.
ქიმიური ნაერთების კლასის თითოეულ ამ ქვესახეობას აქვს თავისი პრაქტიკული გამოყენება. როგორ და სად უნდა მიმართოთთითოეულ მათგანზე ვისაუბრებთ შემდეგ ნაწილში.
კარბიდების პრაქტიკული გამოყენება
როგორც უკვე განვიხილეთ, კოვალენტურ კარბიდებს აქვთ პრაქტიკული გამოყენების ყველაზე ფართო სპექტრი. ეს არის აბრაზიული და საჭრელი მასალები და კომპოზიტური მასალები, რომლებიც გამოიყენება სხვადასხვა სფეროში (მაგალითად, როგორც ერთ-ერთი მასალა, რომელიც აყალიბებს ჯავშანს), ასევე ავტო ნაწილები, ელექტრონული მოწყობილობები, გათბობის ელემენტები და ბირთვული ენერგია. და ეს არ არის აპლიკაციების სრული სია ამ სუპერმყარი კარბიდებისთვის.
მარილის შემქმნელ კარბიდებს აქვთ ყველაზე ვიწრო გამოყენება. მათი რეაქცია წყალთან გამოიყენება როგორც ლაბორატორიული მეთოდი ნახშირწყალბადების წარმოებისთვის. ჩვენ უკვე განვიხილეთ, თუ როგორ ხდება ეს ზემოთ.
კოვალენტურ, მეტალის მსგავს კარბიდებთან ერთად, ყველაზე ფართო გამოყენება აქვთ ინდუსტრიაში. როგორც უკვე ვთქვით, ნაერთების ასეთი ლითონის მსგავსი ტიპია, რომელსაც ჩვენ განვიხილავთ, არის ფოლადები, თუჯები და სხვა მეტალის ნაერთები, რომლებიც გადაკვეთილია ნახშირბადით. როგორც წესი, ასეთ ნივთიერებებში ნაპოვნი ლითონი მიეკუთვნება d-მეტალების კლასს. ამიტომაც იგი მიდრეკილია შექმნას არა კოვალენტური ბმები, არამედ, თითქოსდა, შევიდეს ლითონის სტრუქტურაში.
ჩვენი აზრით, ზემოხსენებულ ნაერთებს საკმარისზე მეტი პრაქტიკული გამოყენება აქვთ. ახლა მოდით შევხედოთ მათი მოპოვების პროცესს.
კარბიდების წარმოება
კარბიდების პირველი ორი ტიპი, რომლებიც ჩვენ გამოვიკვლიეთ, კერძოდ, კოვალენტური და მარილის მსგავსი, ყველაზე ხშირად მიიღება ერთი მარტივი გზით: ელემენტის ოქსიდის და კოქსის რეაქციით მაღალ ტემპერატურაზე. ამავე დროს, ნაწილიკოქსი, რომელიც შედგება ნახშირბადისგან, აერთიანებს ოქსიდის შემადგენლობის ელემენტის ატომს და ქმნის კარბიდს. მეორე ნაწილი "იღებს" ჟანგბადს და წარმოქმნის ნახშირბადის მონოქსიდს. ეს მეთოდი ძალზე შრომატევადია, რადგან ის მოითხოვს რეაქციის ზონაში მაღალი ტემპერატურის (დაახლოებით 1600-2500 გრადუსი) შენარჩუნებას.
ალტერნატიული რეაქციები გამოიყენება გარკვეული ტიპის ნაერთების მისაღებად. მაგალითად, ნაერთის დაშლა, რომელიც საბოლოოდ იძლევა კარბიდს. რეაქციის ფორმულა დამოკიდებულია კონკრეტულ ნაერთზე, ამიტომ ჩვენ არ განვიხილავთ მას.
სანამ ჩვენს სტატიას დავასრულებთ, მოდით განვიხილოთ რამდენიმე საინტერესო კარბიდი და ვისაუბროთ მათზე უფრო დეტალურად.
საინტერესო კავშირები
ნატრიუმის კარბიდი. ამ ნაერთის ფორმულა არის C2Na2. ეს შეიძლება ჩაითვალოს უფრო აცეტილენიდად (ანუ აცეტილენში წყალბადის ატომების ნატრიუმის ატომებით ჩანაცვლების პროდუქტი), ვიდრე კარბიდი. ქიმიური ფორმულა სრულად არ ასახავს ამ დახვეწილობას, ამიტომ ისინი უნდა ვეძებოთ სტრუქტურაში. ეს არის ძალიან აქტიური ნივთიერება და წყალთან ნებისმიერი შეხებისას ძალიან აქტიურად ურთიერთქმედებს მასთან აცეტილენისა და ტუტეების წარმოქმნით.
მაგნიუმის კარბიდი. ფორმულა: MgC2. საინტერესოა ამ საკმარისად აქტიური ნაერთის მიღების მეთოდები. ერთ-ერთი მათგანი გულისხმობს მაგნიუმის ფტორიდის შედუღებას კალციუმის კარბიდთან მაღალ ტემპერატურაზე. ამის შედეგად მიიღება ორი პროდუქტი: კალციუმის ფტორიდი და ჩვენთვის საჭირო კარბიდი. ამ რეაქციის ფორმულა საკმაოდ მარტივია და სურვილის შემთხვევაში შეგიძლიათ წაიკითხოთ იგი სპეციალიზებულ ლიტერატურაში.
თუ არ ხართ დარწმუნებული სტატიაში წარმოდგენილი მასალის სარგებლიანობაში, მაშინ შემდეგიგანყოფილება თქვენთვის.
როგორ შეიძლება იყოს ეს სასარგებლო ცხოვრებაში?
პირველ რიგში, ქიმიური ნაერთების ცოდნა არასოდეს შეიძლება იყოს ზედმეტი. ყოველთვის ჯობია იყო ცოდნით შეიარაღებული, ვიდრე მის გარეშე დარჩენა. მეორეც, რაც უფრო მეტი იცით გარკვეული ნაერთების არსებობის შესახებ, მით უკეთ გესმით მათი წარმოქმნის მექანიზმი და კანონები, რომლებიც მათ არსებობის საშუალებას აძლევს.
სანამ ბოლომდე გადავალ, მინდა რამდენიმე რეკომენდაცია მოგცეთ ამ მასალის შესწავლისთვის.
როგორ ვისწავლოთ?
ძალიან მარტივი. ეს მხოლოდ ქიმიის ფილიალია. და ქიმიის სახელმძღვანელოებში უნდა ისწავლებოდეს. დაიწყეთ სკოლის ინფორმაციით და გადადით უფრო ღრმა ინფორმაციაზე საუნივერსიტეტო სახელმძღვანელოებიდან და საცნობარო წიგნებიდან.
დასკვნა
ეს თემა არც ისე მარტივი და მოსაწყენია, როგორც ერთი შეხედვით ჩანს. ქიმია ყოველთვის შეიძლება იყოს საინტერესო, თუ მასში იპოვი შენს მიზანს.
