Войти
Структура решетки карбида титана.В химии, a карбид обычно описывает соединение, состоящее из углерода и металла. В металлургии, карбидирование или науглероживание - это процесс получения карбидного покрытия на металлической детали.
Концевые фрезы из карбида вольфрама Карбиды групп 4, 5 и 6 переходные металлы (за исключением хрома) часто описываются как межузельные соединения. Эти карбиды обладают металлическими свойствами и тугоплавкими. Некоторые из них демонстрируют диапазон стехиометрии, представляя 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.
Долгое время считалось, что атомы углерода входят в состав октаэдрические промежутки в плотноупакованной решетке металла, когда радиус атома металла больше, чем приблизительно 135 пм:
В следующей таблице показаны фактические структуры металлов и их карбидов. (Обратите внимание: объемно-центрированная кубическая структура, принятая для ванадия, ниобия, тантала, хрома, молибдена и вольфрама, не является решеткой с плотной упаковкой.) Обозначение «h / 2» относится к структуре типа M 2 C описанный выше, который является лишь приблизительным описанием реальных конструкций. 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.
| Металл | Структура чистого металла | Металлический. радиус (мкм) | MC. упаковка атомов металла | Структура MC | M2C. упаковка атомов металла | M2структура C | Другие карбиды |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| титан | hcp | 147 | ccp | каменная соль | |||
| цирконий | hcp | 160 | ccp | каменная соль | |||
| гафний | hcp | 159 | ccp | каменная соль | |||
| ванадий | bcc | 134 | ccp | каменная соль | hcp | h / 2 | V4C3 |
| ниобий | bcc | 146 | ccp | каменная соль | hcp | h / 2 | Nb4C3 |
| тантал | bcc | 146 | ccp | каменная соль | hcp | h / 2 | Ta4C3 |
| хром | bcc | 128 | Cr23C6, Cr 3C,. Cr7C3, Cr 3C2 | ||||
| молибден | bcc | 139 | гексагональный | hcp | h / 2 | Mo3C2 | |
| вольфрам | bcc | 139 | шестиугольный | hcp | h / 2 |
Долгое время не -стехиометрические фазы считались неупорядоченными со случайным заполнением промежутков Однако было обнаружено упорядочение на короткие и длинные расстояния.
Железо образует ряд карбидов, Fe 3 C, Fe 7C3и Fe 2 C. Наиболее известным является цементит, Fe 3 C, который присутствует 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 химически активными солеподобными карбидами.
Некоторые металлы, такие как свинец и олово, как полагают, не образуют карбиды при любых обстоятельствах. Однако существует смешанный карбид титана и олова, который является двумерным проводником.
Карбиды в целом можно классифицировать по типу химической связи следующим образом: (i) солеподобные (ионные), (ii) ковалентные соединения, (iii) межузельные соединения и (iv) «промежуточные» карбиды переходных металлов. Примеры включают карбид кальция (CaC 2), карбид кремния (SiC), карбид вольфрама (WC; часто называют просто карбидом применительно к машинному оборудованию) и цементит (Fe 3 C), каждый из которых используется в ключевых промышленных применениях. Название ионных карбидов не носит систематического характера.
Солеподобные карбиды состоят из очень электроположительных элементов, таких как щелочные металлы, щелочноземельные металлы и металлы 3 группы, включая скандий, иттрий и лантан. Алюминий из группы 13 образует карбиды, а галлий, индий и таллий - нет. Эти материалы имеют изолированные углеродные центры, часто обозначаемые как «С», в метанидах или метидах; двухатомные звенья "C. 2" в ацетилидах ; и трехатомные звенья "C235>" в аллилидах. Соединение с интеркаляцией графита KC 8, полученное из паров калия и графита, и производные щелочного металла C 60 обычно не классифицируются как карбиды.
Метаниды - это подгруппа карбидов, отличающихся своей склонностью к разложению в воде с образованием метана. Тремя примерами являются карбид алюминия Al. 4C. 3, Mg. 2C и карбид бериллия Be. 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 карбида титана гидролизуются с образованием метана в течение 5 минут в условиях окружающей среды, после чего происходит насыщение реакции.
Обратите внимание, что метанид в этом контексте - банальное историческое название. Согласно правилам систематического наименования ИЮПАК такое соединение, как NaCH 3, будет называться «метанидом», хотя это соединение часто называют метилнатрием.
Карбид кальция.Предполагается, что несколько карбидов являются солями ацетилид-аниона C2(также называемого перкарбидом), который имеет тройную связь между двумя атомами углерода. Щелочные металлы, щелочноземельные металлы и лантаноиды образуют ацетилиды, например карбид натрия Na 2C2, карбид кальция CaC 2 и LaC 2. Лантаноиды также образуют карбиды (сесквикарбиды, см. Ниже) с формулой M 2C3. Металлы из группы 11 также имеют тенденцию к образованию ацетилидов, таких как ацетилид меди (I) и ацетилид серебра. Карбиды актинидных элементов, которые имеют стехиометрию MC 2 и M 2C3, также описываются как солеподобные производные C. 2.
Длина тройной связи CC составляет от 119,2. pm в CaC 2 (аналогично этину), до 130,3 мкм в LaC 2 и 134 мкм в UC2. Связывание в LaC 2 было описано в терминах La с дополнительным электроном, делокализованным на разрыхляющую орбиталь на C. 2, что объясняет металлическую проводимость.
Многоатомный ион C. 3, иногда называемый аллилидом, встречается в Li 4C3и Mg 2C3. Ион является линейным и изоэлектронным с CO 2. Расстояние C-C в Mg 2C3составляет 133,2 пм. Mg 2C3дает метилацетилен, CH 3 CCH и пропадиен, CH 2 CCH 2, на гидролиз, который был первым признаком того, что он содержит C. 3.
Карбиды кремния и бора описаны как «ковалентные карбиды», хотя практически все соединения углерода демонстрируют некоторые ковалентный характер. Карбид кремния имеет две похожие кристаллические формы, обе связаны со структурой алмаза. Карбид бора, B 4 C, с другой стороны, имеет необычную структура, которая включает икосаэдрические звенья бора, связанные атомами углерода. В этом отношении карбид бора аналогичен богатым бором боридам. И карбид кремния (также известный как карборунд), и карбид бора являются очень твердыми материалами тугоплавкими. Оба материала важны в промышленном отношении. Бор также образует другие ковалентные карбиды, например В 25 С.
Комплекс [Au 6 C (PPh 3)6], содержащий ядро углерод-золото. Комплексы металлов, содержащие C, известны как карбидокомплексы металлов. Наиболее распространены октаэдрические кластеры с углеродным центром, такие как [Au 6 C (PPh 3)6] и [Fe 6 C (CO) 6 ]. Подобные разновидности известны для карбонилов металлов и ранних галогенидов металлов. Было выделено несколько концевых карбидов, например [CRuCl 2 {P (C 6H11)3}2].
Металлокарбоэдрины (или «меткарбоны») представляют собой стабильные кластеры с общей формулой M. 8C. 12, где M - переходный металл (Ti, Zr, V и т. Д.).
Помимо карбидов существуют другие группы родственных углеродных соединений:
