Карбид как химическое соединение¶

Карбид — химическое соединение углерода с менее электроотрицательными элементами, прежде всего с металлами и некоторыми неметаллами (кремнием, бором). В широком смысле к карбидам относят бинарные соединения углерода, в которых углерод формально имеет отрицательную степень окисления. Термин происходит от латинского carbo — «уголь». Карбиды играют ключевую роль в металлургии, химической промышленности, машиностроении и электротехнике; важнейшим из них по объёму производства остаётся карбид кальция.

¶Общая характеристика

Углерод образует соединения с большинством элементов периодической системы. В зависимости от положения элемента-партнёра меняются тип химической связи и свойства карбида. Соединения с активными металлами (кальцием, алюминием, натрием) представляют собой ионные или ковалентно-ионные кристаллы; с переходными металлами (вольфрамом, титаном, танталом) образуются металлоподобные фазы внедрения с высокой твёрдостью и тугоплавкостью; с кремнием и бором — ковалентные соединения с исключительной химической стойкостью.

Общая особенность большинства карбидов — высокая температура плавления и твёрдость, что связано с прочными связями углерод—элемент. Многие карбиды устойчивы к окислению при обычных условиях, но разлагаются водой или кислотами с выделением углеводородов.

¶Классификация

По типу химической связи и строению выделяют несколько групп.

Отдельно рассматривают карбиды, содержащиеся в чугунах и сталях: цементит Fe₃C и легированные карбиды (например, Cr₂₃C₆, VC) определяют прочность и износостойкость сплавов.

¶История изучения

Соединения углерода с металлами известны с древности: карбид железа в составе чугуна получали ещё в античности при восстановлении железных руд древесным углём. Карбид кальция впервые синтезирован в 1862 году немецким химиком Фридрихом Вёлером при нагревании сплава кальция с углём. Промышленное значение он приобрёл после разработки в 1892 году электродуговой печи для его получения, что дало толчок развитию карбидно-ацетиленовой технологии — основы сварки и освещения конца XIX — начала XX века.

Карбид кремния (карборунд) впервые получен американским изобретателем Эдвардом Ачесоном в 1891 году при попытке синтеза алмаза; он быстро стал важнейшим абразивным материалом. Карбид вольфрама, синтезированный в конце XIX века, с 1920-х годов применяется в производстве твёрдых сплавов для режущего инструмента.

¶Получение

Основные способы получения карбидов:

• Взаимодействие оксидов с углеродом при высокой температуре в электропечах: CaO + 3C → CaC₂ + CO. Так получают карбид кальция.
• Прямой синтез из элементов при нагревании порошков металла и сажи: Ti + C → TiC.
• Восстановление галогенидов углеродом или водородом.
• Карботермическое восстановление в дуговых и индукционных печах при температурах 1500–2500 °C.

Карбид кальция выпускают в виде серо-коричневых кусков; карбиды тугоплавких металлов — в виде порошков, из которых затем спекают изделия.

¶Применение

Карбид кальция — крупнотоннажный продукт. При его реакции с водой образуется ацетилен, используемый для газовой сварки и резки металлов, синтеза органических веществ (уксусной кислоты, синтетического каучука, растворителей). В СССР и России карбидно-ацетиленовые генераторы долго оставались основным источником ацетилена на стройках и в мастерских.

Карбид кремния применяется как абразив, огнеупор, полупроводниковый материал для силовой электроники (диоды Шоттки, транзисторы), а также в качестве нагревателей высокотемпературных печей.

Карбид вольфрама — основа твёрдых сплавов (победит, ВК-группа), из которых делают резцы, свёрла, буровые коронки, штампы. Карбид титана и тантала входят в состав жаропрочных и износостойких сплавов, используются в авиастроении и атомной технике. Карбид бора благодаря низкой плотности и высокой твёрдости служит для бронезащиты и ядерных поглотителей.

¶Карбиды в металлургии

В сталях и чугунах углерод присутствует главным образом в виде карбидов. Цементит Fe₃C — метастабильная фаза, от количества и формы выделений которой зависят твёрдость и хрупкость сплава. Легирующие элементы (хром, ванадий, молибден, вольфрам) образуют собственные карбиды, повышающие красностойкость и износостойкость инструментальных сталей. Термическая обработка — закалка, отпуск, отжиг — управляет карбидообразованием, что лежит в основе металловедения.

¶Техника безопасности

Карбид кальция при контакте с водой выделяет взрывоопасный ацетилен, поэтому его хранят в герметичной таре и вскрывают в проветриваемых помещениях. Пыль карбидов кремния и бора раздражает дыхательные пути; при работе с порошками тугоплавких карбидов применяют респираторы. Ацетилен в смеси с воздухом образует взрывчатые концентрации, что требует соблюдения правил при газосварочных работах.

¶Значение

Карбиды — обширный класс соединений, объединяющий солеобразные, ковалентные и металлоподобные вещества. Они обеспечивают работу металлургии, машиностроения, электроники и химического синтеза. Развитие карбидных материалов связано с созданием новых твёрдых сплавов, керамики и полупроводниковых приборов, способных работать при высоких температурах и нагрузках.

Источники: учебники по неорганической химии, металловедению и материаловедению; энциклопедические справочники по химии и технике.