Карбид кальция и его применение¶

Карбид кальция — неорганическое бинарное соединение кальция и углерода с химической формулой CaC₂. При нормальных условиях представляет собой кристаллическое вещество серого, бурого или чёрного цвета с характерным чесночным запахом, обусловленным примесями фосфина и сероводорода. Относится к классу ацетиленидов — солей ацетилена. Ключевое свойство соединения — бурное взаимодействие с водой с выделением ацетилена, что определяет его промышленное значение.

¶Физические и химические свойства

Чистый карбид кальция — прозрачные кристаллы тетрагональной сингонии. Технический продукт непрозрачен из-за примесей. Плотность составляет около 2,22 г/см³, температура плавления — порядка 2300 °C. Вещество нерастворимо в органических растворителях, но разлагается водой и водяными парами.

Основная реакция:

CaC₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + C₂H₂↑

Реакция экзотермическая, протекает с выделением значительного количества тепла. Теоретический выход ацетилена — 372 л на 1 кг чистого карбида при нормальных условиях; технический продукт даёт 250–300 л/кг в зависимости от содержания примесей.

Примеси в техническом карбиде — фосфид кальция (Ca₃P₂) и сульфид кальция (CaS) — при гидролизе образуют фосфин (PH₃) и сероводород (H₂S), придающие газу неприятный запах и токсичность. Именно поэтому ацетилен, полученный из карбида, требует очистки.

¶История открытия и производства

Соединение впервые получено в 1862 году немецким химиком Фридрихом Вёлером при нагревании сплава кальция с углём. Промышленное значение карбид кальция приобрёл после разработки в 1892 году электродуговой печи для его синтеза (метод Т. Л. Вильсона и А. Муассана).

Сырьём служат негашёная известь (CaO) и кокс или антрацит. Процесс идёт в электродуговых печах при температуре 2000–2200 °C:

CaO + 3C → CaC₂ + CO

Расплавленный карбид выпускают из печи, охлаждают и дробят на куски. В России производство карбида кальция было организовано в начале XX века; крупные заводы работали в Кузбассе, на Урале и в Поволжье. В годы индустриализации карбид кальция стал базовым сырьём для получения ацетилена, использовавшегося в сварке и в синтезе органических веществ.

¶Получение ацетилена

Главное применение карбида кальция — производство ацетилена. Для этого используют специальные газогенераторы, в которых вещество реагирует с водой. Существуют две схемы:

«карбид в воду» — более безопасная, применяется в стационарных установках;
«вода на карбид» — используется в переносных генераторах.

Полученный ацетилен применяется для газовой сварки и резки металлов, в производстве синтетического каучука, уксусной кислоты, ацетальдегида, растворителей и фармацевтических препаратов. Ацетиленовая сварка широко использовалась в СССР и России при монтаже трубопроводов, металлоконструкций, в ремонтных работах.

¶Другие области применения

Помимо ацетилена, карбид кальция находит применение:

в металлургии — для десульфурации чугуна и стали, раскисления металла;
в химической промышленности — как исходное сырьё для синтеза цианамида кальция, из которого получают удобрения и цианистые соединения;
в сельском хозяйстве — для ускорения созревания плодов и как средство борьбы с грызунами (в прошлом);
в горном деле — в карбидных лампах шахтёров, где ацетилен давал яркое пламя;
для получения ацетиленовой сажи, используемой в производстве аккумуляторов и резины.

Карбидные лампы, появившиеся в конце XIX века, долгое время были основным источником света в шахтах и на железных дорогах. В России они использовались до середины XX века, а в некоторых отраслях — дольше.

¶Хранение и техника безопасности

Карбид кальция хранят в герметичной таре — металлических барабанах — в сухих, проветриваемых помещениях, изолированно от воды и влаги. При контакте с водой возможно самопроизвольное выделение ацетилена и его воспламенение. Ацетилен взрывоопасен при концентрации в воздухе от 2,5 до 80 % (по объёму), поэтому работы с карбидом требуют соблюдения правил пожарной безопасности.

Фосфин, образующийся из примесей, токсичен: предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны составляет 0,1 мг/м³. Поэтому ацетилен перед использованием очищают от примесей.

¶Современное состояние

Во второй половине XX века доля карбидного ацетилена в мировом производстве снизилась: значительную часть ацетилена стали получать пиролизом углеводородов — из природного газа и нефтяных фракций. Тем не менее карбидный метод сохраняет значение в регионах с дешёвой электроэнергией и известью, а также в малой механизации и ремонтных работах. В России карбид кальция выпускается рядом химических предприятий; продукт применяется в сварочном производстве, металлургии и органическом синтезе.

Мировое производство карбида кальция оценивается в несколько миллионов тонн в год; крупнейшие производители — Китай, Индия, страны Юго-Восточной Азии. В России объёмы выпуска значительно ниже и ориентированы в основном на внутренний рынок.

¶Интересные факты

Название «карбид» происходит от латинского carbo — «уголь».
В начале XX века карбид кальция использовался для «карбидных пушек» — самодельных устройств, где ацетилен взрывался от искры, создавая громкий хлопок.
Карбидные лампы давали свет ярче керосиновых и не гасли от ветра, что сделало их популярными у путешественников и спелеологов.
Реакция карбида с водой долгое время была основным лабораторным способом получения ацетилена.

Источники: Химическая энциклопедия, Большая российская энциклопедия, учебные пособия по неорганической и технической химии, отраслевые справочники по сварочному производству.