Карбид — неорганическое соединение углерода¶
Карбид — общее название бинарных соединений углерода с элементами, менее электроотрицательными, чем он сам (металлами, бором, кремнием, водородом). Термин происходит от латинского carbō — «уголь». Карбиды представляют собой твёрдые кристаллические вещества, чаще всего с высокой твёрдостью, высокой температурой плавления и выраженной химической инертностью. Наиболее известны карбиды кальция, кремния, вольфрама, титана, бора и железа.
¶Основные свойства
Карбиды характеризуются разнообразием типов химической связи — от ионной (карбиды щёлочноземельных и щелочных металлов) через ковалентную (карбиды кремния, бора) до металлической (карбиды переходных металлов). Это определяет их физические свойства:
- Твёрдость: карбид вольфрама (WC) имеет твёрдость около 9 по шкале Мооса, карбид кремния (SiC) — около 9,2–9,5.
- Температура плавления: у карбида титана (TiC) — около 3160 °C, у карбида вольфрама — около 2870 °C.
- Химическая стойкость: большинство карбидов устойчивы к кислотам и окислению при повышенных температурах.
¶Классификация
По типу связи карбиды делят на три группы:
- Ионные карбиды — образуются с щелочными и щёлочноземельными металлами. Примеры: карбид кальция CaC₂, карбид алюминия Al₄C₃, карбид бериллия Be₂C. Реагируют с водой с выделением углеводородов.
- Ковалентные карбиды — карбиды кремния SiC, бора B₄C и титана TiC. Обладают экстремальной твёрдостью, применяются как абразивы и конструкционные материалы.
- Металлические карбиды — образуются переходными металлами (Fe, W, Mo, V, Cr). Пример: цементит Fe₃C — основной карбид в структуре стали.
¶Наиболее распространённые карбиды
¶Карбид кальция (CaC₂)
Синтезируется прокаливанием смеси извести и кокса при температуре 2000–2200 °C в электропечях. При взаимодействии с водой образует ацетилен C₂H₂, что делает его важным сырьём в химической промышленности. Карбид кальция также применяется в металлургии для десульфурации чугуна и в сельском хозяйстве для осушения почв.
¶Карбид кремния (SiC, карборунд)
Получается по реакции SiO₂ + 3C → SiC + 2CO при 1500–2500 °C. Применяется как абразив, огнеупорный материал, а также в полупроводниковой электронике (SiC-транзисторы для высоковольтных схем). Твёрдость карбида кремния уступает только алмазу и бориду углерода.
¶Карбид вольфрама (WC)
Основа твёрдых сплавов (ВК, ТК, ТТК), применяемых для изготовления режущего инструмента, буровых коронок и износостойких деталей. Получается карбонизацией вольфрама при 1000–1400 °C. По твёрдости и износостойкости значительно превосходит инструментальные стали.
¶Карбид бора (B₄C)
Один из трёх самых твёрдых известных материалов (после алмаза и нитрида углерода). Используется в бронежилетах, абразивных материалах, в нейтронопоглощающих стержнях ядерных реакторов.
¶Карбид титана (TiC)
Применяется в составе многосоставных покрытий (например, TiCN) для режущего инструмента, а также как компонент керметов.
¶Цементит (Fe₃C)
Метастабильный карбид железа, входящий в структуру чугунов и сталей. Определяет их твёрдость и прочность; содержание цементита регулируется режимами термической обработки.
¶Получение
Основные промышленные методы синтеза карбидов:
- Прямое спекание элементов (порошковая металлургия) — для карбидов переходных металлов.
- Восстановительная карбонизация оксидов углеродом при высоких температурах — для карбида кремния и карбида вольфрама.
- Электротермический синтез в дуговых печах — для карбида кальция.
¶Применение
Карбиды используются в широком спектре отраслей: металлургия (легирование, десульфурация), машиностроение (режущий инструмент, износостойкие детали), абразивная промышленность (шлифовальные круги, шкурки), химическое производство (получение ацетилена), электроника (полупроводниковые приборы на SiC), атомная энергетика (поглотители нейтронов на B₄C).
¶История
Карбид кальция впервые был получен в 1836 году немецким химиком Фридрихом Вёлером, а промышленный способ его производства разработан в 1890-х годах. Карбид кремния синтезирован в 1891 году американским инженером Эдвардом Ачесоном, который назвал его «карборундом». Карбид вольфрама стал основой твёрдых сплавов после разработки их в Германии в 1920-х годах.
¶История
Карбид кальция впервые получен Фридрихом Вёлером в 1836 году; промышленный синтез отработан к 1890-м годам. Карбид кремния открыт Эдвардом Ачесоном в 1891 году. Твёрдые сплавы на основе карбида вольфрама разработаны в 1920-х годах.
¶Источники
- Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона
- Химическая энциклопедия, т. 2
- Справочник химика, под ред. Б. П. Никольского
- Патрик Р. Карбиды тугоплавких металлов. — М.: Металлургия