Karbidy

Karbidy jsou sloučeniny uhlíku s elektropozitivnějšími prvky s výjimkou vodíku. Karbidy mají významné použití v průmyslu: karbid vápníku CaC₂ je výchozí surovinou pro řadu výrob chemického průmyslu a karbid železa Fe₃C (cementit) je v oceli složkou, která zlepšuje její vlastnosti.

Karbidy lze rozdělit podle typu chemické vazby na sloučeniny:

• iontové,
• kovalentní,
• intersticiální a
• přechodové (karbidy přechodných kovů), jejichž charakter je částečně iontový a částečně intersticiální).

Dále se mezi karbidy řadí další binární sloučeniny uhlíku jako jsou:

• interkalační sloučeniny grafitu,
• fulleridy alkalických kovů,
• endoedrické fullereny (s atomem kovu uzavřeným uvnitř fullerenové molekuly) a
• metalkarboedreny (klastrové sloučeniny obsahující skupiny C₂).

Příklady

• Karbid vápníku (CaC₂) – iontová sůl, při hydrataci se rozkládá za vzniku acetylenu (užíváno v karbidových lampách)^[1]

CaC₂ + 2 H₂O → Ca(OH)₂ + C₂H₂

• Karbid křemíku (SiC - karborundum) – kovalentní sloučenina s tvrdostí srovnatelnou s diamantem
• Karbid wolframu (WC/W₂C – „widia >vidium“) – intersticiální sloučenina pro břity řezných nástrojů a vrtáků.
• Karbid železa (Fe₃C – cementit) – důležitá složka oceli
• Karbid boru (B₄C – černý diamant) – kovalentní sloučenina s tvrdostí 9,3 Mohsovy stupnice
• Karbid titanu (TiC) – intersticiální sloučenina pro řezné nástroje

Iontové karbidy

Uhlík se slučuje na karbidy s iontovou vazbou s

• alkalickými kovy (např. Li₄C₃, Na₂C₂),
• alkalických zemin (CaC₂, Be₂C, Mg₂C₃),
• hliníkem, skandiem, ytriem, lanthanem (LaC₂) a lanthanoidy,
• ušlechtilými kovy (Cu, Ag, Au),
• zinkem, kadmiem, rtutí a
• aktinoidy.

Nepodařilo se připravit karbidy galia, india či thallia.

Iontové karbidy jsou buď

• soli acetylenu C₂H₂ – acetylidy (anion C₂^{2 −}: Na₂C₂, CaC₂, LaC₂ , UC₂), nebo
• soli methanu CH₄ – metanidy (anion C^{4 −}: Be₂C, Al₄C₃) nebo
• soli propadienu (metylacetylenu, allenu) C₃H₄ – allenidy či seskvikarbidy (anion C₃^{4 −}: Li₄C₃, Mg₂C₃).

Kovalentní karbidy

Uhlík se slučuje na kovalentní karbidy s

• borem (B₄C, B₂₅C)
• s křemíkem (SiC).

Kovalentní karbidy se vazbou i strukturou podobají diamantu, a stejně jako diamant vynikají vysokou tvrdostí (moissanit, což je vzácná přírodní forma karbidu křemíku, je dokonce 2. nejtvrdší přírodní minerál).

Intersticiální karbidy

Uhlík se slučuje na intersticiální karbidy s

• titanem, zirkoniem a hafniem,
• vanadem, niobem, tantalem,
• chromem, molybdenem a wolframem.

Intersticiální karbidy jsou chemicky netečné (nereaktivní), žáruvzdorné a mají kovové vlastnosti.

U intersticiálních karbidů se předpokládá, že uhlíkové atomy vyplňují intersticiální oktaedrické polohy v krystalové mřížce kovu, pokud je poloměr kovového atomu větší než 135 pm. Jestliže krystalová mřížka kovu je plošně centrovaná krychlová (face centered cubic) s nejtěsnějším kubickým uspořádáním (cubic close packed), mělo by zaplnění všech intersticiálních poloh uhlíkem dává stechiometrii 1:1 (MC) s krystalovou strukturou halitu (soli kamenné - NaCl). Pokud jsou atomy v čistém kovu uspořádány do hexagonální (šesterečné) krystalové mřížky s nejtěsnějším šesterečným uspořádáním (hexagonal close packed), je zaplňována uhlíkovými atomy jen polovina intersticiálních poloh, což odpovídá stechiometrii 2:1 (M₂C) s krystalovou strukturou typu divanadiumkarbidu V₂C.

Jednoduchý předpoklad, že u těchto karbidů mřížka čistého kovu „vstřebá“ uhlíkové atomy je pravdivá jen pro monokarbidy vanadu (VC), niobu (NbC) a tantalu (TaC).

Skutečnost je taková, že monokarbidy: karbid titanu TiC (s atomovým poloměrem kovu r_M = 147 pm), karbid zirkonia ZrC (r_M = 159 pm), karbid hafnia HfC (159 pm) mají krystalovou strukturu halitu, i když čisté kovy mají strukturu hexagonální. Tyto tři kovy jiné karbidy (než monokarbidy) netvoří.

Naproti tomu vanad (r_M=134 pm), niob (r_M=146 pm) a tantal (r_M=146 pm) tvoří (vedle monokarbidů VC, NbC, TaC s krystalovou strukturou halitu) také karbidy typu M₂C (V₂C, Nb₂C, Ta₂C) s hexagonální strukturou, i když čisté kovy krystalují v krychlové tělesově centrované mřížce (cubic body centered). Tyto tři kovy tvoří navíc karbidy se stechiometrií 4:3 – V₄C₃, Nb₄C₃, Ta₄C₃.

Chrom (r_M=128 pm), který jako kov krystaluje také v krychlové tělesově centrované mřížce, vytváří karbidy jen se stechiometriemi 23:6 (Cr₂₃C₆), 1:3 (Cr₃C), 7:3 (Cr₇C₃) a 3:2 (Cr₃C₂). Tyto karbidy zčásti přísluší spíše do kategorie přechodných karbidů a vykazují příbuznost například s karbidy železa a karbidů dalších kovů.

Molybden (r_M=139 pm) a wolfram (r_M=139 pm), které rovněž krystalují v krychlové tělesově centrované mřížce, vytvářejí monokarbidy MoC a WC s hexagonální mřížkou a hexagonální jsou také jejich karbidy typu M₂C (Mo₂C, W₂C). Molybden navíc tvoří karbid se stechiometrií 3:2 – Mo₃C₂.

„Přechodové“ karbidy

Ionty přechodných kovů jsou menší než kritický poloměr 135 pm (viz intersticiální karbidy), a proto jejich struktury jsou složitější. Setkáváme se s násobnými stechiometriemi, takže například železo tvoří karbidy: 3:1 Fe₃C (cementit obsažený v oceli), 7:3 Fe₇C₃ a 2:1 Fe₂C. Tyto karbidy jsou reaktivnější než karbidy intersticiální, takže například karbidy chromu, manganu, železa, kobaltu a niklu lze hydrolyzovat zředěnými kyselinami (některé i samotnou vodou) za vzniku směsi vodíku a uhlovodíků. Tyto karbidy tedy tvoří přechod mezi inertními karbidy intersticiálními a reaktivními karbidy iontovými.

Odkazy

Reference

V tomto článku byly použity překlady textů z článků Carbide na anglické Wikipedii a Carbid na německé Wikipedii.

Literatura

• Jursík F.: Anorganická chemie nekovů. 1. vyd. 2002. ISBN 80-7080-504-8 (elektronická verze)
• Dr. Heinrich Remy, Anorganická chemie 1. díl, 1. vydání 1961
• N. N. Greenwood - A. Earnshaw, Chemie prvků 1. díl, 1. vydání 1993 ISBN 80-85427-38-9

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu karbidy na Wikimedia Commons