Метод производства
Карбид производится в электропечах путем сплавления (прокаливания) смеси кокса и оксида кальция (негашеной извести) при температуре от 1900°C до 2300°C. Резкий и неприятный чесночный запах карбида и вырабатываемого ацетилена вызван содержанием в карбидной смеси примесей фосфидов и сульфатов кальция.
Процесс осуществляется в несколько этапов:
- Производится обжиг известняка.
- Из обработанной извести и кокса создается порошкообразная смесь — шихта.
- Полученная смесь прокаливается в электродуговой печи до состояния расплава.
- Образовавшиеся бруски карбида дробятся для получения нужной фракции.
Средняя плотность карбидного вещества составляет 2,2 г/см3. В зависимости от содержания примесей, цвет карбида может быть темно-коричневым или темно-серым.
Конечный продукт состоит из 75-78% CaC2, остальное составляет известь и примеси. Гранулы карбида существуют разных размеров: 2×8; 8×15; 15×25; 25×80 мм. Большие гранулы обеспечивают получение большего количества ацетилена, но увеличивают время реакции. Если гранулы 8х15 и 15х25 мм разлагаются за 5-6 минут, то для разложения гранул 25х80 мм требуется более 10 минут.
Историческая справка
Первое необычное углеродное соединение, похожее на карбид, было получено в начале XIX века англичанином Дэви. Это был карбид калия. Далее в 1863 году был найден неустойчивый карбид меди, через 15 лет — карбид железа.
Официально соединения «появились» только в конце XIX века — к ним приложил руку француз Анри Муассон. Он получал соединения при помощи вольтовой дуги в электрической печи, которую он сам и придумал. Для этого использовались нагретый до раскаленного состояния древесный уголь, чистые металлы и их оксиды.
Однако за несколько лет до Муассона в метеоритах был обнаружен минерал когенит — смесь карбидов кобальта, железа и никеля. В некотором смысле эта находка помогла ответить на вопрос «Что такое карбиды?».
Применение при сварочных работах
Хранение карбида осуществляется в специальных стальных баках объемом 100 или 130 литров. Открытие этих баков должно производиться только при отсутствии огня или искр в близости от них деревянным молотком и латунным зубилом. Неиспользованный карбид в банке закрывается водонепроницаемой крышкой.
Ацетилен для сварочных работ вырабатывается из карбида в генераторе стационарного или мобильного типа и разного объема. Средний объем ацетиленовых генераторов рассчитан на прием от 5 до 15 литров воды и, соответственно, 2-5 килограммов карбида. Выход ацетилена считается несколько ниже теоретического и принимается равным 260-280 литров с одного килограмма CaC2. Рекомендуется использовать карбид крупной фракции – 80 мм
Принцип использования ацетилена для сварочной работы таков:
- Из одного килограмма карбида выделяется около 250 литров ацетилена, а на разложение килограмма карбида уходит 3-4 литра воды. Зная эти пропорции, вычисляют необходимый объем воды и количество вещества.
- В промышленных генераторах, рассчитанных на долгий и равномерный процесс использования, карбид дозировано загружается в газообразующую камеру через специальный бункер в автоматическом режиме. В генераторах, которые используются для ненормированных объемов работ, карбид погружается в воду в специальной корзине. Объем вырабатываемого ацетилена регулируется погружением или подъемом корзины.
- При подаче очередной порции карбида и начале реакции в камере возрастает давление, снижение которого производится активным выпуском ацетилена в горелку.
- Ацетилен через отборник по шлангу подается в газовую горелку. Горелка должна находиться от генератора на расстоянии не менее 10 метров.
- Гашеная известь, образующаяся в процессе реакции (около 1,2 кг на каждый килограмм карбида), удаляется из генератора через отдельный бункер.
В газовой сварке главным плюсом применения карбида является его низкий вес и небольшой вес применяемого оборудования. Газовые баллоны для ацетилена очень тяжелые, их необходимо перемещать на специальной тележке или в 2-3 пары рук. Средний же генератор весит 15-20 кг, что позволяет без особых усилий перемещать его в одиночку или с одним помощников. При перемещении сухого карбида достаточно соблюдать элементарные правила хранения – избегать попадания влаги на вещество и попадание мелкой карбидной пыли на кожу и в глаза.
Виды карбидов
Все вещества можно разделить на три группы:
- Ковалентные образуют бромом и кремнием; химически инертны, атомы углерода находится в состоянии sp-, sp2-, sp3 -гибридизации. Образуется путем частичного замещения в алмазе атомов углерода на атомы брома и кремния. Обладают прочной межатомной связью, высокими температурой плавления, жаропрочностью, химической инертностью, являются полупроводниками. Карбид брома при этом довольно тверд, может даже поцарапать алмаз. Карбид кремния получается более хрупким, но химически стойким, окисляется при воздействии кислорода только при температуре больше 1000 градусов Цельсия, растворяется в царской водке и концентрированных азотной кислоте и плавиковой.
- Солеобразные или ионные — это соединения, образованные металлами I и II групп, а также алюминием, РЗЭ и актиноидами. Их получают непосредственно из элементов или путем восстановления оксидов углерода Обычно они разлагаются водой и кислотами, при этом происходит выделение углеводорода и остается гидроксид металла. Обладают высокой температурой плавления.
- Металлоподобные или ионно-ковалентно-металлические — это соединения, которые образуются переходными металлами IV–VII групп, а также никелем, железом и кобальтом; имеют промежуточную химическую активность. В таких соединениях небольшие атомы углерода расположены в пустотах между атомами металлов. Отсюда пошло название карбиды внедрения. Они отличаются высокими прочностью и температурой плавления.
В свою очередь ионные соединения делятся на:
- Метаниды — обычно прозрачны, не имеют цвета, в разбавленных кислотах и воде разлагаются и образуют метан. К ним относятся карбид магния, алюминия и бериллия.
- Ацетилениды — активно гидролизируются и образуют ацетилен или этин. Наиболее известен карбид кальция.
Техника безопасности
Карбид для сварки относится к классу взрывоопасных веществ. Безопасное применение карбида обеспечивается учетом ряда условий:
- Ацетилен является легковоспламеняющимся газом, а сам сухой карбид также взрывоопасен, поэтому возле места проведения работ не должно быть источников открытого огня, даже таких незначительных, как зажигалки и зажженные сигареты.
- Запрещено использование карбида в гранулах до 2 мм или карбидной пыли, так как она растворяется очень быстро, что приводит к выделению большого количества газа. Из-за этого в генераторе образуется сверхвысокое давление и может произойти взрыв.
- Запрещена работа болгаркой или электросварочным аппаратом вблизи газосварочных работ и мест установки карбидных барабанов.
- Вещество должно храниться в сухом и герметичном месте, в котором нет водопроводов, канализационных труб и, тем более, газового оборудования.
- Карбидная пыль при попадании вызывает раздражение кожи, глаз, слизистых оболочек. Работа с этим веществом должна проходить с применением средств индивидуальной защиты – очков, перчаток и респиратора.
- При попадании карбида на кожу или в глаза его необходимо промыть большим количеством теплой воды, а затем аккуратно удалить остатки карбида пинцетом или влажным тампоном.
- При работе с карбидом в мастерской все сварочное оборудование должно быть размещено в отдельных частях помещения, система вентиляции помещения должна обеспечивать отвод горючих газов, а помещение должно быть освобождено от горючих материалов.
- Ацетиленовые генераторы запрещено устанавливать в подвальных помещениях и жилых зданиях.
- Перед запуском генератор следует осмотреть на предмет отсутствия видимых трещин и вмятин корпуса.
- Во время проведения работ генератор должен оставаться в вертикальном положении, манометр должен быть исправен и хорошо виден сварщику или его помощнику.
- По окончании работы оставшийся в генераторе раствор карбида должен быть выработан целиком, а образовавшаяся известь утилизирована.
- Повторное использование мокрых кусков карбида не допускается;
- Запрещено вскрывать генератор под давлением (во время продолжающейся реакции).
- Баллоны для ацетилена хранятся и перевозятся со специальными предохранительными колпаками на клапанах.
Соблюдение этих простых правил позволит обеспечить собственную безопасность и безопасность людей, находящихся вблизи объекта работ.
Карбид следует покупать в проверенных магазинах сварочного оборудования, поскольку приобретение некачественного карбида может затруднить проведение сварочных работ. Можно также заказать его в интернет-магазинах. Цена карбида варьируется от 75 до 190 рублей за килограмм, в зависимости от производителя.
Если имеется необходимость в регулярном использовании оборудования для газовой сварки и резки, лучше купить профессиональное оборудование, изготовленное на промышленном предприятии. Применение самодельных генераторов чревато получением тяжелых травм и угрозой для жизни.
История
Карбиды металлов, формулы которых мы приведём ниже, не являются природными соединениями. Это обусловлено тем, что их молекулы склонны распадаться при взаимодействии с водой. Поэтому здесь стоит говорить о первых попытках синтеза карбидов.
Начиная с 1849 имеются упоминания о синтезе карбида кремния, однако некоторые из этих попыток остаются непризнанными. Крупномасштабное производство начал в 1893 году американский химик Эдвард Ачесон по способу, который был затем назван его именем.
История синтеза карбида кальция также не отличается большим количеством сведений. В 1862 году его получил немецкий химик Фридрих Вёлер, нагревая сплавленный цинк и кальций с углём.
Теперь перейдём к более интересным разделам: химическим и физическим свойствам. Ведь именно в них заключена вся суть применения данного класса веществ.
Интересные соединения
Карбид натрия. Формула этого соединения C2Na2. Это можно представить скорее как ацетиленид (то есть продукт замещения атомов водорода в ацетилене на атомы натрия), а не карбид. Химическая формула полностью не отражает этих тонкостей, поэтому их надо искать в строении. Это очень активное вещество и при любом контакте с водой очень активно взаимодействует с ней с образованием ацетилена и щёлочи.
Карбид магния. Формула: MgC2. Интересны способы получения этого достаточно активного соединения. Один из них предполагает спекание фторида магния с карбидом кальция при высокой температуре. В результате этого получаются два продукта: фторид кальция и нужный нам карбид. Формула этой реакции достаточно проста, и вы можете при желании ознакомиться с ней в специализированной литературе.
Если вы не уверены в полезности изложенного в статье материала, тогда следующий раздел для вас.
Связанные материалы [ править ]
Помимо карбидов существуют другие группы родственных углеродных соединений: [2]
- соединения интеркалирования графита
- фуллериды щелочных металлов
- эндоэдральные фуллерены , в которых атом металла заключен в молекулу фуллерена
- металлакарбоэдрены (меткарбогедрены) — кластерные соединения, содержащие звенья C 2 .
- настраиваемый нанопористый углерод , при котором газовое хлорирование карбидов металлов удаляет молекулы металла с образованием высокопористого, почти чистого углеродного материала, способного накапливать энергию с высокой плотностью.
- карбеновые комплексы переходных металлов .
- двумерные карбиды переходных металлов: MXenes
Как это может быть полезно в жизни?
Ну, во-первых, знание химических соединений никогда не может быть лишним. Всегда лучше быть вооружённым знанием, чем остаться без него. Во-вторых, чем больше вы знаете о существовании определённых соединений, тем лучше понимаете механизм их образования и законы, которые позволяют им существовать.
Перед тем как перейти к окончанию, хотелось бы дать несколько рекомендаций по изучению этого материала.
Физические свойства
При выборе практически любого материала следует уделять больше всего внимания физическим свойствам. У рассматриваемого они следующие:
- Соединение имеет кристаллическую структуру.
- Показатель температуры плавления составляет 2300 °С. Стоит учитывать, что подобная цифра свойственна только чистому составу. Добавление в состав различных примесей приводит к тому, что температура плавления существенно падает.
Чистый карбид кальция
Стоит учитывать, что карбид кальция в большинстве случаев находится в твердом состоянии. Кроме этого, цвет может варьироваться от серого до коричневого цвета. Физические свойства карбида кальция определяют его широкое применение в самых различных отраслях промышленности.
