Karbid

Karbid alatt a kémiában általában a fémek szénnel alkotott vegyületeit értjük. Tulajdonképpen csak a nemfémes elemeknek nincsen karbidjuk. Jól ismertek az alkáli- és alkáliföldfémek, (például: kalcium-karbid) az átmenetifémek, valamint a lantanoidák és aktinoidák szénnel alkotott vegyületei. A félfémek közül az alumíniummal, szilíciummal és bórral alkot vegyületet a szén.

Karbidvegyületek

Formálisan a karbidok mind a szén vegyületei, de a kémiai kötések alapján három típusukat különböztetjük meg:

• tetrafunkciós C-atomot tartalmazó karbidok, más néven metidek. A szén ezekben a vegyületekben C⁴⁻ formában van jelen. Ilyen például az alumínium-karbid (Al₄C₃). A karbidion (C⁴⁻) hidrogénnel alkotott vegyülete a metán (CH₄).
• a bi- és trifunkciós C₂-atomcsoportot tartalmazó karbidok. Az atomcsoporton belüli két szénatom hármas kötésekkel kapcsolódik egymáshoz. Az acetilidion (C2−2) vegyületei az acetilidek, melyeket a gyakorlatban azonban szintén karbidoknak nevezünk. Az acetilidion hidrogénnel alkotott vegyülete az acetilén (C₂H₂).
• fémrács hézagjaiba beépülő (intersticiális) szénatomok. Ezek a karbidok tulajdonképpen ötvözetek.

A felsoroltakon kívül más karbidcsoportok is léteznek, de ezeket a fentiekből le lehet vezetni.

Kovalens karbidok

Csak a bór (B₄C) és a szilícium (SiC) karbidja tartozik ide. Mindkettő kovalens kötésű atomrácsokat képez, igen nagy szilárdságú és magas olvadáspontú vegyületek. Szerkezetük és ezáltal keménységük a gyémánthoz hasonlít. Ha ezek a vegyületek szennyező atomokat vagy szénfelesleget tartalmaznak, félvezetővé válnak.

Sószerű karbidok

A legtöbb karbid ebbe a csoportba tartozik. Ezek a karbidok víz vagy sav hatására hidrolizálnak, belőlük a karbidiontól függően acetilén vagy metán fejlődik. Jó példa erre a kalcium-karbid (avagy kalcium-acetilid) és víz reakciója, mely során acetilén és kalcium-hidroxid keletkezik:

$\mathrm {CaC_{2}+2\ H_{2}O\rightarrow Ca(OH)_{2}+C_{2}H_{2}} \,\!$

Az alumínium- és a berillium karbidjai a kovalens karbidokhoz hasonlítanak térszerkezetükben és keménységükben. Savakkal, lúgokkal és vízzel azonban ezek is reagálnak (ellentétben a kovalens karbidokkal), miközben metán keletkezik:

$\mathrm {Al_{4}C_{3}+12\ H_{2}O\rightarrow 4\ Al(OH)_{3}+3\ CH_{4}} \,\!$

Intersticiális karbidok

Az elnevezés a fémrács hézagjai közé ékelődő szénatomokra utal. Jellemzően az átmenetifémek karbidjai ilyenek, jelentősen megváltoztatva azok tulajdonságait, tulajdonképpen ötvözetet alakítva ki. Ilyen karbid és fém (Fe) ötvözete a közismert acél is, illetve további fémekkel (pl. Cr, Mo, V, Mn, W, Ni, Co) alkotott ötvözetei.

A vas-karbid (Fe₃C, cementit) igen kemény, magas olvadáspontú vegyület, de már vízben is hidrolizál (a fentiek szerint).

Az úgynevezett tűzálló karbidok (pl. titán, vanádium, volfrám, molibdén stb. karbidja) szintén igen kemények (Mohs 8-10), magas olvadáspontúak, és a kémiai hatásoknak is jobban ellenállnak.

„Szerves” karbidok

A karbidok különleges szerepet foglalnak el a szerves és szervetlen kémia határán. Míg maguk a fém-karbidok szervetlen vegyületnek számítanak, és az előállításuk is tisztán szervetlen vegyületekből történhet, addig a fenti reakciók során keletkező szénhidrogének (pl. acetilén, metán) már nem csak a szervetlen kémia, hanem a szerves kémia tárgykörébe is tartoznak. Azaz tisztán szervetlen anyagokból (pl. mészkő, szén, víz) a szerves kémia tárgykörébe is eső vegyületet lehet előállítani.

Előállításuk

A karbidok előállítása különbözőképpen történhet. Az ionos vegyületek gyártása magas hőmérsékleten, jellemzően ívkemencében történik (pl. kalcium-karbid gyártása)

Az átmenetifém-karbidok szintén magas hőmérsékleten alakulnak ki (lásd acélgyártás).

Jelentőségük

Lásd fenn: acetiléngyártás, ötvözetek, gép- és acélipar

Karbidok a meteoritokban

A karbidok előfordulnak a meteoritokban is. Eredetük kétféle lehet.

Magas olvadáspontú karbidok

A magas olvadáspontú karbidok a tűzálló anyagok (ásványok) körébe tartoznak. Ezek a kondritok széntartalmú anyagában találhatók nanokristályok alakjában. Legismertebb a szilícium-karbid és a titán-karbid, melyeknek valószínűsíthető az intersztelláris eredete. A meteoritokban előforduló karbidokat ásványtani és sugárzásos módszerekkel vizsgálják, a csillaglégkörökben előforduló karbidokat spektroszkópiai módszerekkel.

Karbidok vasmeteoritokban

A vasmeteoritokban szereplő karbidok az acélokból is ismert vaskarbid, – Fe₃C – és ennek nikkelben gazdag változata – kohenit (Fe,Ni)₃C – formájában, vas-oxidok (pl. magnetit) társaságában találhatók meg.

Források

• Nittler, L. R.; Hoppe, P. (2005): Are Presolar Silicon Carbide Grains from Novae Actually from Supernovae? The Astrophysical Journal, Volume 631, Issue 1, pp. L89-L92.
• von Helden, G.; Tielens, A. G. G. M.; van Heijnsbergen, D.; Duncan, M. A.; Hony, S.; Waters, L. B. F. M.; Meijer, G.(2000): Titanium Carbide Nanocrystals in Circumstellar Environments. Science, Volume 288, Issue 5464, pp. 313–316.
• Krot, A. N.; Zolensky, M. E.; Wasson, J. T.; Scott, E. R. D.; Keil, K.; Ohsumi, K. (1997): Carbide-magnetite assemblages in type-3 ordinary chondrites. Geochimica et Cosmochimica Acta, Volume 61, Issue 1, p. 219-237.

További információk

• Porban gazdag rendszerekben történő kristályosodás a csillag körül.
• Szupernóva kidobott gázfelhőjében történő kristályosodás.