Carbure, toute classe de composés chimiques dans laquelle le carbone est combiné avec un élément métallique ou semi-métallique. Le carbure de calcium est important principalement en tant que source d'acétylène et d'autres produits chimiques, tandis que les carbures de silicium, de tungstène et de plusieurs autres éléments sont appréciés pour leur dureté physique, leur résistance et leur résistance aux attaques chimiques, même à des températures très élevées. Le carbure de fer (cémentite) est un constituant important de l'acier et de la fonte.
traitement de l'uranium: carburants
Différents carbures d'uranium et de plutonium sont connus, dont les monocarbures (UC, PuC), les sesquicarbides (U2C3, .
Préparation de carbures
Les carbures sont préparés à partir de carbone et d'un élément d'électronégativité similaire ou inférieure, généralement un métal ou un oxyde métallique, à des températures de 1 000 à 2 800 ° C (1 800 à 5 100 ° F). Presque tout carbure peut être préparé par l'une des méthodes générales suivantes. La première méthode implique la combinaison directe des éléments à des températures élevées (2 000 ° C [3 600 ° F] ou plus). La deuxième méthode est la réaction d'un composé d'un métal, généralement un oxyde, avec du carbone à haute température. Deux méthodes supplémentaires impliquent la réaction d'un métal ou d'un sel métallique avec un hydrocarbure, généralement de l'acétylène, C 2 H 2. Dans l'une des méthodes, le métal chauffé réagit avec un hydrocarbure gazeux; dans l'autre, un métal est dissous dans l'ammoniac liquide, NH 3, et l'hydrocarbure fait barboter dans la solution. Les carbures préparés avec de l'acétylène sont appelés acétylures et contiennent l' anion C 2 2−. Par exemple, les acétylures de métaux alcalins sont mieux préparés en dissolvant le métal alcalin dans l'ammoniac liquide et en faisant passer de l'acétylène à travers la solution. Ces composés, qui ont la formule générale M 2 C 2 (où M est le métal), sont des solides cristallins incolores. Ils réagissent violemment avec l'eau et, lorsqu'ils sont chauffés dans l'air, ils sont oxydés en carbonate. Les carbures alcalino-terreux sont également des acétylures. Ils ont la formule générale MC 2 et sont préparés en chauffant le métal alcalino-terreux avec de l'acétylène au-dessus de 500 ° C (900 ° F).
Classification des carbures
La classification des carbures en fonction du type de structure est assez difficile, mais trois grandes classifications découlent des tendances générales de leurs propriétés. Les métaux les plus électropositifs forment des carbures ioniques ou salins, les métaux de transition au milieu du tableau périodique tendent à former ce qu'on appelle les carbures interstitiels et les non-métaux d'électronégativité similaires à ceux du carbone sous forme de carbures covalents ou moléculaires.
Carbures ioniques
Les carbures ioniques ont des anions de carbone discrets de formes C 4−, parfois appelés méthanides car ils peuvent être considérés comme étant dérivés du méthane (CH 4); C 2 2−, appelé acétylures et dérivé de l'acétylène (C 2 H 2); et C 3 4−, dérivé de l'allène (C 3 H 4). Les méthanides les mieux caractérisés sont probablement le carbure de béryllium (Be 2 C) et le carbure d'aluminium (Al 4 C 3). L'oxyde de béryllium (BeO) et le carbone réagissent à 2000 ° C (3600 ° F) pour produire le carbure de béryllium rouge brique, tandis que le carbure d'aluminium jaune pâle est préparé à partir d'aluminium et de carbone dans un four. Le carbure d'aluminium réagit comme un méthanide typique avec l'eau pour produire du méthane. Al 4 C 3 + 12H 2 O → 4Al (OH) 3 + 3CH 4
Il existe de nombreux acétylures bien connus et bien caractérisés. En plus de ceux des métaux alcalins et des métaux alcalino-terreux mentionnés ci-dessus, le lanthane (La) forme deux acétylures différents et le cuivre (Cu), l'argent (Ag) et l'or (Au) forment des acétylures explosifs. Le zinc (Zn), le cadmium (Cd) et le mercure (Hg) forment également des acétylures, bien qu'ils ne soient pas aussi bien caractérisés. Le plus important de ces composés est le carbure de calcium, CaC 2. Le carbure de calcium est principalement utilisé comme source d'acétylène pour une utilisation dans l'industrie chimique. Le carbure de calcium est synthétisé industriellement à partir d'oxyde de calcium (chaux), de CaO et de carbone sous forme de coke à environ 2200 ° C (4000 ° F). Le carbure de calcium pur a un point de fusion élevé (2 300 ° C [4 200 ° F]) et est un solide incolore. La réaction du CaC 2 avec l'eau produit du C 2 H 2 et une quantité importante de chaleur, de sorte que la réaction est effectuée dans des conditions soigneusement contrôlées. CaO + 3C → CaC 2 + CO
CaC 2 + 2H 2 O → C 2 H 2 + Ca (OH) 2 Le carbure de calcium réagit également avec l'azote gazeux à des températures élevées (1 000–1 200 ° C [1 800–2 200 ° F]) à former du cyanamide calcique, CaCN 2. CaC 2 + N 2 → CaCN 2 + C Il s'agit d'une réaction industrielle importante car le CaCN 2 est largement utilisé comme engrais en raison de sa réaction avec l'eau pour produire du cyanamide, H 2 NCN. La plupart des acétylures de MC 2 ont la structure CaC 2, qui est dérivée de la structure du chlorure de sodium cubique (NaCl). Les unités C 2 sont parallèles le long des axes des cellules, provoquant une distorsion de la cellule de cubique à tétragonale.
Carbures interstitiels
Les carbures interstitiels sont dérivés principalement de métaux de transition relativement gros qui agissent comme un réseau hôte pour les petits atomes de carbone, qui occupent les interstices des atomes métalliques étroitement compactés. (Voir le cristal pour une discussion des dispositions de garnissage dans les solides.) Les carbures interstitiels sont caractérisés par une dureté extrême mais en même temps une fragilité extrême. Ils ont des points de fusion très élevés (généralement environ 3 000 à 4 000 ° C [5 400 à 7 200 ° F]) et conservent de nombreuses propriétés associées au métal lui-même, telles qu'une conductivité élevée de la chaleur et de l'électricité ainsi qu'un éclat métallique. À des températures élevées, certains carbures interstitiels conservent les propriétés mécaniques des métaux, telles que la malléabilité. Bon nombre des premiers métaux de transition ont des rayons suffisamment grands pour former des monocarbures interstitiels, MC. Le rayon critique (c.-à-d. Minimum) semble être d'environ 1,35 angströms (1,35 × 10 -8 cm ou 5,32 × 10 -9 pouces). Cependant, la plupart des métaux de transition forment des carbures interstitiels de plusieurs stœchiométries. Par exemple, le manganèse (Mn) est connu pour former au moins cinq carbures interstitiels différents. Contrairement aux carbures ioniques, la plupart des carbures interstitiels ne réagissent pas avec l'eau et sont chimiquement inertes. Plusieurs ont une importance industrielle, notamment le carbure de tungstène (WC) et le carbure de tantale (TaC), qui sont utilisés comme outils de coupe à grande vitesse en raison de leur extrême dureté et de leur inertie chimique. Le carbure de fer (cémentite), Fe 3 C, est un composant important de l'acier.
