Карбид кальция: свойства и применение. получение ацетилена

Карбид кальция как «топливо» для сварки.

Как уже было выше сказано, карбид при сварке вступает в активную реакцию с водой, выделяя огромное количество тепла и ацетиленового газа. Эта его особенность усложняет хранение карбида, поэтому для его сохранности вещество помещают в герметичные баки из кровельной стали вместимостью 100 и 130 килограмм

Так как карбид выделяет легковоспламеняющийся ацетилен, то жизненно важно при открытии данных бидонов избежать искр и открытого огня

Пыль карбида кальция – частицы до 2 миллиметров – не годится для использования, так как практически сразу растворяется в воде и при этом, возрастает вероятность, что использование такого состава приведет к взрыву всего баллона.

Для любознательных – один килограмм карбида кальция, в зависимости от чистоты и размера кусков, при контакте с водой может выделить более 250 дм3 ацетилена!

Карбид кальция активно применяется во время газовой сварки и резки. Во время горения с кислородом, ацетилен может достигнуть наивысшей температуры плавления до 3150 градусов Цельсия, что делает его незаменимым в работе с тугоплавкими металлами, потому что для сваривания или резки необходима температура, вдвое превышающая градус плавления самого металла.

Для безопасного использования, ацетилен производят в специальных генераторах (рис. 2)  на основе карбида кальция или природного газа, нефти и угля.

Второй способ получения ацетилена из природного газа, нефти и угля – более дешевый, чем применение карбида кальция, примерно на 30 – 40%.

Что такое карбид?

Самодельные бомбы. Вот, что приходит на ум первым делом, когда слышим слово карбид. И нет, занимались производством этих опасных игрушек не предприятия оборонной промышленности, а, как правило, мальчишки, лет так десяти.

Лет двадцать назад это было излюбленное развлечение у подростков. Это сейчас все сидят за своими планшетами, а тогда миром правил пытливый ум ребенка, который норовил все испробовать на практике.

Для того, чтобы почувствовать себя Рембо, требовалось раздобыть один чудо-камешек. Находили их дети чаще всего на стройках. А дальше все было просто: пластиковый сосуд, камень, вода, плотно закрученный колпачок. Все это рьяно трясли, и в лучшем случае, отбрасывали куда подальше. А в худшем «снаряд» разрывало прямо в руках, тогда травм было не избежать.

Карбид кальция

Были и более безопасные пути использовать находку, к примеру, просто бросить в лужицу, тогда можно было наблюдать нечто похожее на действие современных бомбочек для ванны. Так что это за популярная «игрушка». Большинство из нас считали, что таким, как мы его знаем, карбид произвела природа. Но на самом деле это не так. И сегодня Вы в этом убедитесь.

Итак, вещество это всегда очень твердое, плюс ко всему, чтобы его расплавить, нужно приложить недюжинные усилия. На вид это темные, светлые, зеленоватые камни, либо порошок, все зависит от состава. Срок его годности недолог, как правило это полгода. Уложить емкости в общий склад не получится, у таких потенциально опасных веществ должен быть свой отсек.

Как Вы уже знаете, карбид постоянно норовит взорваться. Причем, некоторым соединениям даже особых условий не надо. Достаточно просто пересыпать порошок из тары в тару, как он может неожиданно рвануть.

Карбид гафния GfC

В таблице приведены свойства карбида металла гафния. Карбид гафния представляет собой соединение серого цвета с температурой плавления 3890°С и высокой плотностью, которая при комнатной температуре составляет 12600 кг/м3. Энергия кристаллической решетки GfC равна 117,2·105 кДж/кмоль.

Карбид гафния полностью растворяется в ортофосфорной, азотной и серной кислотах.  При температуре около 2000°С он начинает взаимодействовать с тугоплавкими металлами — такими, как молибден, вольфрам, тантал и ниобий.

Теплопроводность карбида гафния с нулевой пористостью при температуре 300°С равна 9,2 Вт/(м·град). При нагревании коэффициент теплопроводности GfC увеличивается. Удельная теплоемкость карбида гафния относительно невысока и при росте температуры слабо увеличивается.

Химические свойства

Почти все карбиды взаимодействуют с водой. Какие-то — легко и без нагревания (например, карбид кальция), а какие-то (например, карбид кремния) — при нагревании водяного пара до 1800 градусов. Реакционная способность при этом зависит от характера связи в соединении, о котором мы поговорим позже. В реакции с водой образуются разные углеводороды. Происходит это потому, что водород, содержащийся в воде, соединяется с углеродом, находящимся в карбиде. Понять, какой углеводород получится (а может получиться как предельное, так и непредельное соединение), можно, исходя из валентности содержащегося в исходном веществе углерода. Например, если у нас есть карбид кальция, формула которого CaC₂, мы видим, что он содержит ион C₂2-. Значит, к нему можно присоединить два иона водорода с зарядом +. Таким образом, получаем соединение C₂H₂ — ацетилен. Таким же образом из такого соединения, как карбид алюминия, формула которого Al₄C₃, получаем CH₄. Почему не C₃H₁₂, спросите вы? Ведь ион имеет заряд 12-. Дело в том, что максимальное количество атомов водорода определяется формулой 2n+2, где n — количество атомов углерода. Значит, может существовать только соединение с формулой C₃H₈ (пропан), а тот ион с зарядом 12- распадается на три иона с зарядом 4-, которые и дают при соединении с протонами молекулы метана.

Интересными представляются реакции окисления карбидов. Они могут происходить как при воздействии сильных смесей окислителей, так и при обыкновенном горении в атмосфере кислорода. Если с кислородом всё понятно: получаются два окисда, то с другими окислителями интереснее. Всё зависит от природы металла, входящего в состав карбида, а также от природы окислителя. Например, карбид кремния, формула которого SiC, при взаимодействии со смесью азотной и плавиковой кислот образует гексафторкремниевую кислоту с выделением углекислого газа. А при проведении той же реакции, но с одной только азотной кислотой, получаем оксид кремния и углекислый газ. К окислителям также можно отнести галогены и халькогены. С ними взаимодействует любой карбид, формула реакции зависит только от его строения.

Карбиды металлов, формулы которых мы рассмотрели — далеко не единственные представители этого класса соединений

Сейчас мы подробнее рассмотрим каждое промышленно важное соединение этого класса и затем поговорим об их применении в нашей жизни

Область применения карбида кальция [ править | править код ]

Карбид кальция используют при проведении автогенных работ и освещения, а также в производстве ацетиленовой сажи и продуктов органического синтеза, из которых главным является синтетический каучук.

Карбид кальция применяют в производстве цианамида кальция, из которого получают удобрения, цианистые соединения. Карбид кальция используют для получения карбидно-карбамидного регулятора роста растений, изготовления порошкового карбидного реагента.

Из 1 кг технического карбида получается от 235 до 285 л ацетилена в зависимости от его сорта и грануляции: чем чище и крупнее карбид кальция, тем большее количество ацетилена он даёт при разложении.

Для разложения 1 кг карбида кальция теоретически требуется 0,56 л воды. Практически берут от 5 до 20 л воды с целью лучшего охлаждения ацетилена и обеспечения безопасности при работе. Скорость разложения карбида кальция водой зависит от его чистоты, грануляции, температуры и чистоты воды. Чем чище карбид кальция, меньше размер его кусков, выше температура и чище вода, тем больше скорость .

При щелочной реакции углерода с металлами могут получится различные карбиды. За счет соединения определенных химических элементов получаются соединения, которые характеризуются высокой прочностью. Довольно большое распространение получил вариант исполнения, который получил название карбид кальция. Его стали применять в самых различных областях промышленности.

Внешний вид и характеристики технического карбида кальция

Впервые рассматриваемый состав был получен в 1862 году. Проводимая процедура касалась отделения кальция от извести, в результате чего получился бледно-серый состав без признаков, свойственных металлам. В результате опыта был получен карбид, который в последствии стал активно использоваться при выпуске различной продукции.

В начале 20 века карбид кальция стали использовать для производства ацетилена в больших объемах. Именно поэтому стали вести активные исследования для выявления более производительной технологии.

Технические характеристики материала определяют его широкое распространение. Внешний вид вещества характеризуется светло-серым цветом, выпускаются карбиды в виде камня или порошка.

Химические свойства

Карбид вольфрама является химически стойким соединением при комнатной температуре по отношению к серной, соляной, ортофосфорной, хлорной, щавелевой кислотам и смесям серной и фосфорной, серной и щавелевой кислот. Не растворяется в 10 % и 20 % растворах гидроксида натрия. Растворяется в кипящих серной, соляной, азотной, хлорной кислотах и в смесях серной и ортофосфорной, серной и азотной кислот.
При комнатной температуре хорошо растворяется в азотной кислоте и в царской водке по реакциям

WC+10HNO3→τWO3↓+CO2↑+10NO2↑+5H2O{\displaystyle {\ce {WC + 10 HNO3 -> WO3 v + CO2 ^ + 10 NO2 ^ + 5 H2O}}}

WC+4HCl+10HNO3⟶H2WCl4O2+10NO2↑+6H2O+CO2↑{\displaystyle {\ce {WC + 4 HCl + 10 HNO3 -> H2 + 10 NO2 ^ + 6 H2O + CO2 ^}}}

Также растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот.

Значительное окисление карбида вольфрама на воздухе начинается при 500−700 °C, а выше 800 °C полностью окисляется в связи с большой летучестью окисла вольфрама. Окисление вольфрама идет по реакции

WC+2O2⟶WO3+CO{\displaystyle {\ce {WC + 2 O2 -> WO3 + CO}}}

По этой же реакции карбид вольфрама горит в жидком кислороде, аналогично горит и алмаз.

Применение

Как уже упоминалось, чаще всего это вещество можно встретить на стройке. И там ему находят десятки способов применения. В шлифовке без этого материала трудно обойтись, из него производят спец. диски. Но хорош он не только в качестве абразива, но и в виде острых режущих кругов, ножей и тому подобного.

Генератор ацитиленовый для газосварки, внутрь которого засыпается карбид кальция

Машиностроение – еще одна возможность использовать это соединение. Из карбида получаются не только различные детали автомобилей, но и зап. части для радио приборов. А благодаря своей теплопроводности он отлично справится и с задачей нагревательного типа. Даже в ядерной промышленности без такого составляющего никак. Все это требует особой прочности, поэтому здесь речь чаще всего о ковалентных видах.

Те составы, что содержат карбид железа, позволяют получить сталь, и всем известный чугун. Кремниевые соединения так же ценят ювелиры и производители осветительных элементов. Искусственный каучук и смолы, и даже уксусная кислота – настолько широк круг применения карбидов.

Но этим дело не ограничивается. Этот искусственный минерал еще и для огородников важен. Ведь с его помощью получают особый вид удобрений. Они способны регулировать скорость роста различных культур.

Но, пожалуй, самый популярный из всех – карбид кальция. Ведь именно его в своей работе активно используют сварщики. Казалось бы, как этот темный камушек с чесночным ароматом может быть задействован в таком процессе?

Очень просто, ведь для газовой сварки, что логично, нужен горючий газ. В нашем случае дает карбид ацетилен. Как только он «встречается» с кислородом, мы получаем весьма интенсивное пламя, его температурные показатели переступают отметку в три тысячи градусов.

Если брать уже готовый летучий газ, то упаковкой ему служат спец. емкости, в них вещество доставляют к месту действия. Никакой тряски, или ударов во время такой поездки быть не должно – смертельно опасно.

Это сырье может вспыхнуть, даже без лишней «помощи», потому внимание всегда должно быть на пределе. Если же пожара избежать не удалось, никакой влаги при тушении

В ход должны идти только порошковые способы тушения.

Есть второй путь – произвести это «топливо» прямо на месте работ. Для этого нужно знать, что такое гидролиз карбидов. Говоря проще, это реакция соединения на контакт с водой. Причем, этот самую реакцию может вызвать даже одна капля.

Потому, если собрались осуществить сварочные работы, предельно аккуратно вскрываем герметичную тару с карбидом

Особо важно, чтобы никаких признаков огня по соседству, иначе ЧП гарантированно. О сигаретах и вовсе стоит забыть

Еще следите за тем, чтобы даже самые мелкие крошки не оказались на Вашей коже, тем более на слизистых, иначе, в лучшем случае – раздражение, с худшем- ожоги и распухшие части тела. Так что вооружайтесь спец. обмундирование: защитить нужно все, с ног до головы, в том числе и дыхательные пути. Первая помощь, если контакта избежать не удалось: обильно поливаем водой пораженный участок, покрываем его плотным кремом. При необходимости вызвать врача.

Если говорить о расходе, если масса карбида один килограмм, то это дает возможность выработать до трехсот кубических дециметров газа. Это достаточно хорошие показатели. Так же на такое количество сырья потребуется примерно литров 20 воды, хотя производители и заявляют, что достаточно будет полулитра. То, сколько времени все это займет, зависит от величины фракций соединения, и их чистоты.

После того, как с работой закончили, оставшиеся отходы, а это шлак из извести, не оставляем где попало, а утилизируем. Для таких работ потребуется спец. генератор. Бывают они внушительных размеров, их устанавливают на одном месте, к примеру, когда планируются масштабные работы. Но существует и мини-версия, переносная.

Сначала отсек, в котором и должен образоваться газ, заливаем водой, потом уже добавляем туда карбид. Идет реакция, появившийся в результате ацетилен по мягкой трубке поступает непосредственно к газовой горелке. Этот путь должен быть достаточно длинным, шланг обязательно нужно выбрать не короче десяти метров.

Карбид бора

Идет в дело и карбид бора. Предметы на его основе дают надежную защиту от огня. И не только от огня, кстати, ведь такой товар активно используют изготовители бронежилетов. Во-первых, он «ловит» пули, а во-вторых, не даст прохода и радиации. Что касается такого союза, как карбид алюминия, то сверкающие искры во время фейерверков – его заслуга. А ведь на вид это ничем не примечательный желтый порошок.

Как получают карбид?

Сначала о карбиде кальция. Его производство – дело востребованное. И хотя такие заводы требуют больших трат, особенно когда речь заходит об электроэнергии, предприятия от привычного способа изготовления не отказываются. Потому как спрос на такую продукцию не спешит падать. Ведь без ацетилена вряд ли можно представить хоть одну стройку. Чтобы экономить на электричестве, подобные предприятия открывают в странах с большим количеством ГЭС, в Канаде, например.

Почему же не перейти на работу с метаном, ведь из него тоже можно получить такой летучий газ? Да потому, что карбид кальция дает практически чистый продукт, довести до ума 98-ми процентный газ несложно. И перевозить его гораздо проще, чем тот, что получен при участии метана.

Главным объектом на таких производствах выступают электрические печи. В них загружают твердый уголь, который еще зовут коксом, и оксид кальция (известь, причем абы какая не подойдет, нужна очищенная и однородная). Все это раскаляется до 2-х тысяч градусов. И вуаля, реакция пошла.

Как результат жидкая субстанция, которая и станет потом привычным нам соединением. Но сначала ей нужно охладится в формах. После того, как градус снижен, эти пласты дробят на более удобные в использовании куски.

Теперь о кремниевом варианте. Получили его абсолютно случайно, как это по обыкновению бывает. Американский ученый пытался создать искусственный алмаз. В результате экспериментов произошло получение карбидов кремния (они, кстати, на втором месте по твёрдости после не ограненного бриллианта).

Он его запатентовал и открыл первый завод по производству материала. Сказать, что технология с тех пор сильно изменилась – нельзя. Разве что из нее исключили песок и соль, остался углерод и кремнезём, которые все так же накаляют до максимальных температур в печах.

Теперь о более затратных вариантах, к примеру, карбид вольфрама – покупка не из дешевых. Приготовьте около полутора тысяч рублей, с которыми придется распрощаться, приобретая 1000 граммов сырья.

Есть еще один «приятный» бонус, изготовитель может ограничить Вас в выборе количества приобретаемого товара, ведь многие указывают, что Вы обязаны купить минимум 10 килограммов. А если намерены приобрести состав с бором, то и того не легче – меньше 30-ти кило Вам вряд ли кто-то продаст, в то время как 1 кг. вылетит аж в 2 тысячи рублей.