Карбид кальция

Разновидности карбидов

Различают несколько разновидностей карбидов в зависимости от конфигурации кристаллической решетки. Тип решетки определяет ряд физико-химических свойства материала, что нужно учитывать при их применении. Рассмотрим основные разновидности кристаллических решеток карбидов:

• Материалы с ковалентной решеткой. Вещества с таким способом связи возможны только в том случае, если в качестве второго элемента выступает бром или кремний. На атомарном уровне соединение образуется за счет sp, sp-2 или sp-3 гибридизации. В веществе атомарный металл заменяет собой углерод, что позволяет формировать прочное устойчивое вещество, которое устойчиво к механическим ударам, высоким температурам, химическим веществам. С точки зрения электропроводности вещество является полупроводником (хотя использование карбидов в качестве полупроводниковых элементов невыгодно с практической точки зрения).
• Металлоподобные материалы. В эту группу входят соединения, у которых металлических элемент является железом, кобальтом, никелем либо относится к переходной группе (IV-VII). У таких карбидных соединений металлические атомы располагаются не на месте атомов углерода, а в различных пустотах кристаллических решеток (поэтому часто такие вещества называют карбидами внедрения). Такое необычное расположение делает вещество устойчивым, крепким, надежным, оно не будет разрушаться под воздействием высоких температур или при воздействии химически активных веществ (кислоты, щелочи, соли и другие).
• Материалы с ионной связью. В эту группу входит множество карбидов, у которых в качестве металлического элемента выступает алюминий, редкоземельные металлы либо элементы I или II группы периодической таблицы. По химической структуре вещества похожи на соединения с ковалентной решеткой с той лишь разницей, что здесь металлы обычно теряют один или несколько электронов на внешнем уровне, что приводит к образованию веществ-ионов. По химико-физическим свойствам ионные карбиды аналогичны стандартным соединениям — отличная прочность, высокая температура плавления. Единственное крупное отличие — вещества активно взаимодействуют с кислотами (обычно с образованием металла или подобных веществ).

Производство

Карбид кальция промышленно производится в электродуговая печь из смеси Лайм и кокс примерно при 2200 ° C (3990 ° F). Это эндотермическая реакция требуется 110 килокалорий (460 кДж) на моль и высокие температуры для удаления окиси углерода. Этот метод не изменился с момента его изобретения в 1892 году:

CaO + 3 C → CaC₂ + CO

Высокая температура, необходимая для этой реакции, практически недостижима при традиционном сжигании, поэтому реакцию проводят в электродуговой печи с графит электроды. Полученный карбидный продукт обычно содержит около 80% карбида кальция по весу. Карбид измельчается, образуя небольшие комочки размером от нескольких до 50 мм. Примеси концентрируются в более мелких фракциях. ЦК₂ Содержание продукта определяют путем измерения количества ацетилена, образующегося при гидролизе. Например, британские и немецкие стандарты содержания более крупных фракций составляют 295 л / кг и 300 л / кг соответственно (при давлении 101 кПа и температуре 20 ° C (68 ° F)). Примеси, присутствующие в карбиде, включают фосфид, который производит фосфин при гидролизе.

Эта реакция была важной частью Индустриальная революция в химии, и это стало возможным в Соединенных Штатах в результате огромного количества недорогих гидроэлектростанция произведено на Ниагарский водопад до рубежа 20-го века. Способ производства в электродуговая печь был открыт в 1892 г

Т. Л. Уилсон и независимо Х. Муассан в том же году. В Босния и Герцеговина город Jajce Австрийский промышленник, доктор Йозеф Кранц и его “Bosnische-Elektrizitäts AG” компания, преемником которой впоследствии стал «Электро-Босна», в 1899 году открыл крупнейший в Европе химический завод по производству карбида кальция. Гидроэлектростанции электростанция на Плива для электроснабжения завода построена река установленной мощностью 8 МВт. Это была первая в своем роде электростанция в Юго-Восточной Европе, которая была введена в эксплуатацию 24 марта 1899 года

Способ производства в электродуговая печь был открыт в 1892 г. Т. Л. Уилсон и независимо Х. Муассан в том же году. В Босния и Герцеговина город Jajce Австрийский промышленник, доктор Йозеф Кранц и его “Bosnische-Elektrizitäts AG” компания, преемником которой впоследствии стал «Электро-Босна», в 1899 году открыл крупнейший в Европе химический завод по производству карбида кальция. Гидроэлектростанции электростанция на Плива для электроснабжения завода построена река установленной мощностью 8 МВт. Это была первая в своем роде электростанция в Юго-Восточной Европе, которая была введена в эксплуатацию 24 марта 1899 года.

Применение карбида кальция

Как ранее было отмечено, карбид кальция встречается в самых различных областях промышленности, зачастую поставляют для проведения промышленного синтеза. Свойства карбида кальция и реакция, протекающая при его соединении с различными веществами, определяют использование вещества в нижеприведенных случаях:

1. Многие синтетически компоненты, входящих в состав современных материалов, производят на основе рассматриваемого компонента.
2. Применяется для получения цианамида кальция. Подобный компонент используется для получения различных химических удобрений. Именно поэтому сырье применяется для регулирования скорости роста растений.
3. Цианамид кальция также получают при соединении вещества с азотом.
4. В некоторых случаях проводится восстановление металлов щелочной группы.
5. Можно использовать рассматриваемое соединение в процессе газовой сварки.

При рассмотрении карбида кальция и области применения стоит учитывать, что подобное вещество чаще всего применяют для получения ацетилена. Подобный синтез карбида кальция разработал немецкий ученый. Среди особенностей подобного способа применения отметим следующие моменты:

1. Ацетилен из карбида получают при оказании воздействия водой на используемое сырье.
2. В результате прохождения химической реакции образуется требующийся газ, гашеная известь выпадает в осадок.
3. Стоит учитывать, что при смешивании компонентов выделяется большое количество тепла. Поэтому работа должна проводится с учетом техники безопасности.
4. В зависимости от вида применяемой технологии переработки сырья с 1 килограмма выходит около 290 литров газа.
5. Скорость протекания процедуры зависит от чистоты применяемого сырья, температуры и количества воды.

Получение ацетилена из карбида кальция

Как показывает практика, при использовании чистого карбида на протекание химической реакции отводится около 20 литров волы на 1 килограмм сырья. Подобное количество воды требуется для того чтобы снизить температуру реакции, за счет чего обеспечиваются оптимальные условия для работы.

Химические свойства

Карбид кальция хорошо впитывает воду. Этот процесс сопровождается химической реакцией разложения

Важно, что карбидная пыль обладает раздражающим действием на слизистые оболочки, кожу и органы дыхания. Поэтому во время работы с соединением необходимо использовать противогазы либо противопылевые респираторы

С кислородом карбид кальция взаимодействует при высокой температуре с образованием карбоната кальция. Реакция с азотом приводит к синтезу цианамида кальция. Также при высоких температурах карбид кальция вступает в реакции соединения с хлором, фосфором, мышьяком. Но все-таки одним из важнейших свойств соединения считается разложение водой.

Применение карбида кальция

Как ранее было отмечено, карбид кальция встречается в самых различных областях промышленности, зачастую поставляют для проведения промышленного синтеза. Свойства карбида кальция и реакция, протекающая при его соединении с различными веществами, определяют использование вещества в нижеприведенных случаях:

1. Многие синтетически компоненты, входящих в состав современных материалов, производят на основе рассматриваемого компонента.
2. Применяется для получения цианамида кальция. Подобный компонент используется для получения различных химических удобрений. Именно поэтому сырье применяется для регулирования скорости роста растений.
3. Цианамид кальция также получают при соединении вещества с азотом.
4. В некоторых случаях проводится восстановление металлов щелочной группы.
5. Можно использовать рассматриваемое соединение в процессе газовой сварки.

При рассмотрении карбида кальция и области применения стоит учитывать, что подобное вещество чаще всего применяют для получения ацетилена. Подобный синтез карбида кальция разработал немецкий ученый. Среди особенностей подобного способа применения отметим следующие моменты:

1. Ацетилен из карбида получают при оказании воздействия водой на используемое сырье.
2. В результате прохождения химической реакции образуется требующийся газ, гашеная известь выпадает в осадок.
3. Стоит учитывать, что при смешивании компонентов выделяется большое количество тепла. Поэтому работа должна проводится с учетом техники безопасности.
4. В зависимости от вида применяемой технологии переработки сырья с 1 килограмма выходит около 290 литров газа.
5. Скорость протекания процедуры зависит от чистоты применяемого сырья, температуры и количества воды.

Получение ацетилена из карбида кальция

Как показывает практика, при использовании чистого карбида на протекание химической реакции отводится около 20 литров волы на 1 килограмм сырья. Подобное количество воды требуется для того чтобы снизить температуру реакции, за счет чего обеспечиваются оптимальные условия для работы.

Производство – карбид – кальций

Производство карбида кальция состоит из следующих стадий: обжига известняка, приготовления шихты, получения карбидного плава, дробления или гранулирования карбида кальция.  

Производство карбида кальция термической реакцией между коксом и окисью кальция имеет широкое распространение. Так, в 1965 г. для этих целей потреблялось более 2 500 000 т кокса во всем мире, из которых, вероятно, от 800 до 900 тыс. т в странах Западной Европы. Но не следует ожидать развития производства карбида кальция в ближайшие годы. Во многих случаях ацетилен может быть заменен этиленом, который более экономичен. Кроме того, для производства ацетилена с карбидным процессом конкурируют другие процессы, принцип которых – пиролиз таких углеводородов, как метан, этан и легкие бензины. Этот пиролиз может происходить при внешнем обогреве, частичном сгорании или под действием электрического тока в форме дуги или разряда. Эти процессы обычно дают смеси ацетилена и этилена, пригодные для использования. Нельзя сказать, что эти процессы были хорошо отработаны и надежны к 1967 г., но можно надеяться, что многие из них позволят получать ацетилен с ценой менее 0 80 франков / кг; в связи с этим будет ограничена замена его на этилен.  

Производство карбида кальция необходимо вести на однородном сырье. Поэтому карбидные заводы работают обычно на сырье, получаемом с определенных, достаточно изученных месторождений.  

Производство карбида кальция и производство извести характерны высокими температурами процессов и выделением большого количества пыли; само производство карбида кальция относится к числу взрывоопасных и огнеопасных.  

Производство карбида кальция относится к числу электротермических производств.  

Производство карбида кальция по различным причинам является первым основным процессом химической технологии, с которого обычно начинается процесс индустриального развития в слаборазвитых странах. Объем промышленного производства карбида кальция продолжает увеличиваться в высокоразвитых промышленных странах, в то же время продолжает расширяться мировое производство.  

Производство карбида кальция относится к числу электротермических производств.  

Схема производства карбида кальция. / – электрическая печь. 2 – бункера. 3-транспортер. 4 – трубы-питатели. 5 – летка. 6 – вращающийся барабан. 7 – элеватор. S – хранилище.

Производство карбида кальция осуществляется в непрерывно действующих электрических печах прямого нагрева ( см. гл. VII) двух типов – однофазных и трехфазных. Мощные карбидные печи обычно трехфазные, с прямоугольной или элиптической ванной, в которой в ряд располагаются самообжигающиеся электроды. Мощность современных карбидных печей достигает 30 – 40 тыс. кет.  

Производство карбида кальция во всех странах в последнее время превышает 3 5 млн. тв год ( общий расход электроэнергии составил около Ю млрд. квт-ч), электротермическое производство фосфора ( по неполным данным) составляет около 500 тыс. от в год ( общий расход электроэнергии свыше.  

Схемы непрерывного наращивания электродов.

Производство карбида кальция осуществляется в непрерывно действующих электрических печах прямого нагрева.  

Производство карбида кальция в России началось в 1908 г. В Земко-вицах были сооружены две небольшие однофазные печи по 500 кВ – А.  

Поскольку производство карбида кальция освоено сравнительно давно, дальнейшее снижение расходных показателей протекает относительно медленно.  

Однако производство карбида кальция, несмотря на постоянное совершенствование технологического процесса, остается громоздким и тяжелым по условиям труда. Многие крупные месторождения известняка, пригодного для переработки, не могут использоваться, так как перевозка известняка на дальние расстояния невыгодна.  

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.

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.

Лабораторный опыт получения ацетилена

Многим из школьных уроков химии знакома реакция взаимодействия карбида с водой. Обычно этот опыт позволяет продемонстрировать реакцию получения ацетилена, а также физические и химические его свойства. Процесс выделения газа при этом происходит достаточно бурно, поэтому трубка, отводящая ацетилен из колбы с действующими веществами, помещается в чашу с водой. Это обеспечивает менее активное и стремительное движение газа. Кроме того, в лабораторных условиях можно использовать и другой способ, чтобы сделать не слишком бурной реакцию разложения такого соединения, как карбид. Ацетилен при этом идет равномерно и спокойно. Для этого вместо воды необходимо взять насыщенный раствор поваренной соли

Также в лаборатории при проведении этой реакции следует осторожно добавлять воду в карбид, помещенный в объемную колбу, а не наоборот

Что такое «карбид», знает любой мальчишка. Если бросить кусочек карбида в лужу, то кроме дикого шипения получается еще дичайшая вонь. А как получается сам карбид?

Вообще карбидов существует множество, как и применений ему. Но нас пока интересует карбид кальция CaC 2 — то есть тот, который используют для получения ацетилена при соединении карбида с водой.

Слишком сложного в получении карбида кальция нет. Сейчас для этого в электропечах пережигают негашеную известь с коксом. При всей этой простоте — впервые карбид кальция был получен в лаборатории в 1836-м году, а промышленно его начали получать в 1892 году. Для попаданца — широчайшее поле для внедрения!

Все реакция — CaO + 3C = CaC 2 + CO Негашеная известь соединяется с углеродом. Негашеную известь получали с древних времен, пережигая известняк, ну и древесный уголь тоже дефицитом не был никогда. Полученный попутно угарный газ (СО) окисляется до углекислого газа прямо при выходе из печи, хотя сейчас часто печи делают закрытыми для сбора угарного газа. На 100 весовых частей негашеной извести нужно 70-80 весовых частей углерода. При производстве лучше иметь избыток угля, чем извести — такой карбид отдает больше ацетилена. Готовый карбид кальция технического качества почти на 80% состоит из самого карбида кальция, 17% — известь, остальное примеси. Карбид выходит в виде расплава, который после затвердевания измельчают.

Но, несмотря на простоту реакции получения, есть некоторые неприятные нюансы. Главное — процесс этот эндотермический, он поглощает дикое количество тепла в процессе производства — 3000 кВт на тонну продукта. Именно из-за этого его делают электродуговым способом. При этом сам процесс идет в жидкой фазе — то есть расплавленная известь постепенно реагирует с кусками углерода. При этом нужна температура примерно 2000°С, что совсем немало. И что совсем неприятно — при перегреве до 2200-2400°С карбид кальция распадается на составляющие.

Поэтому, если нам не доступно электричество в больших объемах, у нас есть два выхода.

Первый — это плавить в тигле. Проблема в том, что тигель должен выдержать эти самые 2000°С, а в древние времена ни графитовый, ни вольфрамовый тигель нам будут недоступны.

Второй — построить небольшую доменную печь. Требуемое тепло даст избыточное количество угля. Уголь и известь насыпаются туда слоями и печь поддувается большим количеством воздуха. Такие печи пытались строить и главная проблема — поддержка точных условий реакции, что регулируется силой поддува. С одной стороны — такую печь можно построить только когда уже работают доменные печи для железа. А с другой стороны — а нам точно нужен карбид, если нет даже железа?

Трудность вызовет хранение карбида. Он должен быть абсолютно изолирован от воды — много лучше, чем порох. Потому что если порох намокнет, то он не взорвется, а если намокнет карбид — то взрыв обеспечено. И что хуже всего — при хранении не должна использоваться медь, серебро или золото.

Проблем с производством карбида будет немало. Но при каком производстве их будет мало? Зато все проблемы — решаемые чуть ли не с технологиями Древнего Египта. А пользы от карбида будет много…

И последнее — ацетилен, который получается после контакта карбида с водой — ничем не пахнет, человек просто не имеет обонятельных рецепторов для него. Та вонь, по которой мы безошибочно определяем карбид — это примеси, которых в техническом карбиде несколько процентов.

Транспортировка и хранение

По причине того, что влага моментально разлагает карбид с выделением большого количества тепла и образованием взрывоопасного газа ацетилена, хранить вещество необходимо в герметично закупоренных барабанах или бидонах. Следует помнить, что ацетилен легче воздуха и способен скапливаться в верхних зонах помещения. Этот газ, помимо наркотического действия, обладает способностью к самовоспламенению

Поэтому использовать карбид кальция необходимо с большой осторожностью

Расфасовке на производстве уделяется особое внимание. Готовое вещество помещается в специальные барабаны (тара, напоминающая консервные банки)

Такая упаковка требует аккуратного вскрытия. При этом должен использоваться инструмент, не приводящий к образованию искр (молоток или специальный нож). В случае попадания карбида на кожу или слизистые оболочки необходимо немедленно промыть пораженный участок водой и обработать место вазелином или жирным кремом. Транспортировка соединения осуществляется с использованием только крытых видов транспорта. Воздушная доставка карбида запрещена. Помещения, где хранится СаС2, должны быть хорошо проветриваемыми. Также не разрешается хранить карбид совместно с другими химическими веществами. Это может привести к нежелательным, а, возможно, и опасным, реакциям. Срок хранения карбида составляет полгода.