Карбід кальцію: властивості та застосування. Отримання ацетилену
Карбіди - це група неорганічних сполук вуглецю з металами, а також з кремнієм або бором (оскільки ці елементи проявляють металеві властивості). Карбід кальцію - одне з найбільш затребуваних речовин цієї групи. Про властивості і вживання з'єднання читайте нижче.
Історія отримання
Карбід кальцію - з'єднання, що отримало широке застосування в сучасній промисловості. У 1862 році німецький хімік Фрідріх Велер вперше синтезував молекулу цієї речовини. Отримання карбіду кальцію він здійснив такий спосіб. Вчений приготував розплав кальцію з цинком, а потім нагрів його з вугіллям. В результаті вийшов карбід. Хімічна формула сполуки - CaC2. Промисловий спосіб отримання карбіду запропонував вчений Муассан в 1892 році. Інші назви речовини - ацетіленід кальцію, або вуглецевий кальцій. Кристалічна решітка з'єднання виглядає наступним чином:
Фізичні властивості
За своїми фізичними властивостями карбід кальцію є кристалічною речовиною з температурою плавлення 2300 проС. Ця цифра є справедливою лише для чистого з'єднання. Карбід, який містить домішки, може мати інші показники температури плавлення. Основне агрегатний стан речовини - тверде, а колір варіює від сірого до коричневого.
Хімічні властивості
Карбід кальцію добре вбирає воду. Цей процес супроводжується хімічною реакцією розкладання. Важливо, що карбідна пил володіє дратівливою дією на слизові оболонки, шкіру та органи дихання. Тому під час роботи із з'єднанням необхідно використовувати протигази або протипилові респіратори. З киснем карбід кальцію взаємодіє при високій температурі з утворенням карбонату кальцію. Реакція з азотом призводить до синтезу цианамида кальцію. Також при високих температурах карбід кальцію вступає в реакції з'єднання з хлором, фосфором, миш'яком. Але все-таки одним з найважливіших властивостей з'єднання вважається розкладання водою.
Отримання
Виробництво карбіду кальцію полягає в наступному. Негашене вапно і попередньо подрібнений кокс змішують. Отриману суміш піддають розплавлення в електричних печах. Кокс і оксид кальцію беруться в рівних по масі частинах. Процес відбувається при температурі 1900 проС. Розплав виходить з печі і надалі розливається по спеціальним формам. Потім вже затверділий карбід кальцію дроблять і сортують за розміром шматків. Гранули речовини поділяються на чотири фракції відповідно до їх розмірами: 25-80, 15-25, 8-15, 2-8, які визначаються ГОСТом 1460-56. За своїм складом технічний карбід кальцію містить 75-80% основної речовини. На частку домішок, таких, як вуглець, вапно та інших, доводиться до 25% від загальної маси отриманої суміші. Крім того, що міститься в технічному карбіді сульфід і фосфід кальцію обумовлюють досить неприємний його запах. Уявімо реакцію отримання Сас2: СаО + 3С - Сас2 + СО ^. Освіта ацетіленід кальцію супроводжується поглинанням тепла. Тому логічно припустити, що реакція його розкладання, навпаки, йде з виділенням енергії.
Транспортування та зберігання
Унаслідок того, що волога моментально розкладає карбід з виділенням великої кількості тепла і утворенням вибухонебезпечного газу ацетилену, зберігати речовина необхідно в герметично закупорених барабанах або бідонах. Слід пам'ятати, що ацетилен легший за повітря і здатний накопичуватися в верхніх зонах приміщення. Цей газ, крім наркотичної дії, має здатність до самозаймання. Тому використовувати карбід кальцію необхідно з великою обережністю. Розфасовці на виробництві приділяється особлива увага. Готове речовина поміщається в спеціальні барабани (тара, що нагадує консервні банки). Така упаковка вимагає акуратного розтину. При цьому повинен використовуватися інструмент, що не приводить до утворення іскор (молоток або спеціальний ніж). У разі потрапляння карбіду на шкіру або слизові оболонки необхідно негайно промити уражену ділянку водою і обробити місце вазеліном або жирним кремом. Транспортування з'єднання здійснюється з використанням тільки критих видів транспорту. Повітряна доставка карбіду заборонена. Приміщення, де зберігається Сас2, повинні бути добре провітрюваними. Також не дозволяється зберігати карбід спільно з іншими хімічними речовинами. Це може призвести до небажаних, а, можливо, і небезпечним, реакцій. Термін зберігання карбіду становить півроку.
Застосування
Область застосування карбіду кальцію надзвичайно широка. В першу чергу це промисловий синтез. Карбід кальцію використовується для виробництва синтетичного каучуку, оцтової кислоти, ацетону, етилену, вінілхлориду, стиролу. Також він знаходить застосування в отриманні ціанаміду кальцію. Ця речовина цінно своїм використанням у синтезі різних добрив і ціаністих речовин. У сільському господарстві будь агроному відомо таку назву, як карбидно-карбаміду регулятор. Він застосовується для регуляції росту рослин. А для його отримання також використовується карбід кальцію. Крім того, це з'єднання знаходить застосування в процесі виробництва ціанаміду кальцію. Ця реакція заснована на нагріванні карбіду кальцію з азотом. Відновлення лужних металів також не обходиться без застосування описуваного нами речовини. Карбід кальцію застосовується і в процесі газосварки. Наприклад, широко використовуються карбідні лампи. Принцип їх роботи заснований на взаємодії в спеціальній ємності карбіду з водою і згорянні на виході з апарату кінцевого речовини реакції - ацетилену. Подивіться на фото карбідної лампи.
Виробництво ацетилену
Однією з найважливіших галузей застосування карбіду кальцію є його використання в отриманні ацетилену. Заслуга у відкритті цього способу також належить німецькому вченому-хіміку Фрідріху Велер. В основі цього промислового процесу лежить реакція розкладання карбіду під впливом води. Сас2 + 2 Н2О - С2Н2 + Са (ОН)2darr-. На виході утворюється газ ацетилен і гашене вапно, випадає в осад. Процес супроводжується виділенням великої кількості тепла. Обсяг газу на виході залежить від того, наскільки чистий використовується для реакції карбід кальцію. Ацетилен, що утворюється в результаті, може мати різний обсяг - 1 кг вихідної речовини може дати від 235 до 290 літрів газу. Що стосується швидкості протікання реакції, то вона залежить як від малого відсотка домішок в карбіду кальцію, так і від температури води, а також її чистоти. Якщо розглядати теоретичну реакцію виробництва ацетилену з карбіду, то в ній на 1 кг карбіду достатньо 560 мл води. Однак на практиці об'єм води для проведення реакції збільшується. На 1 кг карбіду кальцію в умовах промислового синтезу потрібно від 5 до 20 літрів води. Така кількість необхідно для того, щоб ацетилен краще охолоджувався, а також для забезпечення оптимальної безпеки при роботі. Нижче зображений німецький хімік Фрідріх Велер.
Лабораторний досвід отримання ацетилену
Багатьом з шкільних уроків хімії знайома реакція взаємодії карбіду з водою. Зазвичай цей досвід дозволяє продемонструвати реакцію отримання ацетилену, а також фізичні і хімічні його властивості. Процес виділення газу при цьому відбувається досить бурхливо, тому трубка, що відводить ацетилен з колби з діючими речовинами, поміщається в чашу з водою. Це забезпечує менш активне і стрімкий рух газу. Крім того, в лабораторних умовах можна використовувати й інший спосіб, щоб зробити не надто бурхливої реакцію розкладання такого з'єднання, як карбід. Ацетилен при цьому йде рівномірно і спокійно. Для цього замість води необхідно взяти насичений розчин кухонної солі. Також в лабораторії при проведенні цієї реакції слід обережно додавати воду в карбід, поміщений в об'ємну колбу, а не навпаки.
