9. Одержання карбідів
Одержання карбідів взаємодією металів і неметалів з вугіллям. Для синтезу використовують чисті речовини, оскільки всі домішки з вихідних речовин перетворюються на карбіди. Найбільш придатні метали, які одержані відновленням оксидів воднем. Швидкість реакції визначається головним чином ступенем подрібнення вихідних речовин, оскільки взаємодія відбувається за рахунок взаємної дифузії речовин. Метали і неметали повинні бути у вигляді порошку. Крихкі метали можна подрібнити в ступці із загартованої сталі.
М'які або в'язкі метали (літій, кальцій і т.д.) слід нарізати дрібними шматочками (1 – 0,5 мм). Щоб попередити окислення металів, цю операцію слід проводити в бензолі, гасі і т.д. або в інертній сухій атмосфері в спеціальному боксі. Інертні гази – азот, аргон, оксид вуглецю (IV).
Вугілля і метал відважують на аналітичних терезах відповідно до формули одержуваного карбіду, 4 – 5 г суміші ретельно перемішують і пресують в таблетки під тиском не менше 15·106 Па. Спресовану суміш поміщають у фарфорову або кварцову трубку і прожарюють в атмосфері аргону, азоту або у вакуумі. Газ необхідно ретельно очистити від слідів кисню. Найкраще його пропустити через розжарену трубку, наповнену магнієвими, кальцієвими або залізними стружками, або через промивалку з розплавленим натрієм. Спресовані таблетки поміщають в трубку в лодочці. Час прожарювання залежить від ступеня подрібнення металу, його природи і температури. Якщо використовується метал у вигляді порошку, реакція при відповідній температурі закінчується за 2 – 3 години. Для гомогенізації продукт слід (після охолодження в інертному газі) подрібнити в ступці, трохи змочити спиртом або гліцерином, спресувати і знову прожарити. За відсутності пресу вихідну суміш можна прожарити, утрамбувавши її у фарфоровій або кварцовій лодочці. В цьому випадку процес утворення карбідів уповільнюється внаслідок зменшення контакту між частинами вихідних речовин.
Проводити реакції можна також в електричній дузі. Шихту поміщають в графітний тигель (рис. 86). До тиглю і до електроду підводять електричний струм напругою 40 – 60 В і силою 12 – 15 А. Для створення контакту верхню частину електроду і зовнішню поверхню тигля покривають міддю електролітичним способом, а потім обвивають мідною стрічкою або дротом, до якого і підводять електричний струм. Електрод опускають до зіткнення з дном тигля, а потім дещо піднімають. В цьому випадку створюється електрична дуга. Через 3 – 5 хв. струм вимикають і після охолодження виймають з тигля готовий продукт, який утворюється в сплавленому вигляді.
Замість тигля зручно використовувати пристосування, виготовлене з двох шматків деревного вугілля або двох цеглин з вугілля. Його обстругують ножем у вигляді двох цеглин і роблять невеликі канавки для графітних електродів. Канавки нижнього бруска засинають тонким шаром оксиду магнію (або кварцового піску) і поміщають у них електроди. Електроди зверху засипають тонким шаром оксиду магнію і закривають зверху бруском вугілля (рис. 87). В центрі вугілля роблять невелике поглиблення, в яке перед зборкою поміщають декілька грамів металу у вигляді порошку або стружки, змішаної з порошком деревного вугілля. При роботі графітні електроди зближують майже до зіткнення і, як тільки між ними виникне електрична дуга, їх трохи розсовують. Через 2 – 3 хв. струм вимикають і через 5 – 10 хв. знімають верхній брусок деревного вугілля. Карбіди утворюються в сплавленому вигляді.
|
|
| |
|
Рис. 86. Одержання карбідів в графітному тиглі: 1– графітний електрод; 2 – підведення електричного струму до тиглю; 3 – графітний тигель; 4 – шихта. |
Рис. 87. Одержання карбідів в електричній дузі з використанням деревного вугілля. | |
Як вихідні продукти при роботі в електричній дузі можна брати і оксиди. Спочатку вони відновлюються вуглецем, а потім отримані метали утворюють карбіди (карбіди, які одержують цим методом, часто мають знижений вміст вуглецю в порівнянні з теоретичним).
Одержання карбідів взаємодією метану з металами і їх оксидами. Метан при високих температурах знаходиться в стані дисоціації, тому він є найсильнішим відновником. Вуглець, що в той же час виділяється, дуже активний і легко з'єднується з різними металами і неметалами. Розкладання метану прискорюється на поверхні розділу фаз, зокрема на поверхні металів, які каталізують реакцію розкладання. Реакцію проводять у фарфорових, кварцових або графітних трубках (кварц при високих температурах поступово руйнується). Наважку металу або оксиду розміщують тонким шаром у фарфоровій або кварцовій лодочці в трубку і після витіснення повітря метаном (природний газ) прожарюють у слабкому струмені цього газу. Час прожарювання визначається ступенем подрібнення металу. Порошкоподібні метали насичуються вуглецем за 1 – 2 години. Якщо ж метал був узятий у вигляді шматочків, то часу на реакцію затрачається більше, оскільки процес носить дифузійний характер.
Процес одержання, карбідів з оксидів поетапний: спочатку оксид відновлюється воднем до металу, який потім насичується вуглецем. Оскільки метали утворюються в мілкодисперсному стані, насичення вуглецем відбувається швидко – протягом 1 – 2 годин. Подальше прожарювання отриманого карбіду в струмені метану може призвести до забруднення його вугіллям, яке утворюється в результаті термічного розкладання метану і відкладається на поверхні карбіду. В чистому стані отримати карбіди цим методом досить важко.