Карбід кальцію

В результаті взаємодії вуглецю з металами при високих температурахотовчаються карбіди. Наприклад, карбід кальцію: Ca + 2C → CaC2. З усіх карбидів він має найбільше практичне значення. Чистий CaC2 – добре кристалізована тверда речовина, безбарвні кристали утворені іонами Ca2 + і C2-. Інші його назви – ацетиленід кальцію або вуглецевий кальцій. Молярна маса дорівнює 64,1 г/моль. Він не летуч і не розчинимо в жодному з відомих розчинників, а під дією води розкладається. Щільність його становить 2,22 г/см. Температура плавлення дорівнює 2160 ° С, а кипіння – 2300 ° С. За ступенем впливу на організм належить до речовин надзвичайно небезпечних (1-й клас небезпеки).

Вперше ацетиленід кальцію був отриманий в 1862 році німецьким хіміком Фрідріхом Велером при нагріванні з вугіллям сплаву з цинку і кальцію. Їм же була описана реакція вуглецевого кальцію з H2O. Навіть з її слідами (наприклад, з атмосферною вологою) карбід кальцію реагує енергійно, з виділенням великої кількості тепла. Але в разі нестачі води може відбутися самозаймання ацетилену, що утворюється. Карбід кальцію бурхливо взаємодіє з розбавленими неорганічними кислотами і водними розчинами лужів. При цьому також відбувається виділення ацетилену. Будучи сильним відновлювачем, CaC2 здатний відновлювати всі оксиди металів до карбидів або чистих металів.

Отримання карбіду кальцію зручніше не з самого кальцію, а його окисла. При високій температурі (від 2000 до 2300 ° С) відбувається його відновлення. При цьому метал і вуглець з’єднуються: CaO + 3C → CO↑ + CaC2. Процес протікає в електродуговій печі, де розжарюють суміш негашеної вапна і коксу або антрациту. Технічний продукт пофарбовано, має сіруватий колір, оскільки містить домішки у вигляді вільного вуглецю, окису, а також сульфіду, фосфіду кальцію та інших хімічних сполук. Масова частка CaC2 в ньому становить 80 – 85%.

При взаємодії карбидів з водою виділяється або метал, або ацетилен. По другому варіанту з водою реагує карбід кальцію. Ацетилен, отриманий в результаті реакції, яка має промислове значення: 2H2O + CaC2 ^ C2H2 + Ca (OH) 2, є технічним і має неприємний запах, оскільки містить ряд домішок (NH3, H2S, PH3 та інші). Хоча в чистому вигляді він є безбарвним газом з характерним слабеньким запахом, і він досить добре розчиняється у воді. Має велике значення для отримання ціанаміду кальцію (є сировиною у виробництві ціаністих сполук або застосовується як добриво) з карбіду взаємодією його з азотом щодо рівняння реакції: N2 + CaC2 → CaCN2 + C.

Минулого CaC2 широко використовувався в карбидних лампах, де служив джерелом ацетиленового полум’я. Зараз застосування такого джерела світла обмежується переважно спелеологією, його використовують також у бакенах і маяках. Інші важливі напрямки застосування CaC2 – це хімічні технології, де він є сировиною. Наприклад, у виробництві продуктів органічного синтезу, головним з них є каучук синтетичний. Також з вуглецевого кальцію отримують ацетиленову сажу, вінілхлорид, оцтову кислоту, акрилонітрил, етилен, ацетон, штучні смоли, стирол. У металургії служить для розкислення металів і десульфурації (зниження вмісту кисню і сірки відповідно). Карбід кальцію використовують для виготовлення регулятора росту рослин, порошкового карбідного реагенту (ацетиленове зварювання).

Отримання кожної тонни CaC2 вимагає приблизно 3 тисячі квт/год електроенергії. Тому воно виправдане за наявності низьких цін на неї. Однак загалом світове виробництво вуглецевого кальцію зростає. Якщо в 70-х роках минулого століття щорічно вироблялося до 5 мільйонів тонн, то в нашому столітті ця кількість зросла приблизно вдвічі. Так, в Китаї виробництво ацетилену на основі карбіду кальцію є основним джерелом сировини для хімічної промисловості, зокрема, для виробництва полівінілхлориду. Отримання ацетилену зі своєї сировини економічніше, ніж при використанні імпортної нафти. Тому виробництво його в Китаї зростає. У 2005 році воно досягало 8,94 мільйонів тонн, і була реальна можливість випускати 17 мільйонів тонн.

На відміну від Китаю, в США, Європі та Японії споживання вуглецевого кальцію, як правило, знижується. Рівень його виробництва в США в 90-х роках становив всього 236 тисяч тонн на рік. У нашій країні карбід кальцію випускають за технічними умовами, викладеними в ДСТУ 1460-81. Основні його споживачі – це Україна, Узбекистан, Румунія та Словаччина. Через високу енергоємність продукту і у зв’язку зі зростанням цін на електроенергію споживання ацетиленіда кальцію в Росії і країнах-експортерах знизилося вдвічі.

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 – одна з найбільш затребуваних речовин цієї групи. Про властивості та застосування з ‘єднання читайте нижче.

• Історія отримання
• Фізичні властивості
• Хімічні властивості
• Отримання
• Транспортування і зберігання
• Застосування
• Виробництво ацетилену
• Лабораторний досвід отримання ацетилену

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 наступним чином. Вчений приготував розплав кальцію з цинком, а потім нагрів його з вугіллям. У результаті вийшов карбід. Хімічна формула сполуки – CaC2. Промисловий спосіб отримання карбіду запропонував учений Муассан у 1892 році. Інші назви речовини – ацетиленід 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 оС. Ця цифра є справедливою лише для чистого з ‘єднання. Карбід, що містить домішки, може мати інші показники температури плавлення. Основний агрегатний стан речовини – твердий, а колір варіює від сірого до коричневого.

Хімічні властивості

Карбід кальцію добре вбирає воду. Цей процес супроводжується хімічною реакцією розкладання. Важливо, що карбидний пил має дратівливу дію на слизові оболонки, шкіру та органи дихання. Тому під час роботи зі з ‘єднанням необхідно використовувати протигази або протипильові респіратори. З киснем карбід кальцію взаємодіє при високій температурі з утворенням карбонату кальцію. Реакція з азотом призводить до синтезу ціанаміду кальцію. Також при високих температурах карбід кальцію вступає в реакції сполуки з хлором, фосфором, миш ‘яком. Але все-таки однією з найважливіших властивостей з ‘єднання вважається розкладання водою.

Отримання

Виробництво карбіду кальцію полягає в наступному. Негашену вапно і попередньо подрібнений кокс змішують. Отриману суміш піддають розплавленню в електричних печах. Кокс і оксид кальцію беруться в рівних за масою частинах. Процес відбувається при температурі 1900 оС. Розплав виходить з печі і надалі розливається за спеціальними формами. Потім карбід кальцію, що вже затвердів, дроблять і сортують за розміром шматків. Гранули речовини розділяються на чотири фракції відповідно до їх розмірів: 25 ст.180, 15 ст.125, 8 ст.115, 2 ст.18, які визначаються Держтом 1460-56. За своїм складом технічний карбід кальцію містить 75-80% основної речовини. На частку домішок, таких, як вуглець, вапно та інших, припадає до 25% від загальної маси отриманої суміші. Крім того, сульфід і фосфід кальцію, що міститься в технічному карбіді, обумовлюють досить неприємний його запах. Представимо реакцію отримання СаС2: СаО + 3С. СаС2 + СО. Утворення ацетиленіда кальцію супроводжується поглинанням тепла. Тому логічно припустити, що реакція його розкладання, навпаки, йде з виділенням енергії.

Транспортування і зберігання

Через те, що волога моментально розкладає карбід з виділенням великої кількості тепла і утворенням вибухонебезпечного газу ацетилену, зберігати речовину необхідно в герметично закупорених барабанах або бідонах. Слід пам ‘ятати, що ацетильний легше повітря і здатний накопичуватися у верхніх зонах приміщення. Цей газ, крім наркотичної дії, володіє здатністю до самозаймання. Тому використовувати карбід кальцію необхідно з великою обережністю. Розфасовці на виробництві приділяється особлива увага. Готова речовина поміщається в спеціальні барабани (тара, що нагадує консервні банки). Така упаковка вимагає акуратного розтину. При цьому повинен використовуватися інструмент, що не призводить 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 небезпечних, 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 каучука, оцтової кислоти, ацетону, етилену, вінілхлориду, стиролу. Також він знаходить застосування в отриманні ціанаміду кальцію. Ця речовина цінна своїм використанням у синтезі різних добрив і ціанистих речовин. У сільському господарстві будь-якому агроному відома така назва, як карбідно-карбамідний регулятор. Він застосовується для регуляції зростання рослин. А для його отримання також використовується карбід кальцію. Крім того, це з ‘єднання знаходить застосування в процесі виробництва ціанаміду кальцію. Ця реакція базується на нагріванні карбіду кальцію з азотом. Відновлення лужних металів також не обходиться без застосування описуваної нами речовини. Карбід кальцію застосовується і в процесі газозварювання. Наприклад, широко використовуються карбідні лампи. Принцип їх роботи заснований на взаємодії в спеціальній ємності карбіду з водою і згоряння на виході з апарату кінцевої речовини реакції – ацетилену. Подивіться на фото карбідної лампи.

Виробництво ацетилену

Однією з найважливіших областей застосування карбіду кальцію є його використання в отриманні ацетилену. Заслуга у відкритті цього способу також належить німецькому вченому-хіміку Фрідріху Велеру. В основі цього промислового процесу лежить реакція розкладання карбіду під впливом води. СаС2 + 2 Н2О ^ С2Н2 + Са (ОН) 2. На виході утворюється газ ацетилен і гашена вапна, що 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 у карбіді 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 обсяг води для проведення реакції збільшується. На 1 кг карбіду кальцію в умовах промислового синтезу потрібно від 5 до 20 літрів води. Така кількість необхідна 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 зі шкільних уроків хімії знайома реакція взаємодії карбіду з водою. Зазвичай цей досвід дозволяє продемонструвати реакцію отримання ацетилену, а також фізичні та 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 активний і стрімкий рух газу. Крім того, в лабораторних умовах можна використовувати і інший спосіб, щоб зробити не надто бурхливою 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.

Що таке карбід кальцію для зварювання

Багато людей не з чуток знають, що таке карбід натрію або кальцію. У 80-х роках навіть крихітний шматок цієї твердої коричневої або сірої субстанції вважався величезним багатством, особливо для маленьких дітей, які так любили з ним грати. Вся справа в тому, що при контакті з водою речовина входить у термічну реакцію, виділяючи дим. Запах карбіду нагадує аромат часнику.

Карбід кальцію у зварюванні

Для зварювальних робіт карбід є чи не ідеальною речовиною, тому що при взаємодії з водою виділяє в навколишній простір летючий газ ацетилен, який служить основою металізації, напаювання, кисневого зварювання та багатьох інших процесів, що відносяться до обробки металевих сплавів.

Створюється цей склад при дуже високій температурі (до 2400 градусів) за допомогою розплавлення негашеного вапна та коксу всередині електродугової печі. Потім розпечена рідка речовина міститься у спеціальні форми (виливниці), де вона застигає і твердне. Потім карбід розколюють на шматочки розміром не більше 8 см. У результаті отримана субстанція складатиметься приблизно на 78% з карбіду кальцію, а решта 22% – це вапняні окиси, домішки та інші речовини.

Так як при впливі води карбід виділяє велику кількість ацетиленового газу та теплової енергії, це суттєво ускладнює його зберігання. Щоб уникнути псування речовини , його нерідко укладають у герметичні сталеві резервуари. При відкритті цих металевих судин необхідно уникати відкритого полум’я та іскор, інакше можуть бути сумні наслідки.

Карбідний пил (частинки до 2 мм) непридатний для застосування , тому що розчиняється у воді практично моментально. Крім того, при зберіганні великої кількості пилу збільшується ризик, що застосування складу призведе до вибуху резервуара. Фахівці відзначають, що кілограм речовини, що розглядається, здатний виділити при взаємодії з водою більше 260 кубічних дюймів ацетилену.

Особливості застосування

У зварюванні цю речовину використовують скрізь. Роблять це за такою схемою:

1. Шматочки карбіду поміщаються у кошик. Оптимальний розмір елементів – 8 см. Такі “камінці” зможуть забезпечити оптимальне вироблення ацетиленового газу. Фахівці не радять насипати в генератор карбідний пил. Частинки менше 2 мм у діаметрі майже миттєво виділяють ацетилен, що може призвести до вибуху обладнання.
2. Кошик ставлять у спеціальний резервуар із водою. Його горловину потрібно закрити щільною кришкою із гвинтовим кріпленням.
3. Через обертання гвинтового маховика кошик зі шматками речовини занурюються у воду, починається генерація ацетиленового газу. Зменшуючи/збільшуючи глибину занурення кошика, можна регулювати інтенсивність вироблення ацетилену, підтримуючи в пальнику пристрою для зварювання оптимальну інтенсивність.

Вимоги безпеки

У зв’язку з тим, що це небезпечний матеріал, працювати з ним потрібно, суворо дотримуючись правил безпеки. Основні правила, які обов’язково повинні виконувати при зварюванні за допомогою карбіду:

1. Не забувайте, що карбід дуже активно реагує на вплив води та повітря.
2. Зберігати речовину необхідно виключно у герметичному та сухому місці.
3. Речовина є дуже вибухонебезпечною, тому відкрите полум’я та іскри біля неї категорично заборонені.
4. Карбідний пил може спричинити подразнення слизових та шкірного покриву, тому при роботі з нею потрібно обов’язково користуватися захисними окулярами, рукавичками та респіратором.
5. Монтаж ацетиленових генераторів заборонено у підвалах.
6. Після закінчення зварювання за допомогою карбідних шматочків потрібно «допрацювати» залишки речовини в генератори. Отримані шлаки слід поміщати у спеціальний бункер або яму.
7. Також заборонено курити під час роботи з цим матеріалом.
8. Крапки та удари при перевезенні балонів з газом вкрай небезпечні та можуть призвести до трагічних наслідків.