En química , un carburo generalmente describe un compuesto compuesto de carbono y un metal. En metalurgia , la carburación o carburación es el proceso para producir revestimientos de carburo en una pieza de metal. [1]
Carburos intersticiales / metálicos [ editar ]
Los carburos de los metales de transición de los grupos 4, 5 y 6 (con la excepción del cromo) se describen a menudo como compuestos intersticiales . [2] Estos carburos tienen propiedades metálicas y son refractarios . Algunos exhiben una variedad de estequiometrías , siendo una mezcla no estequiométrica de varios carburos que surgen debido a defectos en los cristales. Algunos de ellos, por ejemplo, el carburo de titanio , el TiC y el carburo de tungsteno, son importantes a nivel industrial y se utilizan para revestir metales en herramientas de corte. [3]
La visión tradicional es que los átomos de carbono encajan en intersticios octaédricos en una red metálica compacta cuando el radio del átomo metálico es mayor que aproximadamente 135 pm: [2]
- Cuando los átomos de metal están empaquetados cúbicamente, (ccp), entonces el llenado de todos los intersticios octaédricos con carbono logra una estequiometría 1: 1 con la estructura de sal de roca.
- Cuando los átomos de metal están empaquetados hexagonalmente , (hcp), ya que los intersticios octaédricos se encuentran directamente uno frente al otro a cada lado de la capa de átomos de metal, al llenar solo uno de estos con carbono se logra una estequiometría 2: 1 con la estructura de CdI 2 .
La siguiente tabla [2] [3] muestra las estructuras reales de los metales y sus carburos. (Nota: la estructura cúbica centrada en el cuerpo adoptada por vanadio, niobio, tantalio, cromo, molibdeno y tungsteno no es una red compacta.) La notación "h / 2" se refiere a la estructura de tipo M 2 C descrita anteriormente, que es solo una descripción aproximada de las estructuras reales. La simple idea de que la red del metal puro "absorbe" átomos de carbono puede parecer falsa, ya que el empaquetamiento de la red del átomo metálico en los carburos es diferente del empaquetamiento en el metal puro, aunque es técnicamente correcto que el carbono los átomos encajan en los intersticios octaédricos de una red metálica compacta.
| Metal | Estructura de metal puro | Radio metálico (pm) | Embalaje de átomos de metal MC | Estructura MC | Embalaje de átomos de metal M 2 C | Estructura M 2 C | Otros carburos |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| titanio | hcp | 147 | ccp | sal de roca | |||
| circonio | hcp | 160 | ccp | sal de roca | |||
| hafnio | hcp | 159 | ccp | sal de roca | |||
| vanadio | bcc | 134 | ccp | sal de roca | hcp | h / 2 | V 4 C 3 |
| niobio | bcc | 146 | ccp | sal de roca | hcp | h / 2 | Nb 4 C 3 |
| tantalio | bcc | 146 | ccp | sal de roca | hcp | h / 2 | Ta 4 C 3 |
| cromo | bcc | 128 | Cr 23 C 6 , Cr 3 C, Cr 7 C 3 , Cr 3 C 2 | ||||
| molibdeno | bcc | 139 | hexagonal | hcp | h / 2 | Mes 3 C 2 | |
| tungsteno | bcc | 139 | hexagonal | hcp | h / 2 |
Durante mucho tiempo se creyó que las fases no estequiométricas estaban desordenadas con un relleno aleatorio de los intersticios, sin embargo, se ha detectado un orden de rango corto y largo. [4]
El hierro forma varios carburos, Fe 3 C, Fe 7 C 3 y Fe 2 C. El más conocido es la cementita , Fe 3 C, que está presente en los aceros. Estos carburos son más reactivos que los carburos intersticiales; por ejemplo, los carburos de Cr, Mn, Fe, Co y Ni se hidrolizan todos con ácidos diluidos y algunas veces con agua, para dar una mezcla de hidrógeno e hidrocarburos. Estos compuestos comparten características tanto con los intersticiales inertes como con los carburos salinos más reactivos. [2]
Se cree que algunos metales, como el plomo y el estaño , no forman carburos bajo ninguna circunstancia. [5] Sin embargo, existe una mezcla de carburo de titanio y estaño, que es un conductor bidimensional. [6]
Clasificación química de carburos [ editar ]
Los carburos pueden clasificarse generalmente por el tipo de enlaces químicos como sigue: (i) salinos (iónicos), (ii) compuestos covalentes , (iii) compuestos intersticiales y (iv) carburos de metales de transición "intermedios" . Los ejemplos incluyen carburo de calcio (CaC 2 ), carburo de silicio (SiC), carburo de tungsteno (WC; a menudo llamado, simplemente, carburo cuando se refiere a máquinas herramienta) y cementita (Fe 3 C), [2] cada uno utilizado en aplicaciones industriales clave. . La denominación de carburos iónicos no es sistemática.
Carburos salinos / salinos / iónicos [ editar ]
Los carburos similares a la sal están compuestos de elementos altamente electropositivos, como los metales alcalinos , los metales alcalinotérreos y los metales del grupo 3, incluidos el escandio , el itrio y el lantano . El aluminio del grupo 13 forma carburos , pero no el galio , el indio y el talio . Estos materiales presentan centros de carbono aislados, a menudo descritos como "C 4 - ", en las metanidas o metidas; unidades de dos átomos, " C2−
2", en los acetiluros ; y unidades de tres átomos," C4−
3", en los aliluros. [2] El compuesto de intercalación de grafito KC 8 , preparado a partir de vapor de potasio y grafito, y los derivados de metales alcalinos de C 60 no suelen clasificarse como carburos. [7]
Metánidos [ editar ]
Los metanuros son un subconjunto de carburos que se distinguen por su tendencia a descomponerse en agua produciendo metano . Tres ejemplos son el carburo de aluminio Al
4C
3, carburo de magnesio Mg
2C [8] y carburo de berilio Be
2C .
Los carburos metálicos de transición no son carburos salinos, pero su reacción con el agua es muy lenta y generalmente se descuida. Por ejemplo, dependiendo de la porosidad de la superficie, se hidrolizan de 5 a 30 capas atómicas de carburo de titanio , formando metano en 5 minutos en condiciones ambientales, seguido de la saturación de la reacción. [9]
Tenga en cuenta que la metanida en este contexto es un nombre histórico trivial. Según las convenciones sistemáticas de denominación de la IUPAC, un compuesto como el NaCH 3 se denominaría "metanuro", aunque este compuesto a menudo se denomina metilsodio. [10]
Acetiluros / Etínidos [ editar ]
Se supone que varios carburos son sales del anión acetiluro C 2 2– (también llamado percarburo), que tiene un triple enlace entre los dos átomos de carbono. Los metales alcalinos, los metales alcalinotérreos y los metales lantanoides forman acetiluros, por ejemplo, carburo de sodio Na 2 C 2 , carburo de calcio CaC 2 y LaC 2 . [2] Los lantánidos también forman carburos (sesquicarburos, ver más abajo) con la fórmula M 2 C 3 . Los metales del grupo 11 también tienden a formar acetiluros, como el acetiluro de cobre (I) y el acetiluro de plata.. Los carburos de los elementos actínidos , que tienen estequiometría MC 2 y M 2 C 3 , también se describen como derivados salinos de C2−
2.
La longitud del triple enlace CC varía de 119,2 pm en CaC 2 (similar al etino), a 130,3 pm en LaC 2 y 134 pm en UC 2 . El enlace en LaC 2 se ha descrito en términos de La III con el electrón extra deslocalizado en el orbital antienlazante en C2−
2, explicando la conducción metálica. [2]
Allylides [ editar ]
El ion poliatómico C4−
3, a veces llamado aliluro , se encuentra en Li 4 C 3 y Mg 2 C 3 . El ion es lineal y isoelectrónico con CO 2 . [2] La distancia CC en Mg 2 C 3 es 133,2 pm. [11] Mg 2 C 3 produce metilacetileno , CH 3 CCH y propadieno , CH 2 CCH 2 , en la hidrólisis, que fue la primera indicación de que contiene C4−
3.
Carburos covalentes [ editar ]
Los carburos de silicio y boro se describen como "carburos covalentes", aunque prácticamente todos los compuestos de carbono presentan algún carácter covalente. El carburo de silicio tiene dos formas cristalinas similares, ambas relacionadas con la estructura del diamante. [2] El carburo de boro , B 4 C, por otro lado, tiene una estructura inusual que incluye unidades de boro icosaédricas unidas por átomos de carbono. A este respecto, el carburo de boro es similar a los boruros ricos en boro . Tanto el carburo de silicio (también conocido como carborundo ) como el carburo de boro son materiales muy duros y refractarios.. Ambos materiales son importantes industrialmente. El boro también forma otros carburos covalentes, por ejemplo, B 25 C.
Carburos moleculares [ editar ]
Los complejos metálicos que contienen C se conocen como complejos de carbido metálico . Los más comunes son los grupos octaédricos centrados en el carbono, como [Au 6 C (PPh 3 ) 6 ] 2+ y [Fe 6 C (CO) 6 ] 2− . Se conocen especies similares para los carbonilos metálicos y los haluros metálicos tempranos. Se han aislado algunos carburos terminales, por ejemplo, [CRuCl 2 {P (C 6 H 11 ) 3 } 2 ].
Los metalocarboedrinos (o "met-cars") son grupos estables con la fórmula general M
8C
12 donde M es un metal de transición (Ti, Zr, V, etc.).
Materiales relacionados [ editar ]
Además de los carburos, existen otros grupos de compuestos de carbono relacionados: [2]
- compuestos de intercalación de grafito
- fulleruros de metales alcalinos
- fullerenos endoédricos , donde el átomo de metal está encapsulado dentro de una molécula de fullereno
- metalacarboedrenos (met-cars) que son compuestos de racimo que contienen unidades C 2 .
- carbono nanoporoso sintonizable , donde la cloración gaseosa de los carburos metálicos elimina las moléculas de metal para formar un material de carbono casi puro y altamente poroso capaz de almacenar energía de alta densidad.
- complejos de carbeno de metales de transición .
- Carburos de metales de transición bidimensionales: MXenes
Ver también [ editar ]
- Carburos Kappa
Referencias [ editar ]
- ^ Kunst, Helmut; Haase, Brigitte; Malloy, James C .; Wittel, Klaus; Nestler, Montia C .; Nicoll, Andrew R .; Erning, Ulrich; Rauscher, Gerhard (2006). "Metales, Tratamiento de superficies". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . Weinheim: Wiley-VCH. doi : 10.1002 / 14356007.a16_403.pub2 .
- ^ a b c d e f g h i j k Greenwood, Norman N .; Earnshaw, Alan (1984). Química de los elementos . Oxford: Pergamon Press . págs. 318-22. ISBN 978-0-08-022057-4.
- ^ a b Peter Ettmayer; Walter Lengauer (1994). "Carburos: química de estado sólido de metales de transición". En R. Bruce King (ed.). Enciclopedia de Química Inorgánica . John Wiley e hijos. ISBN 978-0-471-93620-6.
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- ^ John Percy (1870). La metalurgia del plomo, incluidas la desiverización y la copelación . Londres: J. Murray. pag. 67 . Consultado el 6 de abril de 2013 .
- ^ YC Zhou; HY Dong; BH Yu (2000). "Desarrollo de placas bidimensionales de carburo de estaño y titanio (Ti2SnC) basadas en la investigación de estructuras electrónicas". Innovaciones en investigación de materiales . 4 (1): 36–41. doi : 10.1007 / s100190000065 . S2CID 135756713 .
- ^ Shriver y Atkins - Química inorgánica
- ^ OO Kurakevych; TA Strobel; DY Kim; GD Cody (2013). "Síntesis de Mg2C: un metanuro de magnesio". Angewandte Chemie International Edition . 52 (34): 8930–8933. doi : 10.1002 / anie.201303463 . PMID 23824698 .
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- ^ Weiss, Erwin; Corbelin, Siegfried; Cockcroft, Jeremy Karl; Fitch, Andrew Nicholas (1990). "Über Metallalkyl- und -aryl-Verbindungen, 44 Darstellung und Struktur von Methylnatrium. Strukturbestimmung an NaCD3-Pulvern bei 1.5 und 300 K durch Neutronen- und Synchrotronstrahlenbeugung". Chemische Berichte . 123 (8): 1629–1634. doi : 10.1002 / cber.19901230807 . ISSN 0009-2940 .
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