Что такое карбид кальция и для чего он нужен

Что такое карбид? Описание, особенности, применение и цена карбида

Что такое карбид?

Самодельные бомбы. Вот, что приходит на ум первым делом, когда слышим слово карбид. И нет, занимались производством этих опасных игрушек не предприятия оборонной промышленности, а, как правило, мальчишки, лет так десяти.

Лет двадцать назад это было излюбленное развлечение у подростков. Это сейчас все сидят за своими планшетами, а тогда миром правил пытливый ум ребенка, который норовил все испробовать на практике.

Для того, чтобы почувствовать себя Рембо, требовалось раздобыть один чудо-камешек. Находили их дети чаще всего на стройках. А дальше все было просто: пластиковый сосуд, камень, вода, плотно закрученный колпачок. Все это рьяно трясли, и в лучшем случае, отбрасывали куда подальше. А в худшем «снаряд» разрывало прямо в руках, тогда травм было не избежать.

Карбид кальция

Были и более безопасные пути использовать находку, к примеру, просто бросить в лужицу, тогда можно было наблюдать нечто похожее на действие современных бомбочек для ванны. Так что это за популярная «игрушка». Большинство из нас считали, что таким, как мы его знаем, карбид произвела природа. Но на самом деле это не так. И сегодня Вы в этом убедитесь.

Итак, вещество это всегда очень твердое, плюс ко всему, чтобы его расплавить, нужно приложить недюжинные усилия. На вид это темные, светлые, зеленоватые камни, либо порошок, все зависит от состава. Срок его годности недолог, как правило это полгода. Уложить емкости в общий склад не получится, у таких потенциально опасных веществ должен быть свой отсек.

Как Вы уже знаете, карбид постоянно норовит взорваться. Причем, некоторым соединениям даже особых условий не надо. Достаточно просто пересыпать порошок из тары в тару, как он может неожиданно рвануть.

Свойства и состав

Чтобы получить этот камень, нужно, как минимум, два элемента. Во-первых, это углерод. Его наличие обязательно. А дальше уже есть выбор: металл, или неметалл. Главное, чтобы выполнялось правило: электроотрицательность (сила, с которой атомы элемента притягивают к себе чужие электроны) обязательного компонента выше, чем его «партнера». Иначе получатся совсем другие соединения.

Формула карбида кальция

Впервые об этом соединении заговорили в Англии еще в 19-м веке. Однако, слава первооткрывателя досталась французу, благодаря опытам которого вещество официально признали, случилось это лишь к концу столетия. А теперь от том, какие качества присущи этому соединению:

Науке известны три разновидности таких соединений:

Что их отличает, так это очень прочные связи между атомами. Когда упоминается такой тип, то речь лишь о двух элементах, соседствующих с углеродом: первый – это бром, второй – кремний. Все вышеперечисленные свойства в этих соединениях «выставлены» на максимум. Это и небывалая твердость, и стойкость. Захотите растворить – не получится без участия едких кислот огромной концентрации. Тоже самое касается и взаимодействия с кислородом. Просто так не получится, нужен нагрев, и не хилый – до 1000 градусов.

Здесь в контакт с углеродом вступает либо алюминий, или металл, но не абы какой, а только из 1-2 групп хим. таблицы. Придать такому соединению жидкую форму все еще не очень просто, нужен предельный нагрев. А вот кислота незамеченной не останется, в результате такой «встречи» карбид распадется.

Получаются они из металлов, относящихся к 4-8 группе, сюда же идут кобальт, а также никель, ну и, конечно, железо. Если рассматривать их химическое строение, увидим, что атомы углерода буквально разбросаны, между ними нет связей, они словно вкрапления в образовавшихся в металле пробелах. Потому то они весьма тугоплавкие, можно даже сказать, чемпионы в этом деле. Это позволяет применять их при изготовлении сверл (победитовые сверла).

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.

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.

Если говорить о соединении с кальцием, то за один килограмм придется выложить около 80-ти рублей. Когда речь идет о кремнии в составе, накидывайте сверху еще пару рублей. Алюминиевая производная также доступна по цене, потратиться придется в пределах сотни. В такую же сумму обойдется карбид титана, молибдена и хрома.

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.

Источник

Карбид кальция

При щелочной реакции углерода с металлами могут получится различные карбиды. За счет соединения определенных химических элементов получаются соединения, которые характеризуются высокой прочностью. Довольно большое распространение получил вариант исполнения, который получил название карбид кальция. Его стали применять в самых различных областях промышленности.

Внешний вид и характеристики технического карбида кальция

Впервые рассматриваемый состав был получен в 1862 году. Проводимая процедура касалась отделения кальция от извести, в результате чего получился бледно-серый состав без признаков, свойственных металлам. В результате опыта был получен карбид, который в последствии стал активно использоваться при выпуске различной продукции.

В начале 20 века карбид кальция стали использовать для производства ацетилена в больших объемах. Именно поэтому стали вести активные исследования для выявления более производительной технологии.

Технические характеристики материала определяют его широкое распространение. Внешний вид вещества характеризуется светло-серым цветом, выпускаются карбиды в виде камня или порошка.

Физические свойства

При выборе практически любого материала следует уделять больше всего внимания физическим свойствам. У рассматриваемого они следующие:

Чистый карбид кальция

Стоит учитывать, что карбид кальция в большинстве случаев находится в твердом состоянии. Кроме этого, цвет может варьироваться от серого до коричневого цвета. Физические свойства карбида кальция определяют его широкое применение в самых различных отраслях промышленности.

Химические свойства

Немаловажное значение имеют и химические свойства. Они также учитываются при применении материала. К основным характеристикам можно отнести следующие качества:

Считается, что наиболее важным химическим качеством является податливость к разложению при воздействии воды.

Получение

Как ранее было отмечено, карбид кальция активно применяется при получении самых различных материалов. Именно поэтому процесс получения карбида кальция постоянно совершенствовался. К особенностям применяемых технологий можно отнести нижеприведенные моменты:

При рассмотрении того, как из углерода получить карбид кальция отметим, что по установленным стандартам в состав должно входить не менее 80% основного вещества. На долю примесей должно приходится не более 25%, в число которых также входит углерод. Производство оксида кальция также приводит к выделению тепловой энергии, что стоит учитывать.

Транспортировка и хранение

Порошок карбида кальция при воздействии влаги практически моментально разлагается. При этом образуется ацетилен, который при большой концентрации горюч и взрывоопасный. Именно поэтому нужно уделять довольно много внимания хранению карбида кальция, для чего часто применяют бидоны и специальные барабаны. К другим особенностям хранения отнесем следующие моменты:

Контейнер для транспортировки

Установленные правила также запрещают хранить карбид кальция вместе с другими химическими веществами и источниками тепла. Это связано с тем, что образующиеся газы могут вступать в химическую реакцию с другими химическими веществами и возгораться.

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:

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:

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.

Техника безопасности

При проведении различных химических реакций для производства материалов должна соблюдаться техника безопасности. Как ранее было отмечено, выделяемые вещества могут быть взрывоопасными. Техника безопасности при взаимодействии с различными химическими веществами заключается в следующем:

Горение карбида кальция

Вышеприведенная информация определяет то, что работы с рассматриваемым сырьем не рекомендуется проводить в гараже или домашней мастерской. Несоблюдении технологии, отсутствии требующего оснащения и многие другие причины могут привести к возникновению искры и воспламенению веществ.

Карбид кальция реакция с водой

Рассматриваемое сырье чаще всего применяется для соединения с водой, в результате чего получается ацетилен. Взаимодействие карбида кальция с водой становится причиной появления газа с неприятным запахом и достаточно большим количеством различных примесей. В чистом виде получить подобное вещество можно только при его многоэтапной очистке.

Реакция карбида кальция с водой может быть проведена опытным путем. К особенностям подобной процедуры отнесем следующие моменты:

Подобный опыт довольно опасен и должен быть проведен с соблюдением техники безопасности.

В заключение отметим, что рассматриваемый компонент в последнее время часто применяется для проведения самых различных опытов. Соединение обладает большим количеством свойств, которые должны учитываться. Выделение тепла и газов становится причиной, по которой проводить опыты рекомендуется только в промышленности.

Источник

Содержание

История получения карбида кальция

Карбид кальция был получен случайно в 1862 г. Немецкий химик Фридрих Вёлер (Friedrich W?hler) при попытке выделения металлического кальция из извести (карбоната кальция СаСО₃) путем длительного прокаливания смеси, состоящей из извести и угля, получил массу сероватого цвета, в которой не обнаружил признаков металла. Как результат неудавшегося эксперимента он выбросил эту массу на свалку во дворе. Во время дождя лаборант заметил выделение какого-то газа из выброшенной массы. Это заинтересовало Фридриха Вёлера, он провел анализ газа и установил, что это ацетилен (С₂Н₂), ранее открытый Эдмундом Дэви (Edmund Davy), в 1836 г.

Однако имя этому газу присвоил французский химик Пьер Эжен Марселен Бертло (Marcellin Berthelot) после того, как в 1863 году получил ацетилен, пропуская водород над раскалёнными электрической дугой графитовыми электродами.

Томас Уилсон (Thomas Leopold «Carbide» Willson) в 1888 году и Фердинанд Фредерик Анри Муассан (Ferdinand Frederic Henri Moissan) в 1892 независимо друг от друга открыли метод получения карбида кальция в дуговой электропечи, что послужило толчком для дальнейшего развития промышленного получения технического карбида кальция.

В России первые заводы по изготовлению карбида кальция были построены акционерным обществом «Перун» в 1908 г. в Земковицах, а в 1910 г. в Петербурге. В 1914 г. на этом заводе работали две карбидные печи мощностью по 500 кВт и две печи по 900 кВт.

В 1917 г. при Макеевском металлургическом заводе была построена установка с электропечью мощностью 1800 кВт. Почти одновременно на заводе в Баку для нужд нефтепромышленности и на Аллавердском медеплавильном заводе также были пущены карбидные печи.

В 1930 г. был построен и пущен первый большой карбидный завод в Растяпино (ныне г. Дзержинск Нижегородской области). На этом заводе карбид кальция впервые стал выпускаться не только как товарный продукт, но и для получения цианамида кальция.

Получение карбида кальция

Технический карбид кальция получают в результате взаимодействия обожженной извести (СаО) с коксом (3С) или антрацитом в электрических печах при температуре 1900-2300°С. Шихту, состоящую из смеси кокса или антрацита и извести в определенной пропорции, загружают в электропечь, шихта расплавляется, при этом происходит эндотермическая химическая реакция (с поглощением тепла) по формуле:

Таким образом, для получения 1 т карбида кальция требуется:

Однако вследствие значительных потерь энергии в карбидных печах практически для получения 1 т технического карбида кальция расходуется от 2800 до 3700 кВт·ч в зависимости от мощности печи. Если мощность печи меньше 1000 кВт, то расход электроэнергии может достичь 4000 кВт·ч/т и более.

Расплавленный карбид кальция сливают из печи в специальные изложницы, в которых он остывает и затвердевает. После затвердевания его дробят в щековых дробилках и сортируют в решетчатых барабанах на куски различной величины от 2 до 80 мм.

Выход кусков различных размеров при дроблении приведен ниже:

Товарным карбидом кальция считается грануляцией от 2 до 100 мм. Карбидная пыль, получающаяся при дроблении, непригодна для нормальных ацетиленовых генераторов из-за слишком энергической реакции с водой, перегрева и опасности взрыва.

Зависимость удельного веса технического карбида кальция от содержания в нем СаС₂, приведена в таблице ниже:

Технический карбид кальция, получаемый в электропечах, содержит ряд примесей, попадающих в него из исходных материалов, которыми пользуются при его производстве. Средний химический состав применяемого для сварки:

Как видно из приведенного состава, основной примесью является известь.

Примеси, содержащиеся в исходных материалах, применяемых для производства, ухудшают его качество. Особенно вредными примесями являются фосфор и сера, которые переходят в карбид кальция в виде фосфористых и сернистых соединений кальция, а при разложении карбида попадают в ацетилен в виде фосфористого водорода и сероводорода.

Гидролиз или карбид кальция плюс вода

Экзотермическая реакция (т.е. с выделением тепла) взаимодействия карбида кальция с водой протекает бурно по уравнению:

Тепловой эффект реакции слагается из тепла, выделяемого при взаимодействии с водой карбида кальция и негашеной извести. Взаимодействие извести с водой протекает по уравнению:

Выход ацетилена объем ацетилена в литрах, выделяемый при разложении 1 кг карбида, приведенный к 20° и 760 мм рт. ст.

Для разложения 1 кг химически чистого карбида кальция теоретически необходимо 0,562 кг воды, при этом получается 0,406 кг ацетилена (285 л) и 1,156 кг гашеной извести.

Значительный тепловой эффект реакции карбида кальция и опасность перегрева ацетилена заставляют вести процесс с большим избытком воды для охлаждения. Это делает процесс более безопасным. Температура выходящего из генератора ацетилена при этом превышает температуру окружающей среды всего на 10-15°С.

Количество воды необходимое для реакции с карбидом кальция

Минимальное количество воды, необходимое для охлаждения при реакции 1 кг карбида кальция, может быть рассчитано следующим образом.

При разложении 1 кг 70%-го карбида кальция образуется 0,284 кг ацетилена и 1,127 кг гидрата окиси кальция т.е. гашеной извести (принимая содержание окиси кальция в карбиде кальция равным 24%).

Принимаем, что начальная температура воды равна 15° С, а температура в генераторе во время работы равна 60° С. Уравнение теплового баланса для 1 кг карбида кальция выражается следующим образом:

Искомый минимальный безопасный объем воды равен:

Как уже говорилось выше, технический карбид кальция обычно содержит не более 70-80% CaC₂. Поэтому из 1 кг технического карбида кальция можно получить от 230 до 280 л ацетилена.

Если учесть потери ацетилена на растворение в воде и продувку ацетиленового генератора, то для получения 1 м 3 (1000 дм 3 ) ацетилена практически приходится расходовать 4,3-4,5 кг карбида кальция. Более точные данные о фактическом выходе ацетилена в зависимости от количества примесей (сорта) и размеров «кусков» (грануляции) указаны в ГОСТ 1460.

Параметры влияющие на скорость реакции с водой

Чем меньше размеры кусков, тем быстрее происходит реакция карбида кальция с водой.

Чем выше температура воды, тем быстрее идет реакция карбида кальция. Если вода сильно загрязнена гашеной известью, образующейся при реакции карбида кальция, то реакция замедляется.

При разложении неподвижного карбида кальция в недостаточном количестве воды куски его могут покрываться коркой гашеной извести и сильно перегреваться, при этом может иметь место реакция:

В этом случае реакция карбида кальция происходит за счет отнятия влаги, содержащейся в гашеной извести. В результате повышается плотность корки, что приводит к еще большему перегреву. Поэтому непрерывное удаление извести из зоны реакции имеет большое значение, так как перегрев может привести к взрыву ацетилено-воздушной смеси или вызвать взрывчатый распад ацетилена.

При погружении карбида кальция в воду процесс разложения протекает также весьма неравномерно: вначале реакция идет очень активно с бурным выделением ацетилена, а затем скорость реакции уменьшается. Это объясняется уменьшением поверхности кусков и тем, что они покрываются коркой извести, препятствующей свободному доступу воды.

При перемешивании воды с находящимся в ней карбидом кальция реакция происходит быстрее и равномернее.

Скорость реакции карбида кальция в воде зависит от чистоты карбида кальция и поверхности соприкосновения кусков карбида кальция с водой.

Скорость реакции карбида кальция в воде является весьма важным элементом, характеризующим качество карбида кальция. Для практических целей пользуются понятием продолжительности разложения.

Продолжительностью разложения считают время, в течение которого выделяется 98% от всего количества ацетилена, который может быть выделенным из карбида кальция, так как остаток разлагается очень медленно и не характеризует процесс разложения применительно к условиям работы ацетиленовых генераторов.

В таблице ниже приведены экспериментальные данные о продолжительности разложения карбида кальция в зависимости от размеров его кусков.

Следует, оговорить, что данные таблицы характеризуют лишь те образцы карбида кальция, с которыми были проведены опыты. Практически могут иметь место значительные отклонения, главным образом в сторону уменьшения скорости реакции.

Скорость разложения в значительной степени зависит от выхода ацетилена из карбида кальция. Чем ниже выход, тем меньше скорость реакции.

На диаграмме ниже показаны изменения в скорости разложения карбида кальция двух сортов с одинаковыми размерами кусков (25/50).

Карбид кальция плюс азот

При температуре 1000°С карбид кальция, взаимодействуя с азотом, образует цианамид кальция. Уравнение реакции имеет следующий вид:

Эта реакция используется для промышленного производства цианамида кальция. Цианамид кальция применяется в качестве удобрения и как исходный продукт для получения цианидов.

Карбид кальция плюс водород

С водородом карбид кальция вступает в реакцию при температуре выше 2200°С с образованием ацетилена и металлического кальция. При высокой температуре карбид кальция восстанавливает большинство окислов металлов.

Хранение карбида кальция

После того как был получен карбид кальция хранение его допускается в специальных герметичных барабанах и специально оборудованных помещениях, но все это уже рассмотрено в статье о том, где и как хранить карбид кальция.

Источник