Karbiidid

Kovalentsed karbiidid

Kovalentsetes karbiidides on kahe elemendi elektronegatiivsuste erinevus väike. Süsiniku aatom on ainult natukene väiksem kui teise elemendi aatom, seega on keemilise sideme tüüp peamiselt kovalentne. Sellepärast kuuluvadki siia kategooriasse ainult ränikarbiid ja boorkarbiid. Kuigi berülliumkarbiid (Be₂C) on samuti osaliselt kovalentse keemilise sidemega ja kõrge sulamistemperatuuriga, siis ei ole ta keemiliselt stabiilne ja siia kategooriasse ei sobi.
Ränikarbiidil (tuntud ka kui karborund) esineb kaks kristallstruktuuri, kuubiline ja heksagonaalne, mis on mõlemad teemandi struktuuriga sarnased. Boorkarbiidil (B₄C) on ebatavaline struktuur, kus ikosaeedriline boor on seotud süsiniku aatomitega. Sellisena on boorkarbiid sarnane booririkaste boriididega. Peale B₄C moodustab boor ka teisi kovalentseid karbiide, nagu näiteks B₂₅C.
Kovalentsed karbiidid on mittemetallilised ühendid, neil on väike tihedus, elemendiline koostis on väikese aatomimassiga, esinevad pooljuhtivaid omadused, nad on väga kõvad ja tugevad. Ränikarbiid ja boorkarbiid on mõlemad tööstuslikult olulised. Ränikarbiidi kasutatakse abrasiivina, tsemenditäitena, kiirgussensorites, kõrgsagedus ja -temperatuursetes pooljuhtseadmetes, kuulikindlates vestides, sulatusahjude pinnakattes jne. Boorkarbiid on kasutuses lihvimisketaste ja -otsakute pinnakatetes, termopaarides, uhmrites ja uhmrinuiades, jne.

Siirdemetallide karbiidid

Mõned VII ja VIII rühma siirdemetallid, nagu mangaan (Mn), raud (Fe), koobalt (Co) ja nikkel (Ni) moodustavad karbiide, kuid nende elementide aatomiraadius on liiga väike, et saaks süsinikku mahutada tühimikesse nii, et kristallvõre jääks deformeerumata. Süsiniku aatomid on piisavalt lähedal üksteisele, et moodustada C-C side ja süsinikuahelaid. Need karbiidid ei ole keemiliselt stabiilsed. Kroomi, mangaani, raua, koobalti ja nikli karbiidid hüdrolüüsuvad, reageerides lahjendatud hapetega või veega, andes süsivesinikke ja vesiniku. Üldlevinud on mitmekordsed stöhhiomeetriad, näiteks raud moodustab mitmeid karbiide, nagu Fe₃C, Fe₇C₃ ja Fe₂C. Kõige tuntum neist on tsementiit, Fe₃C, mida esineb terastes. Siirdemetallide karbiidid on rohkem reaktiivsed kui metallilised karbiidid.

Soolataolised (ioonilised) karbiidid

Soolataolised karbiidid moodustuvad, kui keemiline side tekib süsiniku ja kõrge elektropositiivsusega elemendi vahel, milleks võivad olla leelismetallid, leelismuldmetallid ja III rühma metallid. Süsiniku ja teise elemendi elektronegatiivsuste erinevus on umbes kahekordne, mis annab vähemalt 50% ioonilise sidemetüübi.
13. rühma element alumiinium (Al) moodustab karbiide, kuid sama rühma elemendid gallium (Ga), indium (In) ja tallium (Tl) karbiide ei moodusta. Nendel materjalidel esinevad isoleeritud süsiniku tsentrid. Metaniidid ja metiidid sisaldavad iooni C⁴⁻. Metaniidid lagunevad vee toimel ning hüdrolüüsi käigus eraldub metaan. Metaniidid on näiteks alumiiniumkarbiid (Al₄C₃) ja berülliumkarbiid (Be₂C). Atsetüliidid sisaldavad iooni C₂²⁻. Mitmeid karbiide peetakse atsetüliidaniooni C₂²⁻ sooladeks, mis sisaldavad kolmiksidet kahe süsiniku aatomi vahel. Atsetüüliidi hüdrolüüsi käigus eraldub atsetüleen. Leelismetallid, leelismuldmetallid ja lantanoidid moodustavad atsetüliide, nt naatriumkarbiid (Na₂C₂), kaltsiumkarbiid (CaC₂).
Teoorias kirjeldatakse ühendeid, mis sisaldavad süsiniku ja mitte-vesiniku suhteliselt suure polaarse sidemega metüülrühmasid, kui vastava aniooni soolasid, kuid tegelikkuses on enamik, kui mitte kõik sellised ühendid kovalentsed.

Võimatud karbiidid

Mõningad metallid, nagu plii (Pb) ja tina (Sn), ei moodusta karbiide mitte üheski keskkonnas. Kuid eksisteerib titaani (Ti) ja tina (Sn) karbiidi segu, mis on kahemõõtmeline elektrijuht.

Karbiidide süntees

Traditsiooniline meetod  siirdemetallide karbiidide valmistamiseks on metalli või metallihüdriidi ja süsiniku vaheline reaktsioon. Saavutamaks puhtaid homogeense struktuuriga materjale on tarvilik inertgaasi või hea vaakumi olemasolu ning kõrge temperatuur (u 2000 °C). 

M + C → MC 

MH + C → MC + H₂ 
Otsene reaktsioon algse materjali sulatamisel või paagutamisel süsinikuga, vaakumis või inertses atmosfääris. 

MₓOy + C → MC + CO 
Metalloksiidi ja ülehulgas süsiniku vaheline reaktsioon, inertses atmosfääris.

M + CₓH2x+y → MC + H₂ 

M + CO → MC + O₂ 
Reaktsioon metalli ja süsinikku sisaldava gaasi vahel.

MClₙ + CₓH2x+y → MC + HCl + (CqHᵣ)

M(CO)ₙ + H₂ → MC + (CO, CO₂, H₂, H₂O)
Reaktsioon metallhaliidiga või vesinikku sisaldava karbonüülse gaasiga.
Saavutamaks homogeenset struktuuri peab karbiidide sünteesimisel mitme tunni vältel hoidma temperatuuri üle 2000 °C. Kõrge temperatuur tagab metallikarbiidist hapnikusaaste eemaldamise, et tekiks puhtamad karbiidid.

Karbiidide kasutusalad

Karbiide kasutatakse raua, terase ja mitmesuguste sulamite tootmisel; keraamikas; abrasiiv- ja poleerimismaterjalidena; redutseerijatena; katalüsaatoritena jne. WC ja TiC on rasked sulamid, millest valmistatakse lõikeriistu; kaltsiumkarbiidist (CaC₂) saadakse atsetüleeni, mis leiab kasutust kaevanduslampides; ränikarbiidist (SiC) valmistatakse lihvkettaid ja abrasiive; rauakarbiid (Fe₃C, tsementiit) on osa malmist ja terasest. Mitmesugustest karbiididest (ränikarbiid (SiC), titaankarbiid (TiC), molübdeenkarbiid (Mo₂C), vanaadiumkarbiid (VC), jne) sünteesitakse karbiidset päritolu süsinikku.