Стереометрия и топология карбидов

Раздел: 
Русская Физика

Стереометрия и топология карбидов.

   Карбиды, то есть соединения углерода с металлами (и некоторыми неметаллами, например с кальцием), имеют свою особую стереометрию; она характерна тем, что атомы в них соединяются не петлями, как в углеводородах, а желобами; при этом конфигурация атомов сильно видоизменяется, то есть стереометрия карбидов сопрягается с топологией атомов в них. Некоторое изменение форм атомов углерода наблюдалось, как мы видели, и в аллотропических модификациях, и в молекулах углеводородов; но там это выражалось в основном в развороте или отгибе концевых петель; но стволы атомов, состоящие из спаренных желобов, сохранялись  почти неизменными. В карбидах атомы углерода могут трансформироваться до неузнаваемости.
   Карбиды, как известно, получают прокаливанием при высоких температурах смеси порошков металлов или их оксидов с углем в электрических печах. Комбинацией электронного и  теплового воздействия смеси приводятся в состояние плазмы, когда атомы металла разъединяются и легко скользят, с молекул оксидов срывается кислород, а стволы атомов углерода напоминают пучок бренчащих струн, утративших свое единство. В таком состоянии атомы металлов и углерода, перемешиваясь, находят такие формы контакта, которые противостоят электроннотепловому разрушению.
   Поясним сказанное на примере. Пусть прокаливается в электропечи смесь порошков бериллия и углерода; температура смеси поддерживается  на уровне 1700 градусов. Бериллий в этих условиях становится жидким (его температура плавления равна 1284 градусам), а атомы углерода находятся в «пьяном» состоянии. Перемешиваясь, атомы бериллия и углерода будут находить такие соединения между собой, которые способны противостоять тепловым движениям: для их разрушения уже требуется температура в 2150 градусов; эти соединения называют карбидом бериллия. Процесс «подстраивания» будет происходить до тех пор, пока вся жидкая фаза не превратится в твердый карбид.
   Пример с бериллием хорош тем, что сам бериллий дает нам подсказку в объяснении загадки карбидов. Когда мы рассматривали топологию атомов этого металла, то подчеркивали его способность склеивать атомы других металлов, делая их более прочными. Теперь точно таким же способом упрочняется сам бериллий, но в качестве клея уже используется углерод. В данном случае атом углерода напоминает своей формой атом бериллия: у него остаются замкнутыми между собой только первичные петли, а все тело выглядит как длинный желоб из спаренных шнуров, прилипший к соседним атомам бериллия и повторяющий их контуры. В образном сравнении атом углерода в карбиде напоминает тот же костюм взрослого, но не на фигуре школьника, а на груди ребенка.
   Склеивание атомов металлов с помощью атомов углерода существенно повышает прочность их соединения, и это отражается на их жаростойкости, Чистый титан, плавящийся при температуре 1668 градусов, в соединении с углеродом остается твердым вплоть до температуры в 3140 градусов. Наряду с исключительной жаростойкостью и тугоплавкостью (порядка 3000 градусов) карбиды характеризуются высокой коррозионной стойкостью.
   Некоторое исключение составляют карбиды марганца и железа: они термически и химически менее устойчивы,  —  и объяснить это можно тем, что они  не являются полноценными металлами, то есть их атомы имеют несколько иные формы. К тому же, в железе углерод склонен объединяться в графит; смесь железа, карбида и графита известна как чугун.
   Соединения атомов металлов с атомами углерода нельзя считать молекулами: эти соединения представляют собой сплавы; поэтому не совсем правильно изображать карбиды в виде формул молекул. То, что длины спаренных шнуров одного атома углерода хватает для того, чтобы опоясать два атома бериллия, не говорит о действительном соединении их между собой: соединиться они могут в любом количественном соотношении. Не поворачивается язык называть карбидные частицы кристаллами: они не имеют стереометрически правильную, регулярно повторяющуюся структуру, такую, например, как у графита или у алмаза.
   Представление карбидов в виде сплавов, в которых атомы углерода похожи на атомы металлов, подтверждаются их металлическими признаками: большинство из них имеет высокую электропроводность, металлический блеск, положительный термический коэффициент электросопротивления и другие.
К оглавлению                Назад        обсуждение        Далее                Следующий раздел или книга