Węglik wapnia (CaC2) Karbid

Węglik wapnia

Inne nazwy: acetylenek wapnia, etynodiid wapnia, dikarbid wapnia
Wzór chemiczny: CaC₂
Masa molowa: 64.10 g/mol
Numer CAS: 75-20-7
Wygląd: W stanie czystym bezbarwne lub białe krystaliczne ciało stałe; materiał handlowy jest zazwyczaj szary, brązowy lub czarny
Zapach: Bezwonny w stanie czystym; materiał handlowy może wykazywać charakterystyczny zapach z powodu zanieczyszczeń oraz produktów reakcji powstających w obecności wilgoci
Gęstość: Około 2.22 g/cm³
SMILES: [Ca+2].[C-]#[C-]

Węglik wapnia jest nieorganicznym związkiem jonowym złożonym z kationów Ca²⁺ oraz acetylenkowych C₂²⁻ anionów. Atomy węgla w jonie acetylenkowym są połączone silnym potrójnym wiązaniem węgiel–węgiel, co czyni węglik wapnia ważnym przedstawicielem solopodobnej rodziny węglików acetylenkowych. Badania strukturalne metodami dyfrakcji rentgenowskiej, spektroskopii ramanowskiej i obliczeń teoretycznych wykazały, że CaC₂ wykazuje kilka polimorfów krystalicznych, w tym modyfikacje tetragonalną i monoklinową.

Związek ten wyróżnia się szczególnie silną reaktywnością chemiczną wobec wody. Hydroliza przekształca węglik wapnia w acetylen i wodorotlenek wapnia zgodnie z reakcją CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂ . Reakcja ta jest silnie egzotermiczna i stanowi wygodną drogę otrzymywania acetylenu. Ponieważ acetylen jest wysoko reaktywnym blokiem budulcowym zawierającym potrójne wiązanie węgiel–węgiel, węglik wapnia wzbudza także duże zainteresowanie jako stały ekwiwalent acetylenu we współczesnej syntezie chemicznej.

Właściwości chemiczne i fizyczne

Węglik wapnia jest krystalicznym ciałem stałym o masie molowej 64.10 g/mol i gęstości około 2.22 g/cm³ . Czysty CaC₂ może być bezbarwny lub biały, natomiast materiał techniczny zwykle ma barwę od szarej do czarnej z powodu obecności węgla, tlenku wapnia i innych zanieczyszczeń wprowadzanych podczas przemysłowego wytwarzania.

Związek ma wyjątkowo wysoką temperaturę topnienia. Dla czystego węglika wapnia powszechnie podaje się wartości w pobliżu 2160 °C, podczas gdy materiał techniczny może wykazywać niższe temperatury topnienia z powodu zanieczyszczeń, zwłaszcza tlenku wapnia. Przy jeszcze wyższych temperaturach istotne stają się rozkład i przemiany fazowe, a nie typowe parowanie.

Węglik wapnia nie wykazuje zwykłej rozpuszczalności w wodzie, ponieważ reaguje z nią chemicznie. Kontakt z wilgocią powoduje powstawanie gazowego acetylenu i wodorotlenku wapnia. W związku z tym materiał należy uznać za silnie wrażliwy na wilgoć, a jego zachowanie chemiczne zasadniczo różni się od zachowania prostych, wodnorozpuszczalnych soli wapnia.

Badania stanu stałego wykazują złożony polimorfizm. W warunkach otoczenia tetragonalny CaC₂-I oraz monoklinowy CaC₂-II i CaC₂-III zostały scharakteryzowane. W tych strukturach dyskretne C₂²⁻ jednostki w kształcie „sztangielki” są koordynowane przez jony wapnia. Spektroskopia ramanowska oraz eksperymenty dyfrakcji rentgenowskiej pod wysokim ciśnieniem pokazują, że ciśnienie może indukować przemiany między tymi fazami i, przy wystarczająco wysokich ciśnieniach, prowadzić do struktur zawierających spolimeryzowane łańcuchy węglowe.

Jon acetylenkowy jest izoelektronowy z cząsteczkowym azotem i zawiera silnie związany fragment C≡C. Ta cecha strukturalna odpowiada za wiele charakterystycznych właściwości spektroskopowych węglika wapnia i dostarcza rusztowania węglowego, które ostatecznie zostaje przeniesione do acetylenu oraz licznych produktów reakcji pochodnych acetylenu.

Zastosowania

Węglik wapnia jest szeroko stosowany jako chemiczne źródło acetylenu. Kontrolowana hydroliza uwalnia C₂H₂, który następnie może być wykorzystywany w przemysłowej syntezie chemicznej, procesach obróbki metali oraz innych technologiach opartych na acetylenie.

W zastosowaniach metalurgicznych węglik wapnia stosuje się jako środek odsiarczający dla ciekłego żelaza i stali. Jego silne powinowactwo do związków zawierających siarkę umożliwia usuwanie siarki z ciekłych metali i czyni go ważnym odczynnikiem w wybranych procesach stalowniczych i odlewniczych.

Węglik wapnia jest coraz częściej badany jako stały reagent acetylenowy w laboratoryjnej syntezie organicznej. Zamiast bezpośredniego podawania sprężonego acetylenu, CaC₂ może generować acetylen in situ lub uczestniczyć w reakcjach, które wprowadzają jednostki C₂ do cząsteczek organicznych. Badania wykazały jego zastosowanie w tworzeniu wiązań węgiel–węgiel i węgiel–heteroatom oraz w przygotowaniu różnorodnych związków pochodnych alkinów.

Związek jest także badany w chemii materiałów i nanotechnologii jako prekursor zawierający węgiel. Jego niezwykłe połączenie jonowego składnika wapniowego i reaktywnej jednostki acetylenkowej umożliwiło badania nad materiałami węglowymi, strukturami pochodnymi węglików oraz nowymi drogami syntezy obejmującymi aktywowane fragmenty C≡C.

W chemii ciała stałego węglik wapnia służy jako ważny związek modelowy do badania wiązania acetylenkowego, polimorfizmu strukturalnego, przejść fazowych pod wysokim ciśnieniem, dynamiki sieci krystalicznej oraz ciśnieniowo indukowanej polimeryzacji węgla. Spektroskopia ramanowska, dyfrakcja rentgenowska przy użyciu synchrotronu i obliczenia z pierwszych zasad były szeroko stosowane do CaC₂.

Źródła literaturowe

1. Konar, S.; Nylén, J.; Svensson, G.; Bernin, D.; Edén, M.; Ruschewitz, U.; Häussermann, U. “The Many Phases of CaC₂.” Journal of Solid State Chemistry, 2016, 239, 204–213. DOI: 10.1016/j.jssc.2016.04.030.
2. Nylén, J.; Konar, S.; Lazor, P.; Benson, D.; Häussermann, U. “Structural Behavior of the Acetylide Carbides Li₂C₂ and CaC₂ at High Pressure.” The Journal of Chemical Physics, 2012, 137, 224507. DOI: 10.1063/1.4770268.
3. Wang, L.; Huang, X.; Li, D.; Huang, Y.; Bao, K.; Li, F.; Wu, G.; Liu, B.; Cui, T. “Pressure-Induced Structural Transformation of CaC₂.” The Journal of Chemical Physics, 2016, 144, 194506. DOI: 10.1063/1.4948705.
4. Rodygin, K. S.; Werner, G.; Kucherov, F. A.; Ananikov, V. P. “Calcium Carbide: A Unique Reagent for Organic Synthesis and Nanotechnology.” Chemistry – An Asian Journal, 2016, 11, 965–976. DOI: 10.1002/asia.201501323.
5. Rodygin, K. S.; Werner, G.; Kucherov, F. A.; Ananikov, V. P. “Calcium Carbide: Versatile Synthetic Applications, Green Methodology and Sustainability.” European Journal of Organic Chemistry, 2021, 43–52. DOI: 10.1002/ejoc.202001098.
6. Cameron, R. E. “Calcium Carbide.” Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. Wiley. DOI: 10.1002/0471238961.0301120303011305.a01.

Danger Pictograms GHS02, GHS05, GHS07

Hazard statements H260 In contact with water releases flammable gases, which may ignite spontaneously H315 Causes skin irritation H318 Causes serious eye damage H335 May cause respiratory irritation Precautionary statements

Precautionary statements - prevention P231+P232 Handle and store contents under inert gas. Protect from moisture Precautionary statements - response P302+P335+P334 IF ON SKIN: Brush off loose particles from skin. Immerse in cool water or wrap in wet bandages P302+P352 IF ON SKIN: Wash with plenty of soap and water P305+P351+P338 IF IN EYES: Rinse cautiously with water for several minutes. Remove contact lenses, if present and easy to do. Continue rinsing P370+P378 In case of fire: Use sand, carbon dioxide or powder extinguisher to extinguish Precautionary statements - storage P403+P233 Store in a well-ventilated place. Keep container tightly closed