金属碳化物与水的反应

MgC2+2H2O→Mg(OH)2+C2H2

Mg2C3+4H2O→2Mg(OH)2+C3H4

金属碳化物主要为一二主族元素

7 ． 1 金属碳化物 加到收藏夹 添加相关资源

7．1 金属碳化物

碳是弱非金属，很难得到4个电子形成C4－离子，即使是和最强的

是在电弧炉中用焦炭和石灰（CaO）反应而生成的。由于CaC2熔化后可以导电，因而证明在CaC2中存在着离子，其晶体结构见图7．1。

图7．1可以看出，在这个晶胞中，用黑点所代表的Ca2＋共有4个（角上每个Ca2+由8个立方体共用，属于这个立方体的只有1／8；面上的每个Ca2+为两个立方体所共用，属于这个立方体的只有1／2；故共有Ca2+：8×1／8+6×1／2=4）。像哑铃

CaC2遇水反应后生成乙炔和氢氧化钙：

CaC2+2H2O C2H2+Ca（OH）2

乙炔曾经是有机合成的主要原料之一。

过渡金属和碳形成的金属型碳化物，如我们前面曾经讲过的渗碳体（Fe3C），不仅在合金相中很重要，而且因为它们本身具有特殊的机械性能也使其成为一类功能材料。

当碳原子被金属接纳时（当然要在足够的高温下或熔融金属中），在过渡金属的晶格中起初只能容身于晶格的空隙之中，即形成间隙式固溶体，金属原子在晶格中的排列方式基本不变。但当碳原子含量达到一定的限度后，晶体结构将发生变化，形成新的碳化物相，人们称它们为间隙化合物。其实这时的“间隙”二字只反映了物相形成前的“历史”，并不表示碳化物晶体结构的基本特征。

重要的是，间隙固溶体和间隙化合物都会使基体金属的某些机械或化学性质发生改变，这种改变是很容易理解的。我们已经学过的金属型晶体结构虽然比较粗略，但是利用这种简略的模型，可以解释上述的现象。金属晶体可以看成是金属的离子排列在由它们所提供的价电子所形成的电子氛中，因此它具有延展性和韧性。当在金属原子的间隙里填进一些碳原子之后，就像在两块平滑的玻璃板之间洒上一些细砂一样，会增加它们之间相互滑动时的摩擦力。由此可以想到，当碳原子插在晶格的间隙里以后，金属原子的滑移一定会受到阻碍，这等于提高了金属基体的硬度和脆性。如果形成间隙化合物，这种影响就更明显，因为晶格结构和组成都有了质的变化。

有趣的是，金属型碳化物的组成改变时，如碳化钛中的碳与钛的比例可变（一般用TiC0.47～1.0来表示），它们的导电性等性质则是组成比的“函数”，随组成比改变而改变。人们已经发现碳化钛（TiC）在1.15K以下具有超导性，但没有实用价值。

碳化铁（Fe3C，金属学中称为渗碳体，英文名称为cementite）是我们的“老朋友”，它的晶体结构见图7．2。

由图可见，铁原子大致处于三角棱柱的顶点处，Fe—C间的中心距为 185～215 pm，碳和6个铁原子中间的距离几乎是各不相同。从这个结构模型中已经看不到纯铁在固态时所固有的体心立方晶格（α-Fe）或面心立方晶格（γ-Fe）的痕迹了。

金属碳化物不仅硬度高于组成中的金属，熔点也比原来的金属高。关于常见的一些金属碳化物的性质请参看表7．1。表中括号内的数据系由其他资料所提供，凡标明两种数据的，哪一种更为准确，尚有待校核。不过我们已经看出，金属型碳化物的熔点普遍高于纯金属，硬度则在莫氏（Mohs）硬度中8至10的范围内（在莫氏硬度中达到这个硬度的代表性矿物是：黄玉8，刚玉9，金刚石10）。

7．1 某些金属型碳化物的性质

化合物

密度

g·cm-3

熔点

℃

硬度

室温电阻率

μΩ·cm

Mohs

显微硬度

kg·mm-2

TiC

4.94

3160

8～9

2470（3200）

105

VC

5.81

2830

9～10

（2800）

156（150）

Cr3C2

6.88

1890

1300

75

Fe3C

7.4

1837

1100

ZrC

6.44

3570（3030）

8～9

2600（2470）

70（74）

NbC

7.85

3500

9～10

2470

74

MoC

（8.20）

（2695）

（1800）

（97）

HfC

12.2

3887

195（109）

TaC

14.53

3887

9

1800

8.2（30）

WC

15.50

2865（2630）

＞9

2500

12

W2C

17.20

2865（2730）

9～10

3000

80

金属型碳化物是一类比较特殊的材料，目前它们主要应用于以下几个方面：

（1）耐高温材料。

如碳化钽坩锅可用来熔化或蒸发碳，而碳在单质中属于最难熔化者之列。用金属为粘接剂将碳化钛制成的金属陶瓷，有高强度和抗热震的能力，可用做发动机的结构部件。碳化硼已用在火箭发动机的燃烧室和喷管涂层中。碳化硅不仅可用于高炉炉衬中，它本身的导电性和高电阻率又使得它可用做电阻炉中的发热元件。读者可能已注意到，硼和硅并不是金属，但它们的碳化物却有能导电等金属的性质，所以也附带在此处加以介绍。

（2）作为研磨料、切削工具或保护层。

硬而脆的碳化物如果用具有一定韧性的金属作为基体，再利用金属熔点通常低于碳化物的特点，可用金属把碳化物粘接成一体，形成所谓的“金属陶瓷”。它集合了基体金属的韧性和碳化物的坚硬，可以实现对材料性能的调制。对于在家里帮助过父母揉面团的读者，也许可以通过加水量对面团的软硬加以调节而获得一些联想和体会。碳化钛等常用在硬质合金或钢制工件上做成涂层，以提高工件表面的硬度、耐磨性和耐蚀性。

（3）用于热电子技术。

碳化硅已广泛用做电热元件。钛、锆、钒、铌、钽的碳化物因热发射电子的能力超过相应的金属，而耐高温性能也优于纯金属，所以可用做热阴极材料。

（4）其他用途。

碳化硼的密度低但燃烧热高，可用做火箭的固体燃料。碳化铀（UC）可作为核反应堆用燃料，碳化硼在反应堆中可用做能吸收热中子的控制棒材料。

上面所介绍的碳化物的特点和应用都是很不全面的，只是为了说明，像锆、铌、钽和钛等这样一些金属在加入碳以后会产生什么结果。碳可以使金属通过变成金属型碳化物而获得更高级的耐热材料和超硬材料；碳还可以使金属通过变成金属型碳化物而产生一些原来并不具有的特殊性质，使得这些材料能够满足高新技术的某些特殊要求而变得“身价百倍”。从这个意义上来讲，碳岂不是又起到了“点石成金”的作用了么。不过应当告诉读者的是，与金属形成具有高熔点、高硬度和特殊性能的金属型化合物的元素，并不只有碳这一种，硼、氮也有类似的作用。读者从我们一开始介绍的间隙相和间隙化合物的思路中，一定可以找到合理的答案。

图7．3是一张极粗糙的有关几种碳化物的ΔG0－T图。在讨论过上一章以后，读者应当能够自己看懂这张图，并且可以根据这张图对其中的碳化物（并不都是金属型碳化物）的稳定性和稳定性与温度的关系作出正确的判断。

解释几个基本的问题，晶界，保温结束以后就是完成奥氏体化以后，每个奥氏体晶粒的边界。共晶团是指铸铁由液态到固态时，由奥氏体和石墨形成的一个集合体。共晶团的境界包含了石墨的境界。两者不是一回事。 高温退火保温结束后，此时的金相组织为石墨碳+奥氏体，在随后的冷却过程中，石墨碳不发生变化，奥氏体分解为二次渗碳体+铁素体，随后冷却到727℃以下时，从铁素体中析出的渗碳体叫三次渗碳体。渗碳体比铁素体更难腐蚀，呈白亮状态。你所说的碳化物即渗碳体，你所理解初晶碳化物是指成分高于奥氏体碳浓度，冷却时得到渗碳体（初晶碳化物）+奥氏体，此时的渗碳体为一次渗碳体，随后冷却从奥氏体中析出的渗碳体为二次渗碳体，铁素体中析出的渗碳体为三次渗碳体。再一个碳化物的定义就是合金元素和碳形成的化学物，如TiC，Fe23C7等。

碳化物

carbide

通常指金属或非金属与碳组成的二元化合物。

从元素的属性划分为金属碳化物和非金属碳化物。

碳化钙、碳化铬、碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化钨（图：首饰）等都是金属碳化物。碳化硼、碳化硅等属于非金属碳化物。

从碳化物的键型划分为离子型碳化物、共价型碳化物和金属型碳化物。

离子型碳化物，如碳化钙、碳化铍等，与水作用发生水解分别产生乙炔和甲烷。

共价型碳化物，如碳化硅、碳化硼等，属原子晶体，既不与水作用也不与硝酸作用，且硬度大，可用作研磨粉和耐火材料。至于甲烷和其他碳氢化合物等，其晶体为分子晶体，已属有机化合物，通常不列入碳化物中。

金属型碳化物多为过渡金属碳化物。多具有金属光泽、导电，以及熔点高、硬度大的特点，因此常被用作硬质合金的重要原料。

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