Carbide

Carbide oder Karbide sind in der Regel eine Stoffgruppe binärer chemischer Verbindungen aus einem Element (E) und Kohlenstoff (C) mit der allgemeinen Formel E_xC_y. Zu dieser Gruppe zählen salzartige (z. B. Calciumcarbid, CaC₂) wie auch metallische Verbindungen (z. B. Tantalcarbid, TaC); eine Ausnahme bildet z. B. Tantalhafniumcarbid (Ta₄HfC₅).

Allgemeines

Hergestellt werden Carbide in der Regel aus elementarem Kohlenstoff, der bei hohen Temperaturen mit dem entsprechenden Element, Elementoxid oder Elementcarbonat in einer Festkörperreaktion umgesetzt wird. Die Herstellung von Calciumcarbid aus Koks und Calciumcarbonat beispielsweise erfolgt bei 2000 °C im Lichtbogenofen.

${\displaystyle \mathrm {CaCO_{3}\rightarrow \!\ CaO+CO_{2}} }$

${\displaystyle \mathrm {CaO+3\,C\rightarrow CaC_{2}+CO} }$

Je nach der Elektronegativitätsdifferenz zwischen dem betreffenden Element und Kohlenstoff entstehen Carbide eines der drei folgenden Typen.

Ionische Carbide

Ionische Carbide (salzartige Carbide) haben starken Salzcharakter und werden typischerweise von den stark elektropositiven Elementen der Alkali-, Erdalkali- und Erdelemente gebildet.^[1] Sie enthalten Kohlenstoff als den elektronegativeren Bestandteil.

Typische Beispiele sind Lithiumcarbid Li₂C₂, Berylliumcarbid Be₂C, Magnesiumcarbid Mg₂C₃, Calciumcarbid CaC₂ oder Aluminiumcarbid Al₄C₃. Sie enthalten in ihrem Ionengitter das jeweilige Metallkation sowie das Carbidion, das sich formal von verschiedenen Kohlenwasserstoffen ableitet. Dies führt zu einer weiteren Differenzierung der ionischen Carbide in:

• Methanide, z. B. Be₂C und Al₄C₃, enthalten C⁴⁻, abgeleitet von Methan CH₄
• Acetylide, z. B. Li₂C₂, CaC₂, enthält C₂²⁻, abgeleitet von Ethin (Acetylen) C₂H₂
• Allenide, z. B. Mg₂C₃, enthält C₃⁴⁻, abgeleitet von Allen C₃H₄

Zu den ionischen Carbiden gehören darüber hinaus auch die Fulleride. Es handelt sich um Verbindungen der Zusammensetzung MC₆₀, M₂C₆₀ und M₃C₆₀ (M = Na, K). Sie entstehen durch Reduktion des Buckminster-Fullerens C₆₀ mit elementaren Alkalimetallen.

Ionische Carbide, die sich von Kohlenwasserstoffen ableiten, reagieren mit Wasser unter Bildung des entsprechenden Metallhydroxids und des Kohlenwasserstoffs, der durch vielfache Protonierung des Anions mit Wasser entsteht.

Der bekannteste Vertreter ist das u. a. in der Karbidlampe verwendete Calciumcarbid (CaC₂), populär Karbid genannt, das in Anwesenheit von Wasser Ethin freisetzt:

${\displaystyle \mathrm {CaC_{2}+2\ H_{2}O\rightarrow Ca(OH)_{2}+C_{2}H_{2}} }$

Die graue Farbe des eigentlich weißen Calciumcarbids resultiert aus Verunreinigungen durch elementaren Kohlenstoff aus dem Herstellungsprozess (siehe oben). Der typische Geruch des Calciumcarbids ist dem Monophosphan PH₃ zuzuschreiben, das in analoger Weise zum Acetylen durch Hydrolyse aus Calciumphosphid gebildet wird. Calciumphosphid entsteht im Herstellungsprozess, wenn das eingesetzte Calciumcarbonat Spuren von Calciumphosphat als Verunreinigung enthält.

Die Hydrolyse von Calciumcarbid war bis in die 1930er Jahre die einzige Methode zur technischen Herstellung von Ethin als Brenngas (Schweißgas) beim Gasschmelzschweißen. Calciumcarbid war daneben ein wichtiger Ausgangsstoff für die Entwicklung der Acetylen-Chemie (vgl. Reppe-Chemie). Mit dem Aufkommen der petrochemischen Industrie hat diese Ethinquelle jedoch stark an Bedeutung verloren.

Kovalente Carbide

Kovalente Carbide werden zwischen Kohlenstoff und Elementen mit annähernd gleicher Elektronegativität gebildet. Die beiden wichtigsten Beispiele sind SiC (Siliciumcarbid, „Carborundum“) und B₄C (Borcarbid). Sie besitzen kovalente Bindungen zwischen Kohlenstoff und dem jeweiligen Element. Die sehr starken kovalenten Bindungen, verbunden mit einer Kristallstruktur, die denen anderer harter Stoffe sehr ähneln (SiC besitzt eine dem Diamanten ähnliche Struktur) führt zu einer hohen mechanischen Stabilität. Demgemäß finden diese Carbide in der Regel als Hartstoffe (Beschichtungen, Schleifmittel) und zur Verstärkung von Kunststoffen Verwendung.^[1]

Siliciumcarbid ist auch als Trägermaterial für Katalysatoren in der chemischen Industrie von Interesse, da es eine hohe Wärmeleitfähigkeit und praktisch keinen Abrieb besitzt.

Metallartige Carbide

Diese Carbide werden von den Elementen der 4.–6. Nebengruppe gebildet^[2], typische Beispiele sind Titan, Tantal und Wolfram. Sie besitzen in der Regel keine exakt definierte Stöchiometrie. Vielmehr sind die Kohlenstoffatome in die Tetraederlücken bzw. je nach Größenverhältnis zum Metall in die Oktaederlücken der Metallgitter eingelagert und bilden Einlagerungsverbindungen oder interstitielle Verbindungen. Diese Substanzen zeichnen sich durch eine hohe mechanische und thermische Stabilität und hohe Schmelzpunkte (3000 bis 4000 °C) aus und dienen als Hartstoffe und Keramiken im chemischen Apparate- und Anlagenbau, zur Bestreuung von Schleifwerkzeugen sowie zur Herstellung von Hartmetall-Einsätzen für Schneidewerkzeuge. Zementit (Fe₃C) ist ein Bestandteil des Stahls.^[1]

Die Kugel eines Kugelschreibers besteht beispielsweise aus Wolframcarbid.

Wolframcarbid wird umgangssprachlich als Hartmetall bezeichnet. Jedoch zählt es zur Hauptgruppe der technischen Keramiken, genauer genommen der nichtoxidischen Keramik.

Im allgemeinen Sprachgebrauch wird Karbid meist gleichgesetzt mit Calciumcarbid. Dieses reagiert mit Wasser zu Acetylen, was für verschiedene Anwendungen genutzt werden kann. Zur Anwendung von Calciumcarbid siehe dort.

Siehe auch

• Technische Keramik
• Karbidlampe
• Nitride
• Oxide
• Boride
• Silicide

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c} Brockhaus ABC Chemie, VEB F. A. Brockhaus Verlag Leipzig 1965, S. 643–644.
2. ↑ A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Anorganische Chemie. 103. Auflage. Band 1. Walter de Gruyter, Berlin 2017, ISBN 978-3-11-026932-1, S. 1022.