Carburo

Estructura de la celosía del carburo de titanio

En química, un carburo generalmente describe un compuesto compuesto de carbono y un metal. En metalurgia, carburar o cementar es el proceso para producir recubrimientos de carburo en una pieza de metal.

Carburos Intersticiales / Metálicos

Molinos finales de carburo de tungsteno

Los carburos de los metales de transición de los grupos 4, 5 y 6 (con la excepción del cromo) a menudo se describen como compuestos intersticiales. Estos carburos tienen propiedades metálicas y son refractarios. Algunos exhiben un rango de estequiometrías, siendo una mezcla no estequiométrica de varios carburos que surgen debido a defectos en los cristales. Algunos de ellos, incluidos el carburo de titanio y el carburo de tungsteno, son importantes industrialmente y se utilizan para recubrir metales en herramientas de corte.

La opinión generalizada es que los átomos de carbono encajan en los intersticios octaédricos de una red metálica compacta cuando el radio del átomo metálico es mayor que aproximadamente 135 pm:

• Cuando los átomos de metal son cúbicos de cerca empaquetados, (ccp), entonces llenando todos los intersticios octaedral con carbono alcanza 1:1 stoichiometría con la estructura de sal de roca.
• Cuando los átomos de metal son hexagonales envasados, (hcp), ya que los intersticios octaedral se encuentran directamente opuestos unos a otros en cada lado de la capa de átomos de metal, llenando sólo uno de estos con carbono alcanza 2:1 estoichiometría con el CdI₂ estructura.

La siguiente tabla muestra las estructuras de los metales y sus carburos. (N.B. la estructura cúbica centrada en el cuerpo adoptada por el vanadio, el niobio, el tantalio, el cromo, el molibdeno y el tungsteno no es una red compacta). La notación "h/2" se refiere a la estructura de tipo M₂C descrita anteriormente, que es solo una descripción aproximada de las estructuras reales. La simple vista de que la red del metal puro "absorbe" Los átomos de carbono pueden parecer falsos, ya que el empaquetamiento de la red de átomos metálicos en los carburos es diferente del empaquetamiento en el metal puro, aunque técnicamente es correcto que los átomos de carbono encajen en los intersticios octaédricos de una red metálica compacta..

Durante mucho tiempo se pensó que las fases no estequiométricas estaban desordenadas con un relleno aleatorio de los intersticios, sin embargo, se ha detectado una ordenación de corto y largo alcance.

El hierro forma varios carburos, Fe₃C, Fe₇C₃ y Fe₂C. La más conocida es la cementita, Fe₃C, que está presente en los aceros. Estos carburos son más reactivos que los carburos intersticiales; por ejemplo, los carburos de Cr, Mn, Fe, Co y Ni son todos hidrolizados por ácidos diluidos ya veces por agua, para dar una mezcla de hidrógeno e hidrocarburos. Estos compuestos comparten características tanto con los intersticiales inertes como con los carburos salinos más reactivos.

Se cree que algunos metales, como el plomo y el estaño, no forman carburos bajo ninguna circunstancia. Sin embargo, existe un carburo mixto de titanio y estaño, que es un conductor bidimensional.

Clasificación química de los carburos

Los carburos se pueden clasificar generalmente por el tipo de enlace químico de la siguiente manera:

1. sal-como (ionica),
2. compuestos covalentes,
3. compuestos intersticiales y
4. Carburos metálicos de transición "intermediados".

Los ejemplos incluyen carburo de calcio (CaC₂), carburo de silicio (SiC), carburo de tungsteno (WC; a menudo llamado, simplemente, carburo cuando se refiere a herramientas mecánicas), y cementita (Fe₃C), cada uno utilizado en aplicaciones industriales clave. La denominación de los carburos iónicos no es sistemática.

Carburos salinos / salinos / iónicos

Los carburos similares a las sales se componen de elementos altamente electropositivos, como los metales alcalinos, los metales alcalinotérreos, los lantánidos, los actínidos y los metales del grupo 3 (escandio, itrio y lutecio). El aluminio del grupo 13 forma carburos, pero el galio, el indio y el talio no. Estos materiales presentan centros de carbono aislados, a menudo descritos como "C⁴⁻", en los metanuros o meturos; unidades de dos átomos, "C2−2", en los acetiluros; y unidades de tres átomos, "C4−3", en los aliluros. El compuesto de intercalación de grafito KC8, preparado a partir de vapor de potasio y grafito, y los derivados de metales alcalinos de C₆₀ no suelen clasificarse como carburos.

Metanuros

Los metanuros son un subconjunto de carburos que se distinguen por su tendencia a descomponerse en agua produciendo metano. Tres ejemplos son el carburo de aluminio Al₄C₃ , carburo de magnesio Mg₂C y carburo de berilio Be₂C.

Los carburos de metales de transición no son salinos: su reacción con el agua es muy lenta y suele despreciarse. Por ejemplo, según la porosidad de la superficie, se hidrolizan de 5 a 30 capas atómicas de carburo de titanio, formando metano en 5 minutos en condiciones ambientales, seguido de la saturación de la reacción.

Tenga en cuenta que metanuro en este contexto es un nombre histórico trivial. De acuerdo con las convenciones de nomenclatura sistemática de la IUPAC, un compuesto como NaCH₃ se denominaría "metánido", aunque este compuesto a menudo se denomina metilsodio.

Acetilidos/etinuros

Carburo de calcio

Se supone que varios carburos son sales del anión acetiluro C2−2 (también llamado percarburo, por analogía con el peróxido), que tiene un triple enlace entre los dos átomos de carbono. Los metales alcalinos, los metales alcalinotérreos y los metales lantanoides forman acetiluros, por ejemplo, carburo de sodio Na₂C₂, carburo de calcio CaC₂ y LaC2. Los lantánidos también forman carburos (sesquicarburos, ver más abajo) con fórmula M₂C₃. Los metales del grupo 11 también tienden a formar acetiluros, como acetiluro de cobre (I) y acetiluro de plata. Los carburos de los elementos actínidos, que tienen estequiometría MC₂ y M₂C₃, también se describen como derivados salinos de C2−2.

La longitud del triple enlace C-C varía de 119,2 pm en CaC₂ (similar al etino), a 130,3 pm en LaC2 y 134 pm en UC2. El enlace en LaC2 se ha descrito en términos de La^III con el electrón adicional deslocalizado en el orbital de antienlace en C2−2, explicando la conducción metálica.

Aliluros

El ion poliatómico C4−3, a veces llamado allylide, se encuentra en Li₄C₃ y Mg₂C₃. El ion es lineal y es isoelectrónico con CO₂. La distancia C–C en Mg₂C₃ es 133,2 pm. Mg₂C₃ rendimientos metilacetileno, CH₃CCH, y propadieno, CH₂CCH₂, en hidrólisis, que fue el primer indicio de que contiene C4−3.

Carburos covalentes

Los carburos de silicio y boro se describen como "carburos covalentes", aunque prácticamente todos los compuestos de carbono presentan algún carácter covalente. El carburo de silicio tiene dos formas cristalinas similares, ambas relacionadas con la estructura del diamante. El carburo de boro, B₄C, por otro lado, tiene una estructura inusual que incluye unidades de boro icosaédricas unidas por átomos de carbono. En este sentido, el carburo de boro es similar a los boruros ricos en boro. Tanto el carburo de silicio (también conocido como carborundo) como el carburo de boro son materiales muy duros y refractarios. Ambos materiales son importantes industrialmente. El boro también forma otros carburos covalentes, como B₂₅C.

Carburos moleculares

El complejo [Au₆C(PPh₃)₆]²⁺, que contiene un núcleo dorado de carbono

Los complejos metálicos que contienen C se conocen como complejos de carburo metálico. Los más comunes son los grupos octaédricos centrados en carbono, como [Au₆C(PPh₃)₆]²⁺ (donde "Ph" representa un grupo fenilo) y [Fe₆C(CO)₆]²⁻. Se conocen especies similares para los carbonilos metálicos y los primeros haluros metálicos. Se han aislado algunos carburos terminales, como [CRuCl₂{P(C₆H₁₁)₃}₂].

Los metalocarboedrinos (o "met-cars") son grupos estables con la fórmula general M₈C₁₂ donde M es un metal de transición (Ti, Zr, V, etc.).

Materiales relacionados

Además de los carburos, existen otros grupos de compuestos de carbono relacionados:

• compuestos de intercalación de grafito
• alkali metal fullerides
• endohedral fullerenes, donde el átomo de metal es encapsulado dentro de una molécula fullerene
• metallacarbohedrenes (met-cars) que son compuestos de racimo que contienen C₂ unidades.
• carbono tunable nanoporoso, donde la cloración de gas de carburos metálicos elimina moléculas metálicas para formar un material de carbono altamente poroso y casi puro capaz de almacenamiento de energía de alta densidad.
• complejos de carbea metálica de transición.
• carburos metálicos de transición bidimensional: MXenes