Carbide


Carbide

Carbide sind eine Stoffgruppe binärer chemischer Verbindungen aus einem Element E und Kohlenstoff C mit der allgemeinen Formel ExCy.

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.

$ \mathrm{CaCO_3 \rightarrow \!\ CaO + CO_2} $
$ \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 Li4C, 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. Li4C, Be2C und Al4C3, enthalten C4−, abgeleitet von Methan CH4
  • Acetylide, z. B. CaC2, enthält C22−, abgeleitet von Ethin (Acetylen) C2H2 und
  • Allenide, z. B. Mg2C3, enthält C34−, abgeleitet von Allen C3H4.

Ionische Carbide 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 in der Karbidlampe verwendete Calciumcarbid (CaC2), oft einfach Karbid genannt, das in Anwesenheit von Wasser Ethin freisetzt:

$ \mathrm{CaC_2 + 2\ H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + C_2H_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. Calciumcarbid war dadurch 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

Siliciumcarbid

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 Diamantstruktur) 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 2.–5. Nebengruppe gebildet, typische Beispiele sind Titan 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 sowie als Schneide- und Schleifwerkzeuge. Zementit (Fe3C) ist ein Bestandteil des Stahls.[1]

Die Kugel eines Kugelschreibers besteht beispielsweise aus Wolframcarbid.

Populäre Anwendungen

Im allgemeinen Sprachgebrauch wird Karbid meist gleichgesetzt mit Calciumcarbid. Dieses reagiert mit Wasser zu Acetylen, was für verschiedene Anwendungen genutzt werden kann.[2]

Karbidlampe

Karbidlampen waren im Bergbau und in der Höhlenforschung, aber auch als Fahrzeugbeleuchtung, weit verbreitet.

Carbidschießen

Die Tradition des Carbidschießens wird vornehmlich in den Niederlanden und in einigen Teilen Nordwestdeutschlands und Nordbayerns von jungen Männern zu Hochzeiten, Silvester und Neujahr gepflegt. In der Oberlausitz ist es als Osterschießen bekannt. Aufgrund des hohen Gefahrenpotenzials ist das Carbidschießen in Deutschland verboten und in den Niederlanden nur zu Silvester und Neujahr gestattet, aber es wird in Deutschland auch noch von Jugendlichen zu Silvester oder ähnlichen Anlässen praktiziert. In den Niederlanden werden dabei regelrechte Carbidschießfeiern abgehalten. In Kärnten (Österreich) findet das Carbidschießen als Osterbrauch von der Speisesegnung am Karsamstag bis zur Auferstehungsfeier am Ostersonntag in der Früh statt. Legt man einige Calciumcarbidstücke in eine Milchkanne und beträufelt man sie mit ein wenig Wasser, so entsteht in dem mit einem Deckel oder Fußball abgedichteten Volumen ein explosives Gasgemisch aus Ethin und Sauerstoff. Das Gasgemisch wird dann durch ein zuvor gebohrtes Loch im Boden entzündet. Durch die Explosion kann der Deckel oder Fußball bis zu 70 m weit geschleudert werden.

Carbidfischen

Das gleiche Prinzip machten sich in der Hungerzeit nach dem Zweiten Weltkrieg arme Menschen zunutze, um trotz Verbots der Besatzungsmächte durch Explosion einer Carbiddose in Fischgewässern rasch viele Fische schwimmunfähig zu machen und abzuräumen. Karbid war damals wegen der Verwendung zur Ethinherstellung für Schweißarbeiten und wegen der Verwendung in Karbid-Fahrradlampen leicht verfügbar.

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. 1,0 1,1 1,2 Brockhaus ABC Chemie, VEB F. A. Brockhaus Verlag Leipzig 1965, S. 643−644.
  2. Siegfried Hauptmann: Organische Chemie, 2. Auflage, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1985, S. 263, ISBN 3-342-00280-8.