الكربيد

في الكيمياء ، يُشير مصطلح الكربيد عادةً إلى مركب يتكون من الكربون ومعدن. وفي علم المعادن ، تُعرف عملية الكربيد أو الكربنة بأنها عملية إنتاج طبقات من الكربيد على قطعة معدنية. ^{[ 1 ]}

تُوصف كربيدات الفلزات الانتقالية من المجموعات 4 و5 و6 (باستثناء الكروم) عادةً بأنها مركبات بينية . ^{[ 2 ]} تتميز هذه الكربيدات بخواصها المعدنية وخصائصها المقاومة للحرارة . ويُظهر بعضها نطاقًا واسعًا من النسب الكيميائية ، حيث تُشكل خليطًا غير متكافئ من كربيدات مختلفة ناتجة عن عيوب بلورية . وتُعد بعض هذه الكربيدات، بما في ذلك كربيد التيتانيوم وكربيد التنجستن ، ذات أهمية صناعية كبيرة، وتُستخدم في طلاء المعادن في أدوات القطع. ^{[ 3 ]}

الرأي السائد منذ فترة طويلة هو أن ذرات الكربون تتناسب مع الفراغات الثمانية السطوح في شبكة معدنية متراصة عندما يكون نصف قطر ذرة المعدن أكبر من حوالي 135  بيكومتر: ^{[ 2 ]}

• عندما تكون ذرات المعدن متراصة بشكل مكعب (ccp)، فإن ملء جميع الفراغات الثمانية السطوح بالكربون يحقق نسبة قياس العناصر 1:1 مع بنية ملح الصخور . ^{[ 4 ]}
• عندما تكون ذرات المعدن متراصة بشكل سداسي متراص (hcp)، حيث تقع الفراغات الثمانية السطوح مباشرة مقابل بعضها البعض على جانبي طبقة ذرات المعدن، فإن ملء واحد منها فقط بالكربون يحقق نسبة قياس العناصر 2:1 مع بنية CdI _2. ^{[ 4 ]}

يُبين الجدول التالي ^{[ 2 ] [ 3 ]} هياكل المعادن وكربيداتها. (ملاحظة: إن البنية المكعبة ذات المركز الجسمي التي يتبناها الفاناديوم والنيوبيوم والتنتالوم والكروم والموليبدينوم والتنغستن ليست شبكة متراصة). يشير الرمز "h/2" إلى بنية M2C _{الموصوفة} أعلاه، وهي وصف تقريبي فقط للهياكل الفعلية. ويمكن ملاحظة أن الاعتقاد السائد بأن شبكة المعدن النقي "تمتص" ذرات الكربون غير صحيح، إذ يختلف ترتيب ذرات المعدن في الكربيدات عن ترتيبها في المعدن النقي، على الرغم من صحة أن ذرات الكربون تتلاءم مع الفراغات الثمانية السطوح في شبكة معدنية متراصة.

لفترة طويلة، كان يُعتقد أن الأطوار غير المتكافئة غير منتظمة مع ملء عشوائي للفراغات، ومع ذلك فقد تم اكتشاف ترتيب قصير المدى وطويل المدى. ^{[ 5 ]}

يشكل الحديد عددًا من الكربيدات، مثل Fe₃C _و Fe₇C₃ و Fe₂C . _{وأشهرها} السمنتيت ( Fe₃C ) _{الموجود} في الفولاذ. هذه الكربيدات أكثر تفاعلية من الكربيدات _{البينية} ؛ فعلى سبيل المثال، تتحلل كربيدات الكروم والمنغنيز والحديد والكوبالت والنيكل جميعها بواسطة الأحماض المخففة ، وأحيانًا بواسطة الماء _، لتُنتج خليطًا من الهيدروجين والهيدروكربونات. تشترك هذه المركبات في خصائص مع كل من الكربيدات البينية الخاملة والكربيدات الشبيهة بالأملاح الأكثر تفاعلية. ^{[ 2 ]}

يُعتقد أن بعض المعادن، مثل الرصاص والقصدير ، لا تُشكّل الكربيدات تحت أي ظرف من الظروف. ^{[ 6 ]} ومع ذلك ، يوجد كربيد مختلط من التيتانيوم والقصدير، وهو موصل ثنائي الأبعاد. ^{[ 7 ]}

يمكن تصنيف الكربيدات بشكل عام حسب نوع الروابط الكيميائية على النحو التالي:

1. شبيه بالملح (أيوني)،
2. المركبات التساهمية ،
3. المركبات الخلالية ، و
4. كربيدات المعادن الانتقالية "الوسيطة" .

تشمل الأمثلة كربيد الكالسيوم (CaC₂ ₎ ، وكربيد السيليكون (SiC)، وكربيد التنجستن (WC؛ والذي يُطلق عليه غالبًا اسم الكربيد عند الإشارة إلى أدوات الآلات)، والسمنتيت (Fe₃C ₎ ، ^{[ 2 ]} وكل منها يُستخدم في تطبيقات صناعية رئيسية. ولا يوجد نظام مُحدد لتسمية الكربيدات الأيونية.

كربيدات شبيهة بالملح / ملحية / أيونية

تتكون الكربيدات الشبيهة بالملح من عناصر ذات كهروإيجابية عالية، مثل الفلزات القلوية ، والفلزات القلوية الترابية ، واللانثانيدات ، والأكتينيدات ، وفلزات المجموعة الثالثة ( السكانديوم ، والإتريوم ، واللوتيتيوم ). يشكل الألومنيوم من المجموعة الثالثة عشرة الكربيدات ، بينما لا يشكلها الغاليوم ، والإنديوم ، والثاليوم . تتميز هذه المواد بوجود مراكز كربون معزولة، تُوصف غالبًا بـ " ^C⁴⁻ " في الميثانيدات أو الميثيدات؛ ووحدات ثنائية الذرة، " C²⁻² " في الأسيتيليدات ؛ ووحدات ثلاثية الذرة، " C⁴⁻³ " في الأليليدات. ^{[ ٢ ]} كما توجد بعض الأنيونات الأكبر حجمًا .

لا يُصنف مركب التداخل الجرافيتي KC ₈ ، المُحضر من بخار البوتاسيوم والجرافيت، ومشتقات المعادن القلوية لـ C _{60 عادةً على أنها كربيدات.} ^{[ 8 ]}

الميثانيدات

الميثانيدات هي مجموعة فرعية من الكربيدات تتميز بميلها للتحلل في الماء منتجةً غاز الميثان _. ومن الأمثلة عليها كربيد _{الألومنيوم} Al₄C₃ _، وكربيد _{المغنيسيوم} Mg₂C ، ^{وكربيد البريليوم Be₂C} .

لا تُعدّ كربيدات المعادن الانتقالية مواد ملحية: فتفاعلها مع الماء بطيء للغاية، وعادةً ما يُهمل. على سبيل المثال، اعتمادًا على مسامية السطح، تتحلل 5-30 طبقة ذرية من كربيد التيتانيوم مائيًا، مُكَوِّنةً غاز الميثان في غضون 5 دقائق في الظروف المحيطة، ثم يصل التفاعل إلى حد التشبع. ^{[ 10 ]}

تجدر الإشارة إلى أن مصطلح "ميثانيد" في هذا السياق هو اسم تاريخي شائع. وفقًا لاتفاقيات التسمية المنهجية للاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC)، يُطلق على مركب مثل NaCH₃ اسم "ميثانيد"، على الرغم من أن هذا المركب يُسمى غالبًا ميثيل الصوديوم. _[ ^{11 ] انظر} مجموعة الميثيل §  أنيون الميثيل لمزيد من المعلومات حول أنيون CH₃⁻ .

الأسيتيليدات/الإيثينيدات

يُفترض أن العديد من الكربيدات هي أملاح لأنيون الأسيتيليد C₂⁻² (يُسمى أيضًا بيركاربيد ، قياسًا على البيروكسيد )، والذي يحتوي على _{رابطة ثلاثية} بين ذرتي الكربون. تُشكل الفلزات القلوية والفلزات القلوية الترابية وفلزات اللانثانيدات الأسيتيليدات، على سبيل المثال ، كربيد الصوديوم Na₂C₂ ، وكربيد الكالسيوم CaC₂ _، و LaC₂ _. ^{[ 2 ]} تُشكل اللانثانيدات أيضًا كربيدات (سيسكيكاربيدات، انظر أدناه ) بصيغة M₂C₃ _{. تميل} فلزات المجموعة 11 أيضًا إلى تكوين الأسيتيليدات، مثل أسيتيليد النحاس (I) وأسيتيليد الفضة . تُوصف كربيدات عناصر الأكتينيدات ، التي لها نسبة قياس العناصر MC₂ و M₂C₃ ، _بأنها مشتقات _{شبيهة بالأملاح من} C₂⁻² .

يتراوح طول الرابطة الثلاثية C–C من 119.2 _{بيكومتر}  في CaC₂ ₍ مشابه للإيثاين)، إلى 130.3  بيكومتر في LaC₂ و134  بيكومتر في UC₂ . وقد وُصفت الرابطة في LaC₂ _{بدلالة La III} مع الإلكترون الإضافي غير المتمركز في المدار المضاد للترابط على ^C₂⁻² ، مما ^يفسر التوصيل المعدني. ^[ 2 ^]

الأليليدات

يوجد الأيون متعدد الذرات C₄⁻³ ، _والذي يُسمى أحيانًا الأليليد ، في Li₄C₃ و _{Mg₂C₃ . هذا} الأيون خطي ومتساوي الإلكترونات مع CO₂ _. ^{[ 2 ]} تبلغ ^{المسافة} بين ^ذرتي الكربون ^في Mg₂C₃ 133.2 بيكومتر . [ _{12 ]} 

ينتج _عن تحلل Mg₂C₃ _مائيًا ميثيل أسيتيلين ( CH₃CCH₃ ) وبروبادين ( CH₂CCH₂ ₎ ، وهو ما كان أول مؤشر على _احتواء الملح على C₄₋₃ . في المقابل، يُحضّر _{Li₄C₃ من} تفاعل البروبين مع 4 مكافئات ^{من بيوتيل} الليثيوم في الهكسانات . [ ¹³ _] ^{: 6156}

بسبب طاقة شبكته البلورية _الأعلى ، يُعدّ Mg₂C₃ أكثر استقرارًا بكثير من Li₄C₃ _{. فعلى} سبيل المثال _، يتفاعل الأخير فقط بشكل انفجاري مع البروم. ^{[ 13 ] : 6159}

"الكربونات الليثيومية"

لا يُعرف سوى عدد قليل من نظائر الهيدروكربونات المحتوية على الليثيوم. يستبدل بوتيل الليثيوم ذرات الهيدروجين في الألكاين في كل من الموضع الطرفي وموضع البروبارجيل . وهكذا، تم احتواء البروباين ، والبنتادياين ، والدياسيتيلين على الليثيوم. ^{[ 14 ]}

الكربيدات الجزيئية

تُعرف المركبات الفلزية التي تحتوي على الكربون باسم _مركبات الكربيد الفلزية . وأكثرها شيوعًا هي التجمعات ثمانية السطوح التي تتمركز حول الكربون، مثل ^{[Au₆C(Ph₃)₆]²⁺} ( حيث يمثل " Ph _" مجموعة _فينيل ) و [ Fe₆C ( CO) _₆ ] _²⁻ ^. وتُعرف أنواع مماثلة لكربونيلات الفلزات وهاليدات الفلزات المبكرة، بالإضافة إلى تجمع الليثيوم _Li₆C . ^{[ 14 ]}

_{تم عزل عدد قليل} من الكربيدات الطرفية، مثل [ CRuCl2 (P ( _C6H11 ) ₃ ) _{2 ]} .

الميتالوكاربوهيدراين (أو "met-cars") هي تجمعات مستقرة ذات الصيغة العامة M ₈ C ₁₂ حيث M هو معدن انتقالي (Ti، Zr، V، إلخ).

بالإضافة إلى الكربيدات، توجد مجموعات أخرى من مركبات الكربون ذات الصلة: ^{[ 2 ]}

• مركبات التداخل الجرافيتي
• فوليريدات المعادن القلوية
• الفوليرينات الداخلية ، حيث يتم تغليف ذرة المعدن داخل جزيء الفوليرين
• الميتالوكاربوهيدرين (met-cars) وهي مركبات عنقودية تحتوي على وحدات _{C2 .}
• الكربون النانوي المسامي القابل للتعديل ، حيث يؤدي الكلورة الغازية لكربيدات المعادن إلى إزالة جزيئات المعدن لتشكيل مادة كربونية عالية المسامية وقريبة من النقاء قادرة على تخزين الطاقة بكثافة عالية.
• معقدات الكاربين للمعادن الانتقالية .
• كربيدات المعادن الانتقالية ثنائية الأبعاد: MXenes

• كربيدات الكابا