En química , un carburo suele describir un compuesto formado por carbono y un metal. En metalurgia , la carburación es el proceso para producir recubrimientos de carburo sobre una pieza de metal. [1]
Los carburos de los metales de transición de los grupos 4, 5 y 6 (con excepción del cromo) se describen a menudo como compuestos intersticiales . [2] Estos carburos tienen propiedades metálicas y son refractarios . Algunos presentan un rango de estequiometrías , siendo una mezcla no estequiométrica de varios carburos que surgen debido a defectos cristalinos . 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. [3]
La opinión sostenida durante mucho tiempo es que los átomos de carbono encajan en intersticios octaédricos en una red metálica compacta cuando el radio del átomo de metal es mayor que aproximadamente 135 pm: [2]
La siguiente tabla [2] [3] muestra las estructuras de los metales y sus carburos. (NB la estructura cúbica centrada en el cuerpo adoptada por el vanadio, niobio, tantalio, cromo, molibdeno y 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 visión simple de que la red del metal puro "absorbe" átomos de carbono puede resultar falsa, ya que el empaquetamiento de la red de átomos de metal en los carburos es diferente del empaquetamiento en el metal puro, aunque es técnicamente correcto que los átomos de carbono encajen en los intersticios octaédricos de una red metálica compacta.
Durante mucho tiempo se creyó que las fases no estequiométricas estaban desordenadas con un llenado aleatorio de los intersticios, sin embargo se han detectado ordenamientos de corto y largo alcance. [5]
El hierro forma una serie de carburos, Fe 3 C , Fe 7 C 3 y Fe 2 C . El más conocido es la cementita , Fe 3 C, 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 y, a veces, por agua, para dar una mezcla de hidrógeno e hidrocarburos. Estos compuestos comparten características tanto con los intersticiales inertes como con los carburos similares a sales, que son más reactivos. [2]
Se cree que algunos metales, como el plomo y el estaño , no forman carburos bajo ninguna circunstancia. [6] Sin embargo, existe un carburo mixto de titanio y estaño, que es un conductor bidimensional. [7]
Los carburos se pueden clasificar generalmente por el tipo de enlaces químicos de la siguiente manera:
Entre los ejemplos se incluyen el carburo de calcio (CaC 2 ), el carburo de silicio (SiC), el carburo de tungsteno (WC; a menudo llamado, simplemente, carburo cuando se hace referencia a herramientas para máquinas) y la cementita (Fe 3 C), [2] cada uno de ellos utilizado en aplicaciones industriales clave. La denominación de los carburos iónicos no es sistemática.
Los carburos similares a sales están compuestos de elementos altamente electropositivos como los metales alcalinos , metales alcalinotérreos , lantánidos , actínidos y 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 "C 4− ", en los metanuros o meturos; unidades de dos átomos, " C2−2", en los acetiluros ; y unidades de tres átomos, " C4−3", en los aliluros. [2] El compuesto de intercalación de grafito KC 8 , preparado a partir de vapor de potasio y grafito, y los derivados de metales alcalinos de C 60 no suelen clasificarse como carburos. [8]
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 Al 4 C 3 , el carburo de magnesio Mg 2 C [9] y el carburo de berilio Be 2 C .
Los carburos de metales de transición no son salinos: su reacción con el agua es muy lenta y suele pasarse por alto. Por ejemplo, dependiendo de la porosidad de la superficie, se hidrolizan entre 5 y 30 capas atómicas de carburo de titanio , lo que forma metano en 5 minutos en condiciones ambientales, seguido de la saturación de la reacción. [10]
Tenga en cuenta que metanuro en este contexto es un nombre histórico trivial. Según las convenciones de nomenclatura sistemática de la IUPAC, un compuesto como NaCH 3 se denominaría "metanuro", aunque a este compuesto a menudo se lo llama metilsodio. [11] Consulte Grupo metilo#Anión metilo para obtener más información sobre el CH−3anión.
Se supone que varios carburos son sales del anión acetiluro C2−2(también llamado percarburo, por analogía con peróxido ), que tiene un triple enlace entre los dos átomos de carbono. Los metales alcalinos, los metales alcalinotérreos y los metales lantánidos forman acetiluros, por ejemplo, carburo de sodio Na2C2 , carburo de calcio CaC2 y LaC2 . [2] Los lantánidos también forman carburos (sesquicarburos, ver más abajo) con la 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 similares a sales de C2−2.
La longitud del triple enlace C–C varía de 119,2 pm en CaC 2 (similar al etino), a 130,3 pm en LaC 2 y 134 pm en UC 2 . El enlace en LaC 2 se ha descrito en términos de La III con el electrón adicional deslocalizado en el orbital antienlazante en C2−2, explicando la conducción metálica. [2]
El ion poliatómico C4−3, a veces llamado aliliuro , se encuentra en Li 4 C 3 y Mg 2 C 3 . El ion es lineal y es isoelectrónico con CO 2 . [2] La distancia C–C en Mg 2 C 3 es 133,2 pm. [12] Mg 2 C 3 produce metilacetileno , CH 3 CCH, y propadieno , CH 2 CCH 2 , por hidrólisis, que fue la primera indicación de que contiene C 4−3.
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, que están relacionadas con la estructura del diamante. [2] El carburo de boro , B 4 C, 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 el B 25 C.
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Los complejos metálicos que contienen C se conocen como complejos de carbido metálico . Los más comunes son los grupos octaédricos centrados en el carbono, como [Au 6 C(P Ph 3 ) 6 ] 2+ (donde "Ph" representa un grupo fenilo ) y [Fe 6 C(CO) 6 ] 2− . Se conocen especies similares para los carbonilos metálicos y los haluros metálicos tempranos. Se han aislado algunos carburos terminales, como [CRuCl 2 {P(C 6 H 11 ) 3 } 2 ] .
Los metalocarbohedrinos (o " met-cars") son grupos estables con la fórmula general M8C12 donde M es un metal de transición (Ti, Zr, V, etc.) .
Además de los carburos, existen otros grupos de compuestos de carbono relacionados: [2]