En química , un carburo suele describir un compuesto compuesto de carbono y un metal. En metalurgia , carburo o carburación es el proceso para producir recubrimientos de carburo sobre una pieza metálica. [1]
Los carburos de los metales de transición de los grupos 4, 5 y 6 (a excepción del cromo) se describen a menudo como compuestos intersticiales . [2] Estos carburos tienen propiedades metálicas y son refractarios . Algunos exhiben una variedad 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 a nivel industrial y se utilizan para recubrir metales en herramientas de corte. [3]
La opinión sostenida desde hace mucho tiempo es que los átomos de carbono encajan en intersticios octaédricos en una red metálica compacta cuando el radio del átomo metálico 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, 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 M 2 C descrita anteriormente, que es sólo una descripción aproximada de las estructuras reales. La simple idea de que la red del metal puro "absorbe" átomos de carbono puede considerarse falsa, ya que el empaquetamiento de la red de átomos metálicos en los carburos es diferente del empaquetamiento en el metal puro, aunque es técnicamente correcto que el carbono Los átomos encajan en los intersticios octaédricos de una red metálica muy compacta.
Durante mucho tiempo se creyó que las fases no estequiométricas estaban desordenadas con un llenado aleatorio de los intersticios; sin embargo, se ha detectado un ordenamiento de corto y largo alcance. [5]
El hierro forma varios carburos, Fe 3 C , Fe 7 C 3 y Fe 2 C . La más conocida 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 se hidrolizan con ácidos diluidos y, a veces, con 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. [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 generalmente se pueden clasificar según el tipo de enlace químico de la siguiente manera:
Los ejemplos incluyen carburo de calcio (CaC 2 ), carburo de silicio (SiC), carburo de tungsteno (WC; a menudo llamado simplemente carburo cuando se hace referencia a máquinas herramienta) y 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 las 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 las metanuros o métidos; unidades de dos átomos, " C2-2", en los acetiluros ; y unidades de tres átomos, " C4-3", en los alilidos. [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 normalmente se desprecia. Por ejemplo, dependiendo de la porosidad de la superficie, se hidrolizan entre 5 y 30 capas atómicas de carburo de titanio , formando 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 "metánuro", aunque este compuesto a menudo se denomina 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 el peróxido ), que tiene un triple enlace entre los dos átomos de carbono. Los metales alcalinos, alcalinotérreos y lantánidos forman acetiluros, por ejemplo, carburo de sodio Na 2 C 2 , carburo de calcio CaC 2 y LaC 2 . [2] Los lantánidos también forman carburos (sesquicarburos, ver más abajo) con fórmula M 2 C 3 . Los metales del grupo 11 también tienden a formar acetiluros, como el acetiluro de cobre (I) y el acetiluro de plata . Los carburos de los elementos actínidos , que tienen estequiometría MC 2 y M 2 C 3 , también se describen como derivados salinos de C2-2.
La longitud del triple enlace C-C varía desde 119,2 pm en CaC 2 (similar al etino), hasta 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 extra deslocalizado en el orbital antienlazante en C.2-2, explicando la conducción metálica. [2]
El ion poliatómico C4-3, a veces llamado aliluro , se encuentra en Li 4 C 3 y Mg 2 C 3 . El ion es lineal y es isoelectrónico con el 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, ambas relacionadas con la estructura del diamante. [2] El carburo de boro , B 4 C, por otro lado, tiene una estructura inusual que incluye unidades icosaédricas de boro 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 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 primeros haluros metálicos. Se han aislado algunos carburos terminales, como [CRuCl 2 {P(C 6 H 11 ) 3 } 2 ] .
Los metalocarboedrinos (o "met-cars") son grupos estables con la fórmula general M 8 C 12 donde M es un metal de transición (Ti, Zr, V, etc.).
Además de los carburos, existen otros grupos de compuestos de carbono relacionados: [2]