Carbure - Carbide

Pour l'outil de développement logiciel ciblant le système d'exploitation Symbian, voir Carbide.c++ . Pour le composé métallique couramment utilisé dans les machines-outils, voir le carbure de tungstène . Pour la ville de Virginie-Occidentale, voir Carbide, comté de Wetzel, Virginie-Occidentale .
Structure en treillis de carbure de titane

En chimie , un carbure décrit généralement un composé composé de carbone et d'un métal. En métallurgie , le carbure ou la cémentation est le procédé permettant de produire des revêtements de carbure sur une pièce métallique.

Interstitiel / Carbures métalliques

Carbure de tungstène fraises

Les carbures des métaux de transition des groupes 4, 5 et 6 (à l'exception du chrome) sont souvent décrits comme des composés interstitiels . Ces carbures ont des propriétés métalliques et sont réfractaires . Certains présentent une gamme de stoechiométries , étant un mélange non stoechiométrique de divers carbures résultant de défauts cristallins. Certains d'entre eux, dont le carbure de titane et le carbure de tungstène , sont importants industriellement et sont utilisés pour revêtir les métaux dans les outils de coupe.

L'opinion de longue date est que les atomes de carbone s'insèrent dans des interstices octaédriques dans un réseau métallique compact lorsque le rayon de l'atome de métal est supérieur à environ 135 pm :

  • Lorsque les atomes métalliques sont cubiques compacts , (ccp), alors le remplissage de tous les interstices octaédriques avec du carbone atteint une stoechiométrie 1:1 avec la structure du sel gemme.
  • Lorsque les atomes métalliques sont hexagonaux compacts , (hcp), car les interstices octaédriques se font directement face de chaque côté de la couche d'atomes métalliques, le remplissage d'un seul d'entre eux avec du carbone atteint une stoechiométrie 2: 1 avec la structure CdI 2 .

Le tableau suivant montre les structures réelles des métaux et de leurs carbures. (NB la structure cubique centrée adoptée par le vanadium, le niobium, le tantale, le chrome, le molybdène et le tungstène n'est pas un réseau compact.) La notation "h/2" fait référence à la structure de type M 2 C décrite ci-dessus, qui n'est une description approximative des structures réelles. L'idée simple selon laquelle le réseau du métal pur "absorbe" les atomes de carbone peut être considérée comme fausse car le tassement du réseau des atomes métalliques dans les carbures est différent de celui du métal pur, bien qu'il soit techniquement correct que le carbone les atomes s'insèrent dans les interstices octaédriques d'un réseau métallique compact.

Métal Structure en métal pur
Rayon métallique (pm)
Emballage d'atome de métal MC		 Structure MC Emballage d'atomes métalliques M 2 C
 Structure M 2 C Autres carbures
titane hcp 147 ccp sel gemme
zirconium hcp 160 ccp sel gemme
hafnium hcp 159 ccp sel gemme
vanadium Cci 134 ccp sel gemme hcp h/2 V 4 C 3
niobium Cci 146 ccp sel gemme hcp h/2 Nb 4 C 3
tantale Cci 146 ccp sel gemme hcp h/2 Ta 4 C 3
chrome Cci 128 Cr 23 C 6 , Cr 3 C,
Cr 7 C 3 , Cr 3 C 2
molybdène Cci 139 hexagonal hcp h/2 Lun 3 C 2
tungstène Cci 139 hexagonal hcp h/2

Pendant longtemps, on a cru que les phases non stoechiométriques étaient désordonnées avec un remplissage aléatoire des interstices, cependant un ordre à courte et à plus longue distance a été détecté.

Le fer forme un certain nombre de carbures, Fe 3 C, Fe 7 C 3 et Fe 2 C. Le plus connu est la cémentite , Fe 3 C, qui est présente dans les aciers. Ces carbures sont plus réactifs que les carbures interstitiels ; par exemple, les carbures de Cr, Mn, Fe, Co et Ni sont tous hydrolysés par des acides dilués et parfois par de l'eau, pour donner un mélange d'hydrogène et d'hydrocarbures. Ces composés partagent des caractéristiques à la fois avec les interstitiels inertes et les carbures de type sel plus réactifs.

On pense que certains métaux, tels que le plomb et l' étain , ne forment en aucun cas des carbures. Il existe cependant un carbure mixte titane-étain, qui est un conducteur bidimensionnel.

Classification chimique des carbures

Les carbures peuvent être généralement classés par type de liaisons chimiques comme suit : (i) de type sel (ioniques), (ii) composés covalents , (iii) composés interstitiels et (iv) carbures de métaux de transition "intermédiaires" . Les exemples incluent le carbure de calcium (CaC 2 ), le carbure de silicium (SiC), le carbure de tungstène (WC ; souvent appelé, simplement, carbure en référence à l'outillage) et la cémentite (Fe 3 C), chacun utilisé dans des applications industrielles clés. La dénomination des carbures ioniques n'est pas systématique.

De type sel/solution saline/carbures ioniques

Le sel de type carbures sont composées d'éléments très électropositifs tels que les métaux alcalins , les métaux alcalino-terreux , et le groupe 3 les métaux, y compris le scandium , l' yttrium et le lanthane . L'aluminium du groupe 13 forme des carbures , mais pas le gallium , l' indium et le thallium . Ces matériaux présentent des centres carbonés isolés, souvent décrits comme « C 4− », dans les méthanides ou méthides ; unités à deux atomes, " C2−
2", dans les acétylures ; et les unités à trois atomes, " C4−
3", dans les allylures. Le composé d'intercalation du graphite KC 8 , préparé à partir de vapeur de potassium et de graphite, et les dérivés de métaux alcalins de C 60 ne sont généralement pas classés comme carbures.

Méthanides

Les méthanides sont un sous-ensemble de carbures qui se distinguent par leur tendance à se décomposer dans l'eau en produisant du méthane . Trois exemples sont le carbure d'aluminium Al
4C
3, carbure de magnésium Mg
2C et carbure de béryllium Be
2C .

Les carbures de métaux de transition ne sont pas des carbures salins mais leur réaction avec l'eau est très lente et est généralement négligée. Par exemple, en fonction de la porosité de la surface, 5 à 30 couches atomiques de carbure de titane sont hydrolysées, formant du méthane en 5 minutes dans des conditions ambiantes, après saturation de la réaction.

Notez que le méthanide dans ce contexte est un nom historique trivial. Selon les conventions de dénomination systématiques de l'IUPAC, un composé tel que NaCH 3 serait appelé « méthanide », bien que ce composé soit souvent appelé méthylsodium.

Acétylures / Etynides

Carbure de calcium

Plusieurs carbures sont supposés être des sels de l' anion acétylure C2–
2(appelé aussi percarbure, par analogie avec le peroxyde ), qui possède une triple liaison entre les deux atomes de carbone. Les métaux alcalins, les métaux alcalino-terreux et les métaux lanthanides forment acétylures, par exemple, le carbure de sodium Na 2 C 2 , le carbure de calcium CaC 2 , et LaC 2 . Les lanthanides forment également des carbures (sesquicarbures, voir ci-dessous) de formule M 2 C 3 . Les métaux du groupe 11 ont également tendance à former des acétylures, tels que l'acétylure de cuivre (I) et l' acétylure d'argent . Les carbures des éléments actinides , qui ont une stoechiométrie MC 2 et M 2 C 3 , sont également décrits comme des dérivés de type sel de C2−
2.

La longueur de la triple liaison C-C varie de 119,2 pm dans CaC 2 (semblable à l'éthyne), à ​​130,3 pm dans LaC 2 et 134 pm dans UC 2 . La liaison dans LaC 2 a été décrite en termes de La III avec l'électron supplémentaire délocalisé dans l'orbitale antiliante sur C2−
2, expliquant la conduction métallique.

Allylides

L' ion polyatomique C4−
3, parfois appelé allylide , se trouve dans Li 4 C 3 et Mg 2 C 3 . L'ion est linéaire et isoélectronique avec le CO 2 . La distance C-C dans Mg 2 C 3 est de 133,2 pm. Mg 2 C 3 donne du méthylacétylène , CH 3 CCH et du propadiène , CH 2 CCH 2 , lors de l'hydrolyse, ce qui a été la première indication qu'il contient du C4−
3.

Carbures covalents

Les carbures de silicium et de bore sont décrits comme des « carbures covalents », bien que pratiquement tous les composés de carbone présentent un certain caractère covalent. Le carbure de silicium a deux formes cristallines similaires, qui sont toutes deux liées à la structure du diamant. Le carbure de bore , B 4 C, d'autre part, a une structure inhabituelle qui comprend des unités de bore icosaédriques liées par des atomes de carbone. A cet égard, le carbure de bore est similaire aux borures riches en bore . Le carbure de silicium (également connu sous le nom de carborundum ) et le carbure de bore sont des matériaux très durs et réfractaires . Les deux matériaux sont importants industriellement. Le bore forme également d'autres carbures covalents, tels que B 25 C.

Carbures moléculaires

Le complexe [Au 6 C(P Ph 3 ) 6 ] 2+ , contenant un noyau carbone-or

Les complexes métalliques contenant du C sont connus sous le nom de complexes carbido métalliques . Les plus courants sont les amas octaédriques centrés sur le carbone, tels que [Au 6 C(PΦ 3 ) 6 ] 2+ (où Φ ou "Ph" représente un cycle carboné hexagonal : un groupe phényle ) et [Fe 6 C(CO) 6 ] 2− . Des espèces similaires sont connues pour les carbonyles métalliques et les premiers halogénures métalliques. Quelques carbures terminaux ont été isolés, tels que [CRuCl 2 {P(C 6 H 11 ) 3 } 2 ].

Les métallocarbohédrynes (ou "met-cars") sont des amas stables de formule générale M
8C
12 où M est un métal de transition (Ti, Zr, V, etc.).

Matériaux connexes

En plus des carbures, d'autres groupes de composés carbonés apparentés existent :

Voir également

Les références