Calciumcarbid

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Kristallstruktur
Kristallstruktur von Calciumcarbid
__ Ca2+      __ C
Allgemeines
Name Calciumcarbid
Andere Namen
  • Kalziumkarbid
  • Calciumacetylid
Verhältnisformel CaC2
CAS-Nummer 75-20-7
Kurzbeschreibung

farblose Kristalle[1]

Eigenschaften
Molare Masse 64,10 g·mol−1
Aggregatzustand

fest

Dichte

2,22 g·cm−3[2]

Schmelzpunkt

2160 °C[2]

Siedepunkt

2300 °C[2]

Löslichkeit

Calciumcarbid ist in keinem Lösungsmittel unzersetzt löslich[1]

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) [3]
02 – Leicht-/Hochentzündlich

Gefahr

H- und P-Sätze H: 260
P: 223​‐​231+232​‐​370+378​‐​422 [4]
EU-Gefahrstoffkennzeichnung [5] aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) [3]
Leichtentzündlich
Leicht-
entzündlich
(F)
R- und S-Sätze R: 15
S: (2)​‐​8​‐​43
MAK

0,14 mg·m−3[2]

Thermodynamische Eigenschaften
ΔHf0

−59,8 kJ/mol[6]

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.
Vorlage:Infobox Chemikalie/Summenformelsuche vorhanden

Calciumcarbid, auch Calciumacetylid, ist das Calcium-Salz des Ethins und damit ein Acetylid. In reinem Zustand ist es ein weißer Feststoff.

Geschichte[Bearbeiten]

Calciumcarbid wurde erstmals 1836 von Edmund Davy sowie 1862 von Friedrich Wöhler dargestellt und 1862 von Marcellin Berthelot ausführlich beschrieben. Die labormäßige Calciumcarbid-Herstellung im elektrischen Ofen erfolgte 1892 durch Thomas Willson in Amerika und durch Henri Moissan in Paris. Die industrielle Calciumcarbid-Gewinnung begann 1895 in der Aluminiumindustrie AG in Neuhausen in der Schweiz; sie wurde im Jahre 1898 gleichzeitig in Norwegen und in Deutschland (Aluminium Industrie Aktiengesellschaft im badischen Rheinfelden) aufgenommen. In den USA begann die Produktion um dieselbe Zeit in den Vorgängerorganisationen von Union Carbide, an die Willson sein Patent 1895 verkaufte und in Kanada durch von Willson gegründete Firmen. Die Jahresproduktion fiel von 10 Millionen Tonnen in den 1960er-Jahren auf 2 Millionen Tonnen 2010.[7]

Herstellung[Bearbeiten]

Technisch wird Calciumcarbid in Schmelz-Reduktionsöfen (einer Sonderform des Lichtbogenofens) bei 2000 bis 2300 °C aus Calciumoxid (Branntkalk) und Koks gewonnen. Durch den hohen Strombedarf dieser Öfen ist die Herstellung sehr kostenintensiv. Der Betrieb ist daher nur dort rentabel, wo sowohl die Rohstoffe als auch elektrischer Strom günstig zu beziehen ist, wie beispielsweise aus Wasserkraftwerken in wasserreichen Regionen.

\mathrm{CaO + 3 \ C \longrightarrow CaC_2 + CO}

Die dabei entstehenden braunen Brocken enthalten zu 80 bis 85 Prozent Calciumcarbid, der Rest besteht aus Verunreinigungen wie Calciumoxid, Calciumphosphid, Calciumsulfid, Calciumnitrid oder Siliciumcarbid.

Durch ein 2010 entwickeltes Verfahren will man künftig einen Teil der eingesetzten Kohlen und Kokse durch den Sekundärrohstoff KBK (Kunststoffbasierter Kohlenstoffträger), also durch Kunststoffabfälle ersetzen.[8]

Reineres Calciumcarbid kann durch Umkehrung der Bildungsreaktion von Calciumcyanid oder durch Erhitzung eines Gemisches von Calciumcyanid und Kohlenstoff im Hochvakuum gewonnen werden.[9]

\mathrm{Ca(CN)_2 + C \longrightarrow CaC_2 + N_2}
\mathrm{2 \ Ca(CN)_2 \longrightarrow CaC_2 + 2 \ N_2 + Ca}

Auch die Darstellung aus den Elementen ist bei 1250 °C möglich.[9]

\mathrm{Ca + 2 \ C \longrightarrow CaC_2}

Eigenschaften[Bearbeiten]

Physikalische Eigenschaften[Bearbeiten]

In reinem Zustand ist Calciumcarbid eine farblose, kristalline Masse. Es existieren zwei Modifikationen, die tetragonale und eine kubisch flächenzentrierte Modifikation vom Pyrit-Typ, welche sich durch Erhitzen über 440 °C bildet.[9]

Das Calciumcarbid des Handels ist durch beigemengte Kohlebestandteile grau bis grauschwarz oder durch Eisenoxid-Verunreinigungen braun gefärbt; daneben enthält es durch die Herstellung bedingt noch etwas Calciumoxid, Calciumphosphid, Calciumsulfid, Ferrosilicium, Magnesiumnitrid und Siliciumcarbid, so dass es durchschnittlich nur auf einen CaC2-Gehalt von 82 % kommt.

Chemische Eigenschaften[Bearbeiten]

Calciumcarbid gehört in der Gruppe der Carbide zu den Acetyliden, da es formal vom Ethin abgeleitet ist. Calciumcarbid ist in keinem Lösungsmittel (unverändert) löslich. Tritt es mit Wasser in Kontakt, so zersetzt es sich in einer lebhaften Reaktion (Hydrolyse) zu Ethin und Calciumhydroxid.

\mathrm{CaC_{2\ (s)} + 2 \ H_2O_{(l)} \longrightarrow C_2H_{2\ (g)} + Ca(OH)_{2\ (s)}}

Der unangenehme „Carbid“-Geruch wird bei dieser Reaktion nicht von dem gebildeten Gas Ethin verursacht, sondern ist auf Gase wie Monophosphan, Ammoniak und Schwefelwasserstoff zurückzuführen, die bei der Reaktion der Verunreinigungen mit Wasser entstehen. So entsteht Monophosphan durch die Hydrolyse von im Calciumcarbid enthaltenem Calciumphosphid Ca3P2:

\mathrm{Ca_3P_2 + 6 \ H_2O \longrightarrow 3 \ Ca(OH)_2 + 2 \ PH_3}

Bei Temperaturen oberhalb von 905 °C reagiert es mit Stickstoff unter Bildung von Calciumcyanamid, die Druckhydrierung liefert Calciumhydrid; seine reduzierenden Eigenschaften werden ebenfalls technisch genutzt.

Verwendung und Populäre Anwendungen[Bearbeiten]

Im allgemeinen Sprachgebrauch wird Karbid meist gleichgesetzt mit Calciumcarbid. Dieses reagiert mit Wasser zu Acetylen, was für verschiedene Anwendungen genutzt werden kann.[10]

  • Früher wurde Calciumcarbid in Karbidlampen mit Wasser versetzt, mit dem es zu brennbarem Ethin reagierte; das Ethin wurde angezündet und verbrannte mit heller Flamme. Dieses Verfahren wurde insbesondere in den Grubenlampen im Bergbau untertage verwendet. Die Karbidlampen werden noch heute von Speläologen bevorzugt verwendet, weil sie ein besonders schönes Licht geben.
  • Herstellung von Kalkstickstoff
  • Synthese von Ethin, Betrieb von Karbidentwicklern (heute nicht mehr von Bedeutung)
  • Zum Entschwefeln von Roheisen in der Stahlindustrie
  • Ab ca. 1900 bis weit in die 1930er-Jahre hinein wurden speziell für diesen Zweck produzierte Karbidlampen auch als Fahrradbeleuchtung eingesetzt. Diese Karbid-Fahrradlampen leuchteten weit heller als entsprechende Öl- oder Kerzenlampen.
  • Zur Bestimmung der Restfeuchte von Boden- oder Betonproben wird die Synthese von Ethin genutzt. Hierbei wird die Probe zusammen mit einer Ampulle Calciumcarbid und vier Stahlkugeln in eine genormte Stahlflasche gefüllt und mit einem Manometerkopf verschlossen. Die Flasche wird geschüttelt, wodurch die Probe weiter zerkleinert wird und die Calciumcarbidampulle zerbricht. Der durch die Reaktion von Calciumcarbid und Feuchtigkeit entstehende Gasdruck kann am Manometerkopf abgelesen und in den Feuchtegehalt umgerechnet werden. Dieses Verfahren wird als Carbid-Methode (CM) bezeichnet.
  • Calciumcarbid wird auch zur Bekämpfung von Wühlmäusen und Maulwürfen eingesetzt. Das in Gegenwart der Bodenfeuchte aus den Calciumphosphid-Verunreinigungen entstehende Monophosphan soll diese Tiere durch den unangenehmen Geruch vertreiben.

Carbidschießen[Bearbeiten]

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. 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.

Carbidfischen[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b Calciumcarbid. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 10. November 2014.
  2. a b c d Datenblatt Calciumcarbid (PDF) bei Carl Roth, abgerufen am 14. Dezember 2010.
  3. a b Eintrag aus der CLP-Verordnung zu CAS-Nr. 75-20-7 in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA (JavaScript erforderlich).
  4. Eintrag zu CAS-Nr. 75-20-7 in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 15. März 2011 (JavaScript erforderlich).
  5. Seit dem 1. Dezember 2012 ist für Stoffe ausschließlich die GHS-Gefahrstoffkennzeichnung zulässig. Bis zum 1. Juni 2015 dürfen noch die R-Sätze dieses Stoffes für die Einstufung von Gemischen herangezogen werden, anschließend ist die EU-Gefahrstoffkennzeichnung von rein historischem Interesse.
  6. David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet Version: 2010), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, Standard Thermodynamic Properties of Chemical Substances, S. 5-20.
  7.  M. Binnewies et alii: Allgemeine und Anorganische Chemie. 2. Auflage. Spektrum, 2010, ISBN 3827425336, S. 383.
  8. Carbid mit Kunststoffabfällen produzieren, BINE Informationsdienst - Projektinfo 08/2011.
  9. a b c  Georg Brauer: Handbuch der Präparativen Anorganischen Chemie. Band II. 1978, ISBN 3-432-87813-3, S. 932.
  10. Siegfried Hauptmann: Organische Chemie, 2. Auflage, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1985, S. 263, ISBN 3-342-00280-8.