Carbide
Carbide sind eine Stoffgruppe binärer chemische Verbindungen aus einem Elements E und Kohlenstoff C mit der allgemeinen Formel ExCy.
Allgemeines
Hergestellt werden Carbide in der Regel aus elementarem Kohlenstoff, der bei hohen Temperaturen mit dem entsprechenden Element, Elementoxid oder Elementcarbonat in einer Festkörperreaktion umgesetzt wird. Die Herstellung von Calciumcarbid aus Koks C und Calciumcarbonat CaCO3 beispielsweise erfolgt bei 2000 °C im Drehrohrofen.
Je nach der Elektronegativitätsdifferenz zwischen dem betreffenden Element und Kohlenstoff entstehen Carbide eines der drei folgenden Typen.
Ionische Carbide
Ionische Carbide haben starken Salzcharakter und werden typischerweise von den stark elektropositiven Elementen der Alkali-, Erdalkali- und Erdelemente gebildet. Sie enthalten Kohlenstoff als den elektronegativeren Bestandteil.
Typische Beispiele sind Lithiumcarbid Li4C, Berylliumcarbid Be2C, Magnesiumcarbid Mg2C3, Calciumcarbid CaC2 oder Aluminiumcarbid Al4C3. Sie enthalten in ihrem Ionengitter das jeweilige Metallkation sowie das Carbidion, das sich formal von verschiedenen Kohlenwasserstoffen ableitet. Dies führt zu einer weiteren Differenzierung der ionischen Carbide in:
- Methanide, z. B. Li4C, Be2C und Al4C3, enthalten C4-, abgeleitet von Methan CH4
- Acetylide, z. B. CaC2, enthält C22-, abgeleitet von Ethin (Acetylen) C2H2 und
- Allenide, z. B. Mg2C3, enthält C34-, abgeleitet von Allen C3H4.
Ionische Carbide reagieren mit Wasser unter Bildung des entsprechenden Metallhydroxids und des Kohlenwasserstoffs, der durch vielfache Protonierung durch des Anions mit Wasser entsteht.
Der bekannteste Vertreter ist das in der Karbidlampe verwendete Calciumcarbid (CaC2), oft einfach Karbid genannt, das in Anwesenheit von Wasser Ethin freisetzt:
Die graue Farbe des eigentlich weißen Calciumcarbids resultiert aus Verunreinigungen durch elementaren Kohlenstoff aus dem Herstellungsprozess (siehe oben). Der typische Geruch des Calciumcarbids ist dem Monophosphan PH3 zuzuschreiben, das in analoger Weise zum Acetylen durch Hydrolyse aus Calciumphosphid gebildet wird. Calciumphospid entsteht im Herstellungsprozess, wenn das eingesetzte Calciumcarbonat Spuren von Calciumphosphat als Verunreinigung enthält.
Die Hydrolyse von Calciumcarbid war bis in die 1930er Jahre die einzige Methode zur technischen Herstellung von Ethin. Calciumcarbid war dadurch ein wichtiger Ausgangsstoff für die Entwicklung der Acetylen-Chemie (vgl. Reppe-Chemie). Mit dem Aufkommen der petrochemischen Industrie hat diese Ethinquelle jedoch stark an Bedeutung verloren.
Kovalente Carbide
Kovalente Carbide werden zwischen Kohlenstoff und Elementen mit annähernd gleicher Elektronegativität gebildet. Die beiden wichtigsten Beispiele sind SiC (Siliciumcarbid, „Carborundum®“) und B4C (Borcarbid). Sie besitzen kovalente Bindungen zwischen Kohlenstoff und dem jeweiligen Element. Die sehr starken kovalenten Bindungen, verbunden mit einer Kristallstruktur, die der anderer harter Stoffen sehr ähnelt (SiC besitzt Diamantstruktur) führt zu einer hohen mechanischen Stabilität. Demgemäß finden diese Carbide in der Regel als Hartstoffe (Beschichtungen, Schleifwerkzeuge) und zur Verstärkung von Kunststoffen Verwendung. Siliciumcarbid ist auch als Trägermaterial für Katalysatoren in der chemischen Industrie von Interesse, da es eine hohe Wärmeleitfähigkeit und praktisch keinen Abrieb besitzt.
Metallartige Carbide
Diese Carbide werden von den Elementen der 4.–7. Nebengruppe gebildet, typische Beispiele sind Titan und Wolfram. Sie besitzen in der Regel keine exakt definierte Stöchiometrie. Vielmehr sind die Kohlenstoffatome in die Tetraederlücken der Metallgitter eingelagert und bilden Einlagerungsverbindungen oder interstitielle Verbindungen. Diese Substanzen zeichnen sich durch eine hohe mechanische und thermische Stabilität und hohe Schmelzpunkte (3000 bis 4000 °C) aus und dienen als Hartstoffe und Keramiken im chemischen Apparate- und Anlagenbau sowie als Schneide- und Schleifwerkzeuge.
Die Kugel eines Kugelschreibers besteht beispielsweise aus Wolframcarbid.
Carbidschießen
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. Durch das hohe Gefahrenpotenzial ist das Carbidschießen in Deutschland verboten und in den Niederlanden nur an 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. Legt man einige Calciumcarbidstücke in eine Milchkanne und beträufelt man es mit ein bisschen Wasser, so entsteht in dem mit einem Deckel oder Fußball abgedichteten Volumen ein explosives Gasgemisch. 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.
Carbidfischen
Das gleiche Prinzip machten sich in der Hungerzeit nach dem Zeiten Weltkrieg einige Personen zunutze, um trotz Verbots der Besatzungsmächte durch Explosion einer Carbiddose in Fischgewässern rasch viele Fische zu töten und abzuräumen. Karbid war wegen der Verwendung zur Acetylenherstellung fürs Schweißen und wegen der Verwendung in Karbid-Fahrradlampen damals leicht verfügbar.