I carburi sono classificati sulla base delle loro proprietà e si distinguono in carburi covalenti o molecolari, carburi ionici o salini, carburi interstiziali.
Sebbene il carbonio sia praticamente inerte a temperatura ambiente, ad alte temperature reagisce con elementi meno elettronegativi per formare i carburi.
Sintesi
Quando il carbonio reagisce con un elemento avente dimensioni ed elettronegatività simili si forma un carburo covalente come ad esempio il carburo di silicio che si ottiene dalla reazione tra biossido di silicio e carbonio a 2300 K:
SiO2(s) + 3 C(s) → SiC(s) + 2 CO(g)
Nel 1891 il chimico statunitense Edward Acheson che fondò la Carborundum Company per la sua commercializzazione ottenne il carburo di silicio. Fu inizialmente usato nei parafulmini e successivamente, stante la sua durezza come materiale abrasivo
Attualmente trova largo utilizzo come materiale semiconduttore intrinseco, nella produzione di armi e nei giubbotti antiproiettile. Il carburo di silicio ha proprietà simili a quelle del diamante sia per quanto riguarda la sua inerzia chimica che per la sua durezza e l’elevato punti di fusione.
L’altro tipico carburo covalente è quello di boro che mostra proprietà simili a quello di silicio che è sintetizzato a partire da B2O3 secondo la reazione:
2 B2O3(s) + 7 C(s) → B4C(s) + 4 CO(g)
Per le sue proprietà è utilizzato nella corazza dei carrarmati oltre che in protezioni balistiche. Il carburo di boro è in grado di assorbire i neutroni e perciò è utilizzato nelle centrali nucleari ed in particolare nel rivestimento del reattore, nelle barre di controllo e nel contenimento dei pellet di combustibile nucleare. Un altro carburo di boro BC3 che ha una struttura simile a quella della grafite viene ottenuto dalla reazione tra benzene e tricloruro di boro secondo la reazione:
C6H6 +2 BCl3 → 2 BC3 + 6 HCl
Carburi ionici
I carburi costituiti da carbonio e un elemento del I Gruppo, del II Gruppo e del III Gruppo della Tavola periodica sono detti carburi ionici come ad esempio il carburo di calcio che viene ottenuto dall’ossido di calcio secondo la reazione:
CaO(s) + 3 C(s) → CaC2(s) + CO(g)
Il carburo di calcio trova applicazione nella sintesi dell’acetilene:
CaC2 + 2 H2O → HC≡CH + Ca(OH)2
della calciocianammide nonché nell’industria dell’acciai.
Quello di berillio BeC2, che ha trovato applicazioni nel campo dei materiali compositi, può essere preparato a partire dall’ossido di berillio e carbonio oltre che dagli elementi ad una temperatura di oltre 900 °C.
Il carburo di alluminio Al4C3, usato come abrasivo e negli utensili da taglio, può essere preparato oltre che dai suoi elementi, per reazione dell’ossido di alluminio con carbonio:
2 Al2O3 + 9 C → Al4C3 + 6 CO
Carburi interstiziali
I carburi interstiziali sono costituiti prevalentemente da metalli di transizione che agiscono come un reticolo che ospita i piccoli atomi di carbonio. Sono caratterizzati da elevata durezza ma al contempo sono fragili, hanno elevati punti di fusione e conservano molte delle proprietà del metallo come lucentezza ed elevata conduttività termica ed elettrica. Contrariamente ai carburi ionici che reagiscono con l’acqua quelli interstiziali sono chimicamente inerti.
Molti metalli di transizione hanno un raggio sufficientemente grande da formare carburi interstiziali. Il raggio atomico minimo che devono avere tali metalli è di circa 1.35 Å.
I metalli di transizione formano carburi interstiziali a diverse stechiometrie come ad esempio il manganese che forma almeno 5 tipi di carburi.
Il carburo di tungsteno WC che è usato in utensili da taglio e in materiali compositi può essere ottenuto. dai suoi elementi. Inoltre è ottenuto dalla reazione tra esacloruro di tungsteno, idrogeno e metano secondo la reazione:
WCl6 + H2 + CH4 → WC + 6 HCl
Quello di tantalio TaC è estremamente duro e presenta duttilità oltre che conducibilità termica e elettrica. Il carburo di tantalio e il carburo misto di tantalio e niobio sono utilizzati per migliorare le prestazioni di utensili da taglio e nell’ambito dell’industria automobilistica e aerospaziale.
Il carburo di ferro Fe3C noto come cementite è un importante componente dell’acciaio e preserva i materiali ferrosi dalla ruggine.