Carburo

En química , un carburo suele describir un compuesto formado por carbono y un metal. En metalurgia , la carburación es el proceso para producir recubrimientos de carburo en una pieza metálica. ^{[ 1 ]}

Los carburos de los metales de transición de los grupos 4, 5 y 6 (con la excepción del cromo) se describen a menudo como compuestos intersticiales . ^{[ 2 ]} Estos carburos poseen propiedades metálicas y son refractarios . Algunos presentan una variedad de estequiometrías , siendo una mezcla no estequiométrica de diversos carburos que surge debido a defectos cristalinos . Algunos de ellos, como el carburo de titanio y el carburo de tungsteno , son importantes industrialmente y se utilizan para recubrir metales en herramientas de corte. ^{[ 3 ]}

La opinión predominante es que los átomos de carbono encajan en los intersticios octaédricos de una red metálica compacta cuando el radio del átomo metálico es mayor que aproximadamente 135  pm: ^{[ 2 ]}

• Cuando los átomos metálicos están empaquetados de forma cúbica compacta (ccp), entonces al llenar todos los intersticios octaédricos con carbono se logra una estequiometría 1:1 con la estructura de sal de roca . ^{[ 4 ]}
• Cuando los átomos metálicos están empaquetados hexagonalmente de forma compacta (hcp), como los intersticios octaédricos se encuentran directamente opuestos entre sí a cada lado de la capa de átomos metálicos, llenar solo uno de estos con carbono logra una estequiometría 2:1 con la estructura de _CdI₂ . ^{[ 4 ]}

La siguiente tabla ^{[ 2 ] [ 3 ]} muestra las estructuras de los metales y sus carburos. (Nota: 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 solo una descripción aproximada de las estructuras reales. La visión simple de que la red del metal puro "absorbe" átomos de carbono puede verse como 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 los átomos de carbono se ajusten a los intersticios octaédricos de una red metálica 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: Fe₃C , Fe₇C₃ y _Fe₂C . El más conocido es _la cementita , Fe₃C , 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, dando lugar a una mezcla de hidrógeno e hidrocarburos. Estos compuestos comparten características tanto con los intersticiales inertes como con los carburos más reactivos, similares a las sales _. ^{[ 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 se pueden clasificar generalmente según el tipo de enlaces químicos de la siguiente manera:

1. similar a la sal (iónico),
2. compuestos covalentes ,
3. compuestos intersticiales y
4. carburos de metales de transición "intermedios" .

Algunos ejemplos son el carburo de calcio (CaC₂ ₎ , el carburo de silicio (SiC), el carburo de tungsteno (WC; a menudo llamado simplemente carburo cuando se refiere a herramientas de maquinaria) y la cementita (Fe₃C ₎ , ^{[ 2 ]} cada uno utilizado en aplicaciones industriales clave. La nomenclatura de los carburos iónicos no es sistemática.

Carburos salinos/iónicos

Los carburos de tipo sal están compuestos de elementos altamente electropositivos como los metales alcalinos , los metales alcalinotérreos , los lantánidos , los actínidos y los 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 los metanuros o meturos; unidades de dos átomos, " C 2− 2 ", en los acetiluros ; y unidades de tres átomos, " C 4− 3 ", en los aliluros. ^{[ 2 ]} También son posibles algunos aniones más grandes.

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 ]}

metanidos

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 generalmente se ignora. Por ejemplo, dependiendo de la porosidad superficial, entre 5 y 30 capas atómicas de carburo de titanio se hidrolizan, formando metano en 5 minutos a temperatura ambiente, seguido de la saturación de la reacción. ^{[ 10 ]}

Cabe señalar que, en este contexto, el término metanuro es un nombre histórico trivial. Según las convenciones de nomenclatura sistemática de la IUPAC, un compuesto como el NaCH₃ _se denominaría «metanuro», aunque a menudo se le llama metilsodio. ^{[ 11 ]} Véase el grupo metilo §  Anión metilo para obtener más información sobre el anión CH₃⁻ .

Acetiluros/etínidos

Se supone que varios carburos son sales del anión acetiluro C 2− 2 (también llamado percarburo, por analogía con el peróxido ), que tiene un triple enlace entre los dos átomos de carbono. Los metales alcalinos, los metales alcalinotérreos y los metales lantánidos forman acetiluros, por ejemplo, el carburo de sodio Na ₂ C ₂ , el carburo de calcio CaC ₂ y LaC ₂ . ^{[ 2 ]} Los lantánidos también forman carburos (sesquicarburos, véase más adelante) 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 de tipo sal de C 2− 2 .

_{La longitud del} triple enlace C–C varía desde 119,2  pm en CaC₂ ₍ similar al etino), hasta 130,3  pm en LaC₂ y 134  pm en UC₂ . El enlace en LaC₂ se ha descrito en términos de La ^III _con el electrón adicional deslocalizado en el orbital antienlazante en C²⁻² , lo _{que explica} la conducción metálica. ^{[ 2 ]}

Alilidos

El ion poliatómico C 4− 3 , a veces llamado aliluro , se encuentra en Li ₄ C ₃ y Mg ₂ C ₃ . El ion es lineal e isoelectrónico con CO ₂ . ^{[ 2 ]} La distancia C–C en Mg ₂ C ₃ es de 133,2 pm. ^{[ 12 ]} 

La hidrólisis de Mg₂C₃ produce metilacetileno, CH₃CCH₃, y propadieno _, CH₂CCH₂ , lo que constituyó la primera indicación de que la sal contiene _C₄ − 3 . _{Por el contrario} , Li₄C₃ se obtiene a partir de la reacción ^de propino y _{4 equivalentes} de butillitio en hexanos . [ ^{13 ] : 6156}

Debido a su mayor energía reticular , el Mg₂C₃ es mucho _más estable que el _Li₄C₃ ^. Por ejemplo, solo este último reacciona explosivamente con el bromo _. ^{[ 13} _] ^{: 6159}

"Litiocarbonos"

Se conocen pocos análogos perlitizados de hidrocarburos. El butillitio reemplaza los hidrógenos del alquino tanto en la posición terminal como en la propargílica . Así, el propino , el pentadiino y el diacetileno se han perlitizado. ^{[ 14 ]}

Carburos moleculares

Los complejos metálicos que contienen C se conocen como complejos de carbido metálico . Los más comunes son los clústeres 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, así como para el clúster de litio Li ₆ C. ^{[ 14 ]}

Se han aislado algunos carburos terminales, como [ CRuCl ₂ (P(C ₆ H ₁₁ ) ₃ ) ₂ ] .

Los metalocarboedrinos (o "met-cars") son cúmulos 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 ]}

• compuestos de intercalación de grafito
• fullerenos de metales alcalinos
• fullerenos endoédricos , donde el átomo de metal está encapsulado dentro de una molécula de fullereno.
• metalacarboedrenos (met-cars) que son compuestos en clúster que contienen unidades C _{2 .}
• Carbono nanoporoso sintonizable , donde la cloración gaseosa de carburos metálicos elimina las moléculas de metal para formar un material de carbono altamente poroso y casi puro, capaz de almacenar energía de alta densidad.
• complejos de carbeno de metales de transición .
• carburos de metales de transición bidimensionales: MXenes

• carburos Kappa