Carboneto de silício: estrutura química, propriedades e usos
Carboneto de silício é um sólido covalente formado por carbono e silício. É de grande dureza com valor de 9, 0 a 10 na escala de Mohs, e sua fórmula química é SiC, o que pode sugerir que o carbono é ligado ao silício por uma ligação tripla covalente, com carga positiva (+ ) no Si e uma carga negativa (-) no carbono (+ Si≡C-).
Na verdade, os links neste composto são totalmente diferentes. Foi descoberto em 1824 pelo químico sueco Jön Jacob Berzelius, enquanto tentava sintetizar diamantes. Em 1893, o cientista francês Henry Moissani descobriu um mineral cuja composição continha carboneto de silício.
Esta descoberta foi feita durante o exame de amostras de rochas de uma cratera de meteorito no Devil's Canyon, EUA. UU Ele nomeou esse mineral como moissanite. Por outro lado, Edward Goodrich Acheson (1894) criou um método para sintetizar o carboneto de silício, reagindo com areia ou quartzo de alta pureza com coque de petróleo.
A Goodrich nomeou carborundum (ou carborúndio) ao produto obtido e fundou uma empresa para produzir abrasivos.
Estrutura química
A imagem superior ilustra a estrutura cúbica e cristalina do carboneto de silício. Este arranjo é o mesmo que o do diamante, apesar das diferenças dos raios atômicos entre o C e o Si.
Todas as ligações são fortemente covalentes e direcionais, ao contrário dos sólidos iônicos e suas interações eletrostáticas.
O SiC forma tetraedros moleculares; isto é, todos os átomos estão ligados a outros quatro. Essas unidades tetraédricas são unidas por ligações covalentes, adotando estruturas cristalinas em camadas.
Além disso, essas camadas têm seus próprios arranjos de cristal, que são de três tipos: A, B e C.
Isso quer dizer que uma camada A é diferente de B, e a segunda é em C. Assim, o cristal de SiC consiste no empilhamento de uma sequência de camadas, ocorrendo o fenômeno conhecido como politipismo.
Por exemplo, o politipo cico (semelhante ao do diamante) consiste numa pilha de camadas ABC e, por conseguinte, tem uma estrutura cristalina 3C.
Outras pilhas dessas camadas também geram outras estruturas, entre estes poliposes romboédricos e hexagonais. De fato, as estruturas cristalinas do SiC acabam sendo um "distúrbio cristalino".
A estrutura hexagonal mais simples para o SiC, a 2H (imagem superior), é formada como resultado do empilhamento das camadas com a sequência ABABA ... Depois de cada duas camadas a sequência é repetida, e é aí que o número 2 vem .
Propriedades
Propriedades gerais
Massa molar
40, 11 g / mol
Aparência
Varia com o método de obtenção e os materiais usados. Pode ser: amarelo, verde, azul escuro ou cristais iridescentes.
Densidade
3, 16 g / cm3
Ponto de fusão
2830 ºC.
Índice de refração
2.55.
Cristais
Há polimorfismo: cristais hexagonais αSiC e cristais cúbicos βSiC.
Dureza
9 a 10 na escala de Mohs.
Resistência a agentes químicos
É resistente à ação de ácidos e álcalis fortes. Além disso, o carboneto de silício é quimicamente inerte .
Propriedades térmicas
- alta condutividade térmica.
- Suporta grandes temperaturas.
- alta condutividade térmica.
- Coeficiente de expansão térmica linear baixa, por isso suporta altas temperaturas com baixa expansão.
- Resistente ao choque térmico.
Propriedades mecânicas
- Alta resistência à compressão.
- Resistente à abrasão e corrosão.
- É um material leve de grande força e resistência.
- Mantém sua resistência elástica a altas temperaturas.
Propriedades elétricas
É um semicondutor que pode cumprir suas funções em altas temperaturas e tensões extremas, com pouca dissipação de sua potência para o campo elétrico.
Usos
Como um abrasivo
- O carboneto de silício é um semicondutor capaz de suportar altas temperaturas, alta tensão ou gradientes de campo elétrico 8 vezes mais do que o silício pode suportar. É por isso que é útil na construção de diodos, transientes, supressores e dispositivos de microondas de alta energia.
- Os diodos emissores de luz (LED) e os detectores dos primeiros rádios (1907) são fabricados com o composto. Atualmente, o carbeto de silício foi substituído na fabricação de lâmpadas LED pelo nitreto de gálio que emite uma luz 10 a 100 vezes mais brilhante.
- Nos sistemas elétricos, o carbeto de silício é utilizado como pára-raios nos sistemas de energia elétrica, pois eles podem regular sua resistência regulando a tensão através dele.
Sob a forma de cerâmica estruturada
- Em um processo conhecido como sinterização, as partículas de carboneto de silício - assim como as dos companheiros - são aquecidas a uma temperatura inferior à temperatura de fusão desta mistura. Assim, a força e força do objeto cerâmico aumenta, através da formação de fortes ligações entre as partículas.
- As cerâmicas estruturais do carboneto de silício têm uma ampla gama de usos. Eles são usados em freios a disco e nas embreagens de veículos a motor, em filtros de partículas presentes no diesel e como um aditivo em óleos para reduzir o atrito.
- As utilizações das cerâmicas estruturais de carboneto de silício tornaram-se comuns nas partes expostas a altas temperaturas. Por exemplo, este é o caso da garganta dos injetores de foguete e dos rolos dos fornos.
- A combinação de alta condutividade térmica, dureza e estabilidade a altas temperaturas faz com que os componentes dos tubos trocadores de calor com carboneto de silício.
- Cerâmicas estruturais são usadas em injetores de jateamento, selos automotivos de bombas de água, rolamentos e matrizes de extrusão. Também constitui o material dos cadinhos, usado no derretimento de metais.
- Faz parte dos elementos de aquecimento utilizados na fusão de vidro e metais não ferrosos, bem como no tratamento térmico de metais.
Outros usos
- Pode ser usado na medição de temperatura de gás. Em uma técnica conhecida como pirometria, um filamento de carboneto de silício é aquecido e emite radiação que se correlaciona com a temperatura na faixa de 800-2500 ºK.
- É usado em usinas nucleares para evitar vazamento de material produzido por fissão.
- Na produção de aço é usado como combustível.
