إن مادة إنتاج كربيد الكالسيوم ذات الصيغة الكيميائية التالية (CaC2)، والمعروفة أيضًا باسم كربيد أو أسيتيل الكالسيوم تكون عديمة اللون عندما تكون نقية وذلك على الرغم من أن الدرجات التقنية عادة ما تكون بنية رمادية، تتحلل هذه المادة الصلبة في الماء وتشكل غاز الأسيتيلين القابل للاشتعال وهيدروكسيد الكالسيوم (Ca(OH)2)، إذ يستخدم تفاعل التحلل لإنتاج الأسيتيلين.
كيف تم اكتشاف كربيد الكالسيوم
- لقد تم اكتشاف مادة كربيد الكالسيوم، وهي عبارة عن مركب كيميائي تم استخدامه في التصنيع التجاري لغاز الأسيتيلين، عن طريق الخطأ أثناء التجارب في معالجة الألومنيوم في سبراي (الآن إيدن) في مقاطعة روكنغهام، أسس رجل الأعمال المحلي جيمس تورنر مورهيد شراكة مع الكيميائي الكندي توماس إل ويلسون وذلك من أجل عملية تطوير طريقة اقتصادية لإنتاج الألمنيوم.
- وباستخدام موارد الطاقة المائية الموجودة في الرش قامت شركة ويلسون للألمنيوم ببناء أول فرن القوس الكهربائي في الولايات المتحدة للحصول على درجات الحرارة العالية اللازمة لاختزال الألمنيوم، ولم يكن الجمع بين أكسيد الألومنيوم والكربون في الفرن ناجحًا، ولكن الشركة أنتجت تجارياً سبائك من النحاس والألمنيوم.
- في سياق التجربة لقد تم إدخال خليط من الجير وقطران الفحم مع الكالسيوم من أجل إنتاج الكالسيوم المعدني كعامل اختزال في عملية الألومنيوم، وبعد الإجراء الروتيني لإخماد النتائج في الماء للتبريد السريع لوحظ وجود كمية كبيرة من الغاز في 2 مايو 1892 ميلادي، وحدد ابن مورهيد جون موتلي مورهيد الثالث خريج الكيمياء من جامعة نورث كارولينا في تشابل هيل الجديد مادة كربيد الكالسيوم.
- نظرًا لعدم وجود معدات تحليل الغاز، أرسلوا عينة إلى تشابل هيل حيث حدد البروفيسور ف. فينابل ومساعده ويليام راند كينان الغاز على أنه الأسيتيلين، وعلى الرغم من افتقاده في البداية للاستخدام العملي للمركب الجديد أو الغاز استمر مورهيد الأكبر في الإنتاج والتجربة معتقدين أن الغاز لديه إمكانيات تجارية للطاقة وخاصة استخدام الإضاءة، وقد ضاعت أعماله المرهونة بشدة في ذعر عام 1893 ميلادي، ولم يتبق معه سوى عينات من كربيد الكالسيوم.
- في عام 1894 ميلادي، أقنع مورهيد وويلسون المستثمرين في نيويورك بتشكيل شركة الغاز الكهربائي لإنتاج كربيد الكالسيوم والأسيتيلين، وقد أدت التجارب الإضافية في الرذاذ مع السبائك إلى تطوير الفيروكروميوم والفيروسيليكون، والتي تم استخدامها في تصلب الفولاذ.
- يعتبر الاستخدام الأساسي لكربيد الكالسيوم كمصدر للأسيتيلين من أجل استخدامه في الصناعة الكيميائية، إذ أنه يتم تصنيع كربيد الكالسيوم صناعياً من أكسيد الكالسيوم (الجير) (CaO)، والكربون على شكل فحم الكوك عند حوالي 2200 درجة مئوية (4000 درجة فهرنهايت).
كربيد الكالسيوم
- يحتوي مركب كربيد الكالسيوم على الصيغة الاسمية لـ (CaC2) ووزن جزيئي مقداره 64.0992 جم لكل مول، علما أن المادة النقية تكون عديمة اللون ولكن معظم العينات تمتلك لون يتراوح من الأسود إلى الأبيض المائل للرمادي، حسب الدرجة.
- تبلغ كثافة كربيد الكاليسيوم 2.22 جم لكل سم مكعب ويذوب عند درجة حرارة مقدارها 2160 درجة مئوية مع نقطة غليان (تحت جو خامل) 2300 درجة مئوية، حيث أنه يتحلل، أما بالنسبة لاستخدامه الرئيسي صناعيًا فهو إنتاج الأسيتيلين وسياناميد الكالسيوم ذو الصيغة الكيميائية التالية (CaCN2).
- يتم إنتاج مادة كربيد الكالسيوم صناعيًا في فرن القوس الكهربائي من خليط كربيد الكالسيوم وكوك (الكربون) عند حوالي 2000 درجة مئوية، علما أنه لم تتغير هذه الطريقة منذ اختراعها عام 1888 ميلادي، وتتم كما في التفاعل التالي:
CaCO3 + 3C ⇒ CaC2 + CO + CO2
- في الواقع فإنه لا يمكن عمليًا أن يتم تحقيق درجة الحرارة العالية المطلوبة لهذا التفاعل عن طريق الاحتراق التقليدي، لذلك فإنه يتم إجراء التفاعل في فرن القوس الكهربائي، حيث تكون الأقطاب الكهربائية من الجرافيت، علما أنه يحتوي منتج الكربيد المنتج بشكل عام على حوالي 80-85٪ كربيد الكالسيوم من حيث الوزن.
- تتم عملية سحق وطحن الكربيد من أجل أن القيام بعملية إنتاج كتل صغيرة من الممكن أن تتراوح من بضعة مليمترات حتى 50 ملم، إذ أنه تتركز الشوائب في الكسور الدقيقة، ويتم قياس محتوى (CaC2) للمنتج من خلال قياس كمية الأسيتيلين المنتجة في التحلل المائي، وعلى سبيل المثال فإن معيار الولايات المتحدة لمحتوى الأجزاء الخشنة هو 295-300 لتر لكل كجم.
- تشمل الشوائب الموجودة في الكربيد الفوسفيد والذي ينتج (PH3) وهو عبارة عن غاز سام عندما يتحلل بالماء لإنتاج رابطة ثلاثية الهيدروكلوروكربون أي الأسيتيلين، وقد كان رد الفعل هذا جزءًا مهمًا من الثورة الصناعية في الكيمياء، وأصبح ممكنًا في الولايات المتحدة نتيجة لكميات هائلة من الطاقة الكهرومائية الرخيصة المتولدة في شلالات نياجرا قبل مطلع القرن العشرين، ولقد تم اكتشاف طريقة إنتاج كربيد الكالسيوم في فرن القوس الكهربائي بشكل مستقل من قبل باحثين في أوروبا في عامي 1888 ميلادي و 1892 ميلادي.
- إن الشكل البلوري الشائع في درجة حرارة الغرفة هو هيكل ملح صخري مشوه مع وحدات (C24−) متوازية، كما أن الهيكل رباعي الزوايا مع مجموعة النقاط (D4h17) ومجموعة الفضاء (I4 / mmm)، وفي الواقع هناك عدة أشكال من كربيد الكالسيوم.
- في كربيد الكالسيوم يبلغ طول الرابطة الثلاثية (Ctriple bondC) حوالي 1.092 أنغستروم (على غرار ethyne).
CaC2 + 2 H2O ⇒ HC
CH + Ca(OH)2
CH + Ca(OH)2- التفاعل السابق هو عبارة عن أساس عملية التصنيع الصناعي للأسيتيلين وهو أيضا الاستخدام الصناعي الرئيسي لكربيد الكالسيوم في الدوائر الصناعية، وفي الصين يظل الأسيتيلين المشتق من كربيد الكالسيوم مادة خام لصناعة الكيماويات ولا سيما لإنتاج البولي فينيل كلوريد.
- تعتبر مادة الأسيتيلين والمنتجة محليًا أكثر اقتصادا من استعمال مواد النفط المستورد، إذ أنه ترتفع كميات إنتاج مادة كربيد الكالسيوم في الصين، وفي عام 2005 ميلادي بلغت عمليات الإنتاج 8.94 مليون طن، وبطاقة إنتاجية 17 مليون طن، علما أن الاستهلاك في الولايات المتحدة وأوروبا واليابان آخذ في الانخفاض بشكل عام، وقد كانت مستويات الإنتاج في الولايات المتحدة في التسعينيات 236000 طن سنويًا.
- يتفاعل كربيد الكالسيوم مع النيتروجين عند درجة حرارة عالية من أجل تكوين سياناميد الكالسيوم كما في المعادلة التالية:
CaC2 + N2 ⇒ CaCN2 + C
- يستخدم سياناميد الكالسيوم كسماد، إذ يتحلل إلى سياناميد (H2N = C = N)، في التربة وهو متاح بسهولة للنباتات كغذاء نيتروجين.
استخدامات مادة كربيد الكالسيوم
تم استخدام كربيد الكالسيوم:
- في “نزع الكبريت” من الحديد (الزهر والحديد والصلب)، وكوقود في صناعة الصلب لتوسيع نسبة الخردة إلى الحديد السائل، اعتمادًا على الاقتصاد، كما ويستخدم كمزيل أكسدة قوي في الفولاذ في مرافق معالجة البرافقة.
- كما وقد تم استخدامه في مصابيح الكربيد، حيث يتقطر الماء على الكربيد ويتم إشعال الأسيتيلين المتكون، وكانت هذه المصابيح قابلة للاستخدام ولكنها خطيرة في مناجم الفحم حيث جعلها وجود غاز الميثان القابل للاشتعال خطراً جسيماً، وأدى وجود غازات قابلة للاشتعال في مناجم الفحم إلى “مصباح أمان” عامل المنجم، ومع ذلك تم استخدام مصابيح الكربيد على نطاق واسع في مناجم الألواح والنحاس والقصدير ولكن تم استبدال معظمها الآن بمصابيح كهربائية.
- لا تزال مصابيح الكربيد تُستعمل في عمليات التعدين في بعض البلدان الأقل ثراءً مثل مناجم الفضة بالقرب من بوتوسي في بوليفيا، ولا يزال البعض يستعمل مصابيح الكربيد أيضًا في أثناء عمليات استكشاف الكهوف ومناطق أخرى تحت الأرض، على الرغم من أنه يتم استبدالها بشكل متزايد في هذا الاستخدام بمصابيح (LED) الجديدة.
- كما وقد تم استخدامها على نطاق واسع كمصابيح أمامية في السيارات والدراجات النارية والدراجات في وقت مبكر، على الرغم من أنها قديمة أيضًا في هذا التطبيق، واستخدمت في إنضاج الثمار، وفي مدافع الألعاب، حيث ينفجر الأسيتيلين بواسطة شرارة مطبقة لتكوين “طفرة” عالية، وكقنابل بحرية عائمة ذاتية الاشتعال لاستخدامها كإشارات، كما ويستخدم كربيد الكالسيوم كمصدر لغاز الأسيتيلين، وهو عامل إنضاج.
