碳化钙

碳化钙（Calcium Carbide）又称为“电石”，是无机化合物，高纯度的碳化钙是无色透明的晶体。工业品是灰色、黄褐色或黑色，有大蒜气味。分子式CaC₂，密度2.22g/cm³，熔点2300℃，能吸收空气中的水分，具有导电性，导电能力随着纯度的提高而增强。碳化钙遇水分解成乙炔和氢氧化钙，能与氮气反应生成氰氨化钙。在高温下，与氧气反应生成碳酸钙，与氮气反应生成氰[qíng]氨化钙。常温下能与氯水、液溴反应。也可与铅、锡、锌、铁等金属的氧化物反应得到钙的合金。工业碳化钙主要由焦炭与生石灰或石灰石在电炉内共热而制得。是制取乙炔的重要原料。碳化钙脱硫率高、反应快，冶金工业中用作铁水脱硫剂，农业中则利用碳化钙释放的乙炔调节植物生长，提高肥料利用率。

碳化钙在1862年首次被制得。当时的人们通过将锌、钙和碳合金加热制得了碳化钙。30年后的1892年，A.穆阿萨恩（Myacсaн）发明了一种以氧化钙和煤为原料，在电炉中制取碳化钙的新方法。随后，在1893年，第一个以生石灰和煤为原料制取碳化钙的专利权诞生。再经过两年的发展，1895年，开始建造第一个碳化钙工厂，工厂制造碳化钙的方法是采用碳素原料（如焦炭、无烟煤等）和石灰，在高温下经过电炉中的反应制取。在碳化钙工业刚刚开始发展的几年里，碳化钙主要被用于制造照明用途的乙炔。但是随着时间的推移，碳化钙逐渐被扩展应用到新的领域，例如制造氰氨化钙、金属的切割和焊接，以及制取各种有机化合物。工业领域中，碳化钙是制造各种化合物的原料和生产乙炔的主要来源。在农业中，碳化钙被用作水果催熟剂和植物调节剂，直接使用于催熟芒果、菠萝等水果，或者经过加工处理后使用到土壤中促进植物生长。

纯碳化钙是一种晶体，在室温下呈正方畸变岩盐点阵，高温下畸变消失变成面心立方晶体。它由C₂²⁻离子和Ca²⁺离子组成。在室温下，C₂²⁻离子与晶格的c轴平行排列，使得晶格在c轴方向稍有膨胀并产生畸变；而加热时则会使得立方畸变晶格的C₂²⁻离子变得能自由旋转而消除这种畸变，形成对称的面心立方品格。碳化钙的结合属于离子键性质，C₂²⁻离子拥有10个价电子，C₂分子有一个椭圆的公用电子层，围绕两个碳原子旋转

碳化钙晶体结构

碳化钙在极纯的情况下是近乎无色透明的晶体，不溶于所有已知的溶剂，比重在18℃时为2.22。高度纯净的碳化钙结晶呈现为天蓝色大晶体。工业级粗品碳化钙通常含有CaO、S、P、Fe₂O₃、Al₂O₃等杂质，根据碳化钙纯度的不同，颜色可变为灰色、棕黄色或黑色。结晶断面呈灰色，当碳化钙中的CaC₂含量较高时，断面会变成紫色。如果断面暴露在空气中，就会失去光泽，变成灰白色。纯碳化钙的熔点为2300℃。工业碳化钙的熔点随碳化钙含量的变化而变化。原材料中的杂质会影响碳化钙的质量。在工业生产中，当用水分解碳化钙时，逸出的乙炔量会根据其中CaC₂含量的百分比而不同。含有过多石灰的碳化钙比含有过多碳的碳化钙更硬、更容易熔化，分解也更慢。工业用碳化钙的导电性决定于其中CaC₂的含量，在一定限度内，含量越高导电性越强。

干燥的氧在高温下能氧化碳化钙而生成碳酸钙CaCO₃。反应如下：

碳化钙在800℃以上与氧反应时，有下列反应发生：

氮在加热时与碳化钙反应而生成氰氮化钙。反应如下：

当碳化钙滴加至强的新鲜制得的氯水中，即有气体生成，反应如下：

液溴与碳化钙在常温反应时即有溴化钙和六溴乙烷形成。反应如下：

碳化钙与乙醇在封闭管中加热至180℃，即有醇化钙和乙炔生产，反应如下：

在高温下碳化钙与碱金属的氟化物互相作用而生成碱金属的碳化物。反应以氟化钠为例：

碳化钙能还原铅、锡、锌、铁、锰、镍[niè]、钴、铬、钼[mù]及钒的氧化物、而得到的主要是钙的合金。氧化铝Al₂0₃可被碳化钙还原成金属铝。但长时间加热时会生成碳化铝。反应以氧化铁为例：

在碳化钙对重金属盐类的水溶液作用时，就生成金属的碳化物;例如:

碳化钙最重要的用途就是利用它被水分解时所生成的乙炔。碳化钙不仅能被液态或汽态的水所分解，而且也被物理地或化学地結合水所分解。碳化钙被水分解的反应式如下:

当水过剩时，反应依上式进行。如果用滴加方式加入水来分解碳化钙，也就是碳化钙过剩时，除上述的反应外还发生如下的反应:

硫化氢与碳化钙反应，能产生乙炔：

制得的乙炔有一部分和硫化氧相互作用而生成硫醇。

电热法是工业上最先开发且应用最广的电石制备工艺，技术比较成熟。其原理为石灰石和焦炭在电弧产生的2000℃高温移动床反应器内发生反应，生成熔融态的电石（CaC₂）从炉底排出，副产物CO从炉体上部排出。主要发生的化学反应：

工业上应用最广的电石生产方法是电热法，但是电热法存在高能耗、高污染、高投入、低产出等缺点。

氧热法制备电石以原煤、含钙原料（CaCO₃/Ca(OH)₂/电石渣）、富氧气体为原料，在电石炉内进行煤的热解反应和电石制备反应。钙基原料在电石炉顶部以电石炉尾气余热为热源分解为生石灰和二氧化碳，分解产生的生石灰与焦炭充分混合后进入电石炉的反应区，富氧气体从电石炉中部喷入与部分焦炭发生反应，生成大量CO和少部分CO₂并放出大量的热量，这部分热能将生石灰与过量的焦炭预热到500～1500℃之间。随着焦炭进一步完全燃烧放热与热量累积，炉内温度达到电石的生成温度2000℃，反应开始进行，生成的熔融态电石从电石炉下部流出。主要发生的化学反应：煤与焦炭燃烧：

生石灰和二氧化碳分解：

电石生成：

氧热法具有能耗低、物耗低、能效高、污染少的特点，成为替代电热法生产电石的新选择。

化工工业中，碳化钙用于制取工业原料乙炔和制造化学产品的原料，碳化钙与水反应可制取乙炔，而乙炔是制造合成橡膠、三氯乙烯、醋酸、人造树脂、碳黑、丙酮、乙醛和其他化合物的原料，反应能力很强，它能很方便地转化成许多化学品。乙炔也是电气焊工业中进行金属的焊接与切割的主要气体，工业中的乙炔发生器有三种主主要的类型，区别在于碳化钙与水作用的方式不同：碳化钙倒入水中的设备；碳化钙浸入水中的设备；水加到碳化钙上的设备。在1000—1200°C时，氮气与粉末状碳化钙作用而生成氰氨化钙，氰氨化钙作为中间产品可以制造氰化合物、双氰胺、硫脲与其他产品。

碳化钙为原料的化工合成

碳化钙是一种在20世纪70年代后就广泛应用的脱硫剂。它的脱硫率高达90%，且反应速度快，因此成为了工业生产中常用的脱硫剂之一。但是，碳化钙容易潮解和劣化，同时也会形成易爆性气氛，因此在贮运过程中需要密封保护。电石用于脱硫已有较长的时间，它比石灰脱硫能力强，而且消耗的量仅为石灰的一半左右，对减少脱硫渣量和铁损有利，因此在铁水脱硫过程中仍然广泛应用。

碳化钙能够释放出乙炔，而乙炔与水果自身产生的天然催化物质乙烯具有相似的结构，因此可以用碳化钙直接处理果蔬以模拟乙烯的催熟过程，可以控制和调节作物生长发育的各个阶段，刺激作物某些器官生长和果实生殖发育，促进根系生长，增大其接触土壤面积，从而吸收更多的营养。土壤中施用的氮肥经过硝化作用，会由NH₄-N转化为NO3-N，随后经过硝酸盐浸出或者由反硝化作用转化为N2O或N2，这些转化会造成氮的大部分流失，而碳化钙释放的乙炔能够抑制硝化过程中氨氧化酶的活性，从而抑制硝化和反硝化作用，减少氮的流失，将氮较长时间地维持在NH4-N形式，有效提高氮肥利用率。

碳化钙不可燃，但与水潮湿空气接触生成易燃气体。有着火和爆炸危险。工作接触应使用无火花手工具。使用防止粉尘爆炸型电气设备和照明。防止粉尘沉积。着火时应使用专用粉末、干砂灭火。禁止用其他灭火剂，禁止与水直接接触。储存于阴凉、干燥、通风良好的库房。远离火种、热源。相对湿度保持在75%以下。包装必须密封，切勿受潮。与酸类、醇类等分开存放，切忌混储。储区应备有合适的材料收容泄漏物。

碳化钙与潮湿空气或汗水反应生成氢氧化钙，所以有明显的刺激作用，对眼睛尤其危险。干燥的碳化钙与皮肤接触也可引起皮炎，与潮润的皮肤或粘膜接触导致溃疡和瘀斑。碳化钙工业常见有一种独特的黑皮病，伴有色素增多和毛细血管扩张现象。由热的碳化钙引起的烧伤是工业生产中最常见的事故。一般来说组织损伤深度达1～5毫米；烧伤进展缓慢，且很难治疗，常常需要切除。受伤后只有在受损皮肤完全结痂后才能继续工作。

发现中毒后应立即转移到空气新鲜处；除去所有沾污衣物，用水清洗皮肤或淋浴；不慎吸入后，应半直立体位；眼睛接触之后，以大量清水冲洗（如可能易行，取下隐形眼镜）；保持呼吸道畅通，如有误食立即漱口，不可催吐，以防将呕吐物倒吸入肺部。进行以上处理后，立即送医。