Καρβίδιο του λιθίου

Το καρβίδιο του λιθίου (αγγλικά: lithium carbide) είναι δυαδική χημική ένωση του λιθίου και του άνθρακα, με χημικό τύπο Li₂C₂. Πιο συγκεκριμένα είναι ένα ακετυλενίδιο. Είναι μια ενδιάμεση ένωση που παράγεται κατά τη διάρκεια της ραδιοχρονολόγησης με άνθρακα. Το καρβίδιο του λιθίου ανήκει σε ένα (σχετικά) εκτεταμένο σύνολο ενώσεων άνθρακα και λιθίου, που συμπεριλαμβάνουν τα ακόλουθα καρβίδια:

1. Ανθρακούχο τετραλίθιο (Li₄C).
2. Διανθρακούχο εξαλίθιο (Li₆C₂).
3. Τριανθρακούχο οκταλίθιο (Li₈C₃).
4. Τριανθρακούχο εξαλίθιο (Li₆C₃).
5. Τριανθρακούχο τετραλίθιο (Li₄C₃).
6. Πεντανθρακούχο τετραλίθιο (Li₄C₅).

Υπάρχουν επίσης και οι ακόλουθες «ενώσεις παρεμβολής» σε γραφίτη:

1. Γραφιτιούχο λίθιο (LiC₆).
2. Διγραφιτιούχο λίθιο (LiC₁₂).
3. Τριγραφιτιούχο λίθιο (LiC₁₈).

Το καρβίδιο του λιθίου είναι η πιο θερμοδυναμικά σταθερή δυαδική ένωση άνθρακα - λιθίου εμπλουτισμένη σε λίθιο και είναι η μόνη από αυτές που μπορεί να ληφθεί με απευθείας αντίδραση των στοιχείων που την αποτελούν. Για πρώτη φορά παράχθηκε από τον Μοϊσσέν, το 1896, με αντίδραση άνθρακα και ανθρακικού λιθίου:

$\mathrm{4}\mathrm{C}\mathrm{+}\mathrm{L}{\mathrm{i}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\stackrel{\mathrm{△}}{\to }\mathrm{L}{\mathrm{i}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{C}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{3}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{\uparrow }$

Οι άλλες γνωστές ενώσεις δυαδικές άνθρακα - λιθίου παράγονται με αντίδραση μεταλλικού λίθίου και του αντίστοιχου πολυχλωριωμένου υδρογονάνθρακα. Π.χ., το ανθρακούχο τετραλίθιο (Li₄C) παράγεται με μεταλλικού επίδραση λιθίου σε τετραχλωράνθρακα (CCl₄):

$\mathrm{8}\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{+}\mathrm{C}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{4}}\stackrel{}{\to }\mathrm{L}{\mathrm{i}}_{\mathrm{4}}\mathrm{C}\mathrm{+}\mathrm{4}\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{C}\mathrm{l}$

Μερικές φορές, ιδιαίτερα σε αγγλόφωνα συγγράμματα, γίνεται σύγχυση μεταξύ του καρβιδίου του λιθίου (lithium carbide, Li₂C₂) και του ανθρακικού λιθίου (lithium carbonate, Li₂CO₃), εξαιτίας της σχετικής ομοιότητας των ονομάτων.

Δομή

Το καρβίδιο του λιθίου είναι ένα άλας που μπορεί να τυποποιηθεί με τη μορφή Li⁺⁻C≡C⁻Li⁺. Σε υψηλές θερμοκρασίες, το καρβίδιο του λιθίου μετατρέπεται αντιστρεπτά σε κυβική δομή αντιφθοριδίου.

Το καρβίδιο του λιθίου είναι μια ένωση φάσης Ζίντι (Zintl phase) και υπάρχει ως ένα άλας 2Li⁺C₂^2-. Η (υψηλή) χημική του δραστικότητα, σε συνδυασμό με τη δυσκολία ανάπτυξης κατάλληλων απλών κρυστάλλων, έχει καταστήσει δυσχερή τον καθορισμό της κρυσταλλικής δομής του. Υιοθετεί μια κρυσταλλική δομή διεστραμμένου αντιφθορίτη, παρόμοια με αυτήν του υπεροξείδιου του ρουβιδίου (Rb₂O₂) και του υπεροξείδιου του καισίου (Cs₂O₂). Κάθε κατιόν λιθίου περικυκλώνεται από έξι (6) άτομα άνθρακα τεσσάρων (4) διαφορετικών διανιόντων ακετυλενιδίου (C₂^2-), με τα δυο να διατάσονται κάθετα και τα άλλα δυο οριζόντια. Η παρατηρούμενη διατομική απόσταση των ατόμων άνθρακα (C-C) ανέρχεται σε 120 pm, δείχνοντας την παρουσία τριπλού δεσμού (C ≡ C). Σε υψηλές θερμοκρασίες η κρυσταλλική δομή μεταμορφώνεται αντιστρεπτά σε μια κυβική δομή αντιφθορίτη.

Παραγωγή

Στο εργαστήριο, δείγματα καρβιδίου του λιθίου μπορούν να παραχθούν επιδρώντας αιθίνιο σε διάλυμα μεταλλικού λιθίου σε αμμωνία (NH₃) στους -40°C, που οδηγεί αρχικά στην παραγωγή του συμπλόκου Li₂C₂ • C₂H₂ • 2NH₃. Το τελευταίο, διασπάται στη θερμοκρασία δωματίου (20 °C), εκλύοντας ένα ρεύμα διυδρογόνου (H₂) και δίνοντας καρβίδιο του λιθίου σε μορφή λευκής σκόνης. Η αναλυτική απόδοση των σχετικών στοιχειομετρικών εξισώσεων είναι η ακόλουθη:

$\mathrm{2}\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\underset{-H_2\uparrow }{\overset{-40^{o}C}{\to }}\mathrm{2}\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\stackrel{+2C_2{H}_2}{\to }{\mathrm{C}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\cdot }\mathrm{L}{\mathrm{i}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{C}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\cdot }\mathrm{2}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\stackrel{20^{o}C}{\to }{\mathrm{C}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{L}{\mathrm{i}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{C}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}$

Τα δείγματα που παράγονται με αυτόν τον τρόπο γενικά είναι φτωχικά κρυσταλλωμένα.

Μια ακόμη δυνατότητα παραγωγής καρβιδίου του λιθίου είναι η επίδραση λιθίου σε διχλωραιθίνιο:

$\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{C}\mathrm{\equiv }\mathrm{C}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{L}\mathrm{i}\stackrel{}{\to }\mathrm{L}{\mathrm{i}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{C}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{C}\mathrm{l}$

Κρυσταλλικά δείγματα καρβιδίου του λιθίου μπορούν να παραχθούν με αντίδραση ανάμεσα σε τήγμα μεταλλικού λιθίου και γραφίτη σε θερμοκρασίες άνω των 1000 °C:

$\mathrm{2}\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{C}\stackrel{>1000^{o}C}{\to }\mathrm{L}{\mathrm{i}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{C}}_{\mathrm{2}}$

Μια άλλη μέθοδο παραγωγής καρβιδίου του λιθίου αποτελεί η επίδραση διοξειδίου του άνθρακα (CO₂) σε τήγμα λιθίου:

$\mathrm{1}\mathrm{0}\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\stackrel{\mathrm{△}}{\to }\mathrm{L}{\mathrm{i}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{C}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{4}\mathrm{L}{\mathrm{i}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Ακόμη μία μέθοδο παραγωγής καρβιδίου του λιθίου αποτελεί η θέρμανση μεταλλικού λιθίου σε ατμόσφαιρα αιθενίου ή αιθινίου:

$\mathrm{6}\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{=}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\stackrel{\mathrm{△}}{\to }\mathrm{L}{\mathrm{i}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{C}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{4}\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{H}$

ή

$\mathrm{4}\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{+}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{\equiv }\mathrm{C}\mathrm{H}\stackrel{\mathrm{△}}{\to }\mathrm{L}{\mathrm{i}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{C}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{H}$

Επίσης, το υδρίδιο του λιθίου (LiH) αντιδρά με γραφίτη στους 400 °C, σχηματίζοντας καρβίδιο του λιθίου:

$\mathrm{2}\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{H}\mathrm{+}\mathrm{4}\mathrm{C}\stackrel{400^{o}C}{\to }\mathrm{L}{\mathrm{i}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{C}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{C}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}$

Τέλος, καρβίδιο του λιθίου μπορεί να σχηματιστεί με επίδραση βουτυλολιθίου (BuLi) σε αιθίνιο, με τη χρήση THF ή |Et₂O| ως διαλύτη:

$\mathrm{2}\mathrm{B}\mathrm{u}\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{+}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{\equiv }\mathrm{C}\mathrm{H}\stackrel{THF\acute{\eta }|E{t}_{2}O|}{\to }\mathrm{L}{\mathrm{i}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{C}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\downarrow }\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{B}\mathrm{u}\mathrm{H}$

Η αντίδραση αυτή είναι γρήγορη και πολύ εξώθερμη.

Xημική συμπεριφορά

Η κυριότερη χημική ιδιότητα του καρβιδίου του λιθίου είναι η ταχύτατη υδρόλυσή του, από την οποία συμπαράγονται αιθίνιο και υδροξείδιο του λιθίου (LiOH):

$\mathrm{L}{\mathrm{i}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{C}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\stackrel{}{\to }\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{\equiv }\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{O}\mathrm{H}$

Εφαρμογή στη ραδιοχρονολόγηση με άνθρακα

Κύριο άρθρο: Ραδιοχρονολόγηση

Υπάρχουν αρκετές μεθοδοι που μπορούν να εφαρμοστούν, σύμφωνα με κάποιες από τις οποίες το δείγμα καίγεται, παράγοντας διοξείδιο του άνθρακα, που αντιδρά με λίθιο. Σύμφωνα με κάποιες άλλες, το ανθρακούχο δείγμα αντιδρά απευθείας με μεταλλικό λίθιο. Το αποτέλεσμα και των δυο παραπάνω μεθόδων είναι το ίδιο: η παραγωγή καρβιδίου του λιθίου, από το οποίο μπορούν να ληφθούν ενώσεις που είναι εύκολο να μετρηθούν κατά μάζα, όπως το αιθίνιο ή και το βενζόλιο. Παρουσία αζώτου, μπορεί να συμπαραχθεί αζίδιο του λιθίου (Li₃N), που με τη σειρά του παράγει αμμωνία (NH₃), όταν υδρολυθεί, «μολύνοντας» το επίσης αέριο αιθίνιο. Αυτή η πηγή συστηματικού σφάλματος πρέπει να συνυπολογισθεί, ώστε το αποτέλεσμα να διορθωθεί κατάλληλα.