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化学では、炭化物とは通常、炭素と金属からなる化合物を指します。冶金学では、炭化または浸炭とは、金属片に炭化物コーティングを生成するプロセスです。[ 1 ]
第4、第5、第6族遷移金属の炭化物（クロムを除く）は、しばしば侵入型化合物として記述される。[ 2 ]これらの炭化物は金属的性質を持ち、耐火性がある。結晶欠陥によって生じる様々な炭化物の非化学量論的混合物であるため、化学量論の範囲を示すものもある。チタン炭化物やタングステン炭化物など、工業的に重要なものもあり、切削工具の金属コーティングに使用されている。[ 3 ]
長らく信じられてきた見解は、金属原子の半径が約 135 pmより大きい場合、炭素原子は密に詰まった金属格子の八面体間隙に収まるというものである。 [ 2 ]
次の表[ 2 ] [ 3 ]は、金属とその炭化物の構造を示しています。（注：バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステンが採用する体心立方構造は、最密充填格子ではありません。）表記「h/2」は、上記のM 2 C型構造を指し、これは実際の構造の近似的な記述にすぎません。純粋な金属の格子が炭素原子を「吸収」するという単純な見方は、炭化物中の金属原子格子の充填が純粋な金属の充填とは異なるため、正しくないことがわかります。ただし、炭素原子が最密充填金属格子の八面体間隙に収まるというのは技術的には正しいです。
長い間、非化学量論的相は、隙間がランダムに埋められた無秩序な状態であると考えられていましたが、短距離および長距離の秩序が検出されました。[ 5 ]
鉄は、 Fe 3 C、Fe 7 C 3 、 Fe 2 Cなど、多くの炭化物を形成します。最もよく知られているのは、鋼中に存在するセメンタイトFe 3 C です。これらの炭化物は、侵入型炭化物よりも反応性が高く、例えば、Cr、Mn、Fe、Co、Ni の炭化物はすべて希酸によって加水分解され、場合によっては水によっても加水分解されて、水素と炭化水素の混合物を生成します。これらの化合物は、不活性な侵入型炭化物と、より反応性の高い塩のような炭化物の両方の特徴を共有しています。[ 2 ]
鉛やスズなどの一部の金属は、いかなる状況下でも炭化物を形成しないと考えられている。[ 6 ]しかし、二次元導体であるチタン-スズ混合炭化物が存在する。[ 7 ]
炭化物は、化学結合の種類によって一般的に以下のように分類できます。
例としては、炭化カルシウム（CaC 2）、炭化ケイ素（SiC）、炭化タングステン（WC、工作機械の工具を指す場合は単に炭化物と呼ばれることが多い）、セメンタイト（Fe 3 C） [ 2 ]があり、それぞれ主要な工業用途で使用されています。イオン性炭化物の命名は体系的ではありません。
塩のような炭化物は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ランタニド、アクチニド、および第3族金属（スカンジウム、イットリウム、ルテチウム）などの電気陽性度の高い元素で構成されています。第13族のアルミニウムは炭化物を形成しますが、ガリウム、インジウム、およびタリウムは形成しません。これらの物質は、メタニドまたはメチドではしばしば「C 4− 」と表現される孤立した炭素中心、アセチリドでは「 C 2− 2」という2原子単位、アリリドでは「 C 4− 3 」という3原子単位を特徴としています。[ 2 ] より大きな陰イオンも存在する可能性があります。
カリウムとグラファイトの蒸気から調製されるグラファイト層間化合物KC 8とC 60のアルカリ金属誘導体は、通常炭化物として分類されない。[ 8 ]
メタニドは、水中で分解してメタンを生成する傾向がある炭化物のサブセットです。例として、炭化アルミニウムAl 4 C 3、炭化マグネシウムMg 2 C [ 9 ]、炭化ベリリウムBe 2 Cの 3 つが挙げられます。
遷移金属炭化物は塩分を含んでいません。水との反応は非常に遅く、通常は無視されます。例えば、表面の多孔性にもよりますが、チタン炭化物の5～30原子層が加水分解され、常温常圧下で5分以内にメタンが生成され、その後反応が飽和します。[ 10 ]
なお、この文脈におけるメタニドは、歴史的な通称です。IUPACの体系的な命名規則によれば、NaCH 3のような化合物は「メタニド」と呼ばれますが、この化合物はしばしばメチルナトリウムと呼ばれます。[ 11 ] CH − 3アニオンの詳細については、メチル基§ メチルアニオンを参照してください。
いくつかの炭化物は、2 つの炭素原子間に三重結合を持つアセチリド陰イオンC 2− 2 (過酸化物との類推から過炭化物とも呼ばれる)の塩であると考えられている。アルカリ金属、アルカリ土類金属、ランタノイド金属は、例えば炭化ナトリウムNa 2 C 2、炭化カルシウムCaC 2、LaC 2などのアセチリドを形成する。[ 2 ]ランタノイドも、式 M 2 C 3の炭化物 (セスキ炭化物、下記参照) を形成する。11 族の金属も、銅(I) アセチリドや銀アセチリドなどのアセチリドを形成する傾向がある。化学量論 MC 2および M 2 C 3を持つアクチノイド元素の炭化物も、 C 2− 2の塩のような誘導体として記述される。
C–C三重結合長は、 CaC 2 (エチンに類似) の 119.2 pmから、 LaC 2の 130.3 pm 、 UC 2の134 pmまで変化する。LaC 2の結合は、余分な電子がC 2− 2上の反結合性軌道に非局在化しているLa IIIの観点から説明されており、金属伝導性を説明する。[ 2 ]
多原子イオンC 4− 3は、アリル化物とも呼ばれ、 Li 4 C 3およびMg 2 C 3に見られます。このイオンは直線状で、CO 2と等電子です。[ 2 ] Mg 2 C 3の C–C 距離は 133.2 pm です。[ 12 ]
Mg₂C₃の加水分解によりメチルアセチレン（CH₃CCH ）とプロパジエン（ CH₂CCH₂ ）が生成し、これがこの塩にC₄ − ₃が含まれていることを示す最初の証拠となった。一方、Li₄C₃はプロピンと4当量のブチルリチウムをヘキサン中で反応させることで生成される。[ 13 ]： 6156
格子エネルギーが高いため、Mg₂C₃はLi₄C₃よりもはるかに安定している。例えば、臭素と爆発的に反応するのは後者のみである。[ 13 ]： 6159
炭化水素のパーリチウム化類似体はほとんど知られていない。 ブチルリチウムは末端およびプロパルギル位の両方のアルキン水素を置換する。したがって、プロピン、ペンタジイン、およびジアセチレンはすべてパーリチウム化されている。[ 14 ]
シリコンとホウ素の炭化物は「共有結合炭化物」と呼ばれますが、炭素の化合物はほぼすべて何らかの共有結合性を示します。炭化ケイ素には、ダイヤモンド構造に関連する 2 つの類似した結晶形があります。[ 2 ] 一方、炭化ホウ素B4Cは、炭素原子で連結された正二十面体ホウ素ユニットを含む珍しい構造を持っています。この点で、炭化ホウ素はホウ素を多く含むホウ化物に似ています。炭化ケイ素（カーボランダムとも呼ばれる）と炭化ホウ素はどちらも非常に硬く、耐火性があります。どちらの材料も工業的に重要です。ホウ素は、 B25Cなどの他の共有結合炭化物も形成します。
C を含む金属錯体は、金属カルビド錯体として知られています。最も一般的なのは、[ Au 6 C(P Ph 3 ) 6 ] 2+ (ここで「Ph」はフェニル基を表す) や[ Fe 6 C(CO) 6 ] 2−のような炭素中心の八面体クラスターです。同様の種は、金属カルボニルや初期の金属ハロゲン化物、およびリチウムクラスター Li 6 Cにも知られています。 [ 14 ]
[ CRuCl 2 (P(C 6 H 11 ) 3 ) 2 ]のような末端炭化物がいくつか単離されている。
メタロカルボヘドリン（または「メットカー」）は、一般式M 8 C 12で表される安定なクラスターであり、M は遷移金属（Ti、Zr、V など）です。
炭化物に加えて、関連する炭素化合物の他のグループも存在します。[ 2 ]