Canxi cacbua

Canxi cacbua, còn gọi là calci acetylide, đất đèn hay khí đá, là một hợp chất hóa học vô cơ với công thức CaC₂. Màu sắc của đất đèn có thể từ đen đến trắng xỉn, tùy thuộc vào kích cỡ và tạp chất. Canxi cacbua chủ yếu được sử dụng để sản xuất acetylene (C₂H₂). Tại Trung Quốc, acetylene là nguyên liệu quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất, đặc biệt là để chế tạo polyvinyl chloride (PVC). Ở một số khu vực, việc sản xuất acetylene từ đất đèn còn rẻ hơn so với từ dầu mỏ. Trung Quốc tiếp tục gia tăng sản lượng canxi cacbua, với 8,94 triệu tấn sản xuất năm 2005 so với năng lực sản xuất 17 triệu tấn. Trong khi đó, ở Hoa Kỳ, châu Âu và Nhật Bản, tiêu thụ đất đèn đang giảm, với sản lượng của Hoa Kỳ năm 1990 chỉ còn 236 ngàn tấn.

Quá trình sản xuất đất đèn

Canxi cacbua được sản xuất công nghiệp trong các lò hồ quang ở nhiệt độ khoảng 2.000 ℃, với nguyên liệu là vôi sống và than cốc. Phản ứng hóa học diễn ra như sau:

CaO + 3C → CaC₂ + CO

Đất đèn được sản xuất ở nhiệt độ rất cao (2.000 ℃), điều này không dễ đạt được bằng các phương pháp gia nhiệt truyền thống như sử dụng than hoặc củi. Do đó, phản ứng cần được thực hiện trong lò hồ quang với các điện cực bằng than chì. Sản phẩm thu được chứa khoảng 80% canxi cacbua theo khối lượng, dưới dạng hạt có kích thước từ vài mm đến 50 mm. Các tạp chất chủ yếu tập trung ở các hạt nhỏ hơn. Hàm lượng CaC₂ trong sản phẩm được xác định bằng lượng acetylene sinh ra khi phản ứng với nước, ví dụ, tiêu chuẩn Anh và Đức yêu cầu sản phẩm phải tạo ra 295 lít/kg và 300 lít/kg tương ứng. Tạp chất trong đất đèn có chứa hợp chất phosphor, sẽ chuyển hóa thành phosphin (PH₃) khi phản ứng với hydro.

Phản ứng này đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất từ thời kỳ Cách mạng công nghiệp. Vào cuối thế kỷ 19, tại Mỹ, việc sản xuất canxi cacbua được thực hiện nhờ nguồn điện rẻ và dồi dào từ các nhà máy thủy điện ở thác Niagara.

Cấu trúc tinh thể

Canxi cacbua tinh khiết có dạng rắn gần như không màu. Ở nhiệt độ phòng, cấu trúc tinh thể chủ yếu là cấu trúc giống muối với hai ion cacbon (C₂) nằm song song với nhau.

Ứng dụng

Chế tạo acetylene

Phản ứng với nước được phát hiện bởi nhà hóa học người Đức Friedrich Wohler vào năm 1862:

CaC₂ + 2 H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂

Đây là phản ứng cơ bản để sản xuất acetylene trên quy mô công nghiệp và là ứng dụng chính của canxi cacbua.

Chế tạo canxi cyanamide

Canxi cacbua phản ứng với nitơ ở nhiệt độ cao để tạo ra canxi cyanamide:

CaC₂ + N₂ → CaCN₂ + C

Canxi cyanamide được dùng làm phân bón hóa học. Nó sẽ bị thủy phân thành cyanamide – H₂NCN.

Chế tạo thép

Đất đèn được ứng dụng để:

• Loại bỏ lưu huỳnh trong sắt (gang trắng, gang xám và thép)
• Được sử dụng như nhiên liệu trong sản xuất thép, giúp chuyển đổi các vụn sắt thành dạng lỏng tùy thuộc vào tính kinh tế.
• Ngăn ngừa oxy hóa trong các thiết bị môi (thìa) dùng để múc kim loại.

Đèn cacbua

Đất đèn được dùng để chiếu sáng. Đèn cacbua là thiết bị chiếu sáng sử dụng khí acetylene tạo ra khi nước được tưới lên đất đèn. Loại đèn này không được sử dụng trong các mỏ than do khí metan có nguy cơ gây nổ. Trong các mỏ than, đèn Davy được sử dụng. Tuy nhiên, đèn cacbua từng phổ biến trong các mỏ thiếc, đồng và mỏ đá, và hiện tại đã được thay thế bằng đèn điện. Đèn cacbua vẫn còn được sử dụng bởi một số nhà thám hiểm hang động và trong một số khu vực dưới lòng đất khác. Trước đây, chúng cũng được dùng làm đèn chiếu sáng cho ô tô trước khi bị đèn điện thay thế hoàn toàn.

Ứng dụng khác

Đất đèn được sử dụng để thúc đẩy quá trình chín của trái cây nhờ khí acetylene, một chất làm chín trái cây tương tự như khí ethylene.

Tại Hà Lan và Bỉ, có một phong tục truyền thống gọi là Carbidschieten. Để tạo ra tiếng nổ, đất đèn và nước được đổ vào một thùng sữa có nắp, sau đó được kích nổ bằng đuốc. Một số làng ở Hà Lan thực hiện nghi lễ này bằng cách đốt nhiều thùng cùng lúc như một phần của truyền thống cổ xưa, có nguồn gốc từ một tôn giáo đa thần với ý nghĩa xua đuổi các linh hồn.

Nó cũng được dùng để tạo ra tiếng nổ lớn cho các màn bắn pháo hiệu tượng trưng từ súng thần công.

Cùng với canxi phosphide, canxi cacbua được sử dụng trong pháo hiệu hàng hải tự cháy.

Các liên kết bên ngoài

• Sản xuất canxi cacbua
• Thông tin về canxi cacbua