Kalciumkarbid & acetylengas

    KALCIUMKARBID

    Karbid är den allmänna benämningen på en förening mellan kol och ett annat grundämne med lägre eller lika förmåga att attrahera en elektron, och beroende på vilket ämne som används uppnås olika egenskaper.
Volframkarbid t.ex., är en hårdmetall som används till skärverktyg, medan kiselkarbid oftast användas till slipmedel, mer känt som karborundum.

    Karbiden vi använder till våra lampor har den fullständiga benämningen kalciumkarbid, och formeln CaC2.
Den skapas genom att 56 delar osläckt kalk smälts samman med 36 delar kol vid en temperatur av 2000-3000ºC, och utgörs av en hård, kristallinisk svartgrå sten som är helt olöslig i lösningsmedel, men sönderdelas till bl.a. acetylengas under inverkan av vatten. Det kan även bildas några andra ämnen vid reaktionen, och om man luktar på en karbidsten så kan man känna en karaktäristisk doft som kommer från ett ämne som heter fosfin, och som finns i den lilla mängd gas som redan den naturliga luftfuktigheten orsakar.
    Kolet som använts till kalciumkarbidframställning har oftast varit i formen av koks, men både antracit och träkol fungerar.
Reaktionen är:

    CaO + 3C → CaC2 + CO

Alltså kalciumoxid (bränd, osläckt kalk) blandas med kol i en eller annan form, och ger kalciumkarbid (CaC2) samt restprodukten kolmonoxid (CO)

    Den som upptäckte kalciumkarbid var tysken Friedrich Wöhler. Detta skedde mer eller mindre av en slump år 1862 under andra experiment, och upptäckten gavs inget större intresse. 
    Långt senare, år 1892, kom två personer helt oberoende av varandra på en metod att framställa kalciumkarbid storskaligt med hjälp av högeffektiva ljusbågsugnar. Kanadensaren Thomas Leopold Willson anses vara först, och hans patent för framställningsprocessen av kalciumkarbid är daterad 9 augusti 1892. I stort sett samtidigt kom den franske kemisten Henri Moissan på en likartad process. Moissan erhöll f.ö. Nobelpriset i kemi dels för isolerandet av grundämnet fluor, men även för sin ljusbågsugn samt "Studiet av karbiderna!"

    Förutom till att bilda acetylen, så har kalciumkarbiden även haft en stor användning som jordförbättringsmedel genom att under inverkan av kvävgas omvandlas till kalkkväve (Kalciumcyanamid-CaCN2)
    Numera används karbiden främst inom stålindustrin som avsvavlingsmedel för råjärn.

    ACETYLENGAS (ETYN)

    Det som vi egentligen är intresserade av är förstås acetylengasen som bildas när vatten kommer i kontakt med kalciumkarbid.
Acetylengas, eller etyn som är dess korrekta namn, upptäcktes av engelsmannen Edmund Davy 1836, fast han använde sig inte av kalciumkarbid. Som nämnts ovan upptäcktes ju detta ämne först 1862. Man kan således framställa acetylengas med lite olika metoder, men här redovisas givetvis bara den som involverar kalciumkarbid.
    Detta sker genom att kalciumkarbid och vatten omvandlas till acetylengas och kalciumhydrat (samma som kalciumhydroxid eller släckt kalk.)
Allt enligt reaktionsformeln: 

    CaC2 + H2O → C2H2 + Ca(OH)2

    Rent teoretiskt kan 1 kg. kalciumkarbid utveckla 340 liter acetylengas, men i realiteten varierar det mellan 220 och 320 liter beroende på stenens renhet. Dagens gaskarbid ska kunna bilda minst 300 liter gas per kg. karbid för att godkännas enligt internationella normer. 
    Acetylen är en färglös gas med en lite underlig doft som en del tycker påminner svagt av lök, eller rentav vitlök.
Gasen är mycket lättantändlig, och ger en explosiv gasblandning med luften inom ett osedvanligt stort spann; 2-82% (ibland satt till 3-82%)
Dessutom har den olägenheten att den kan explodera utan luftinblandning om den komprimeras till endast 2 atm.
    Ytterligare en olägenhet är att acetylen bildar explosiva föreningar med koppar eller silver, där acetylenkoppar är den mest troliga. Detta är föreningar som exploderar både av slag eller antändning, och är förstås orsaken till förbudet mot att använda koppar i någon del av lampan som är i kontakt med gasen. Kopparhalten i vnlig mässing är emellertid för låg för att anses som riskabel.
Varför man inte förbjöd silver vid lamptillverkningen kan man förstås fråga sig...

    När acetylengas förbränns i luft bildas även små mängder av andra ämnen, såsom fosforväte, arsinväte, svavelväte och organiska sulfider. Fosforvätet (PH3), eller som det även kallas; fosfin, är mycket giftigt, men känns lyckligtvis igen på sin skarpa, säregna doft, vilket framkallar stort obehag innan nivåerna börjar bli farliga. Doften beskrivs ibland som vitlök, och ibland som skämd fisk...

    Acetylengasens första användning var helt och hållet inom belysningsområdet. Främst som rena belysningsanläggningar för fast ljus med ledningar dragna till en enda sinnrikt karbidmatad gasgeneratorer. Även gruvlamporna kom relativt tidigt.
    Skärning samt svetsning med acetylen och syrgas uppfanns emellertid först 1901, men har sedan mer och mer kommit att bli acetylenets huvudsakliga användningsområde förutom som en viktig baskemikalie inom den kemiska industrin.
  
För att fritt utströmmande acetylengas ska kunna brinna bra i fria luften erfordras ett tryck på minst 50 mm. vattenpelare. Vid lägre tryck kommer lågan att sota. Detsamma gäller faktiskt även vid för högt tryck, c:a 200mm. vattenpelare, och däröver. 
Gastrycket i en karbidlampa motsvaras av vattenhöjden i behållaren. Tillverkarna har försökt att hålla sig inom 60-100 mm. vilket ger ett övertryck på 0,06-0,10 kg./cm² (vid nypåfylld lampa).
Om gastrycket i karbidbehållaren ökar till ett högre värde än vattenpelarens höjd, så kommer gasen att tränga upp via droppventilen till vattenbehållaren, vid droppsystemet, vilket får till följd att vattentillförseln upphör, och således även gasbildningen. Trycket sjunker då, och vattnet tillåts att börja droppa igen.
Det är alltså ett inom rimliga gränser självreglerande system. Överskottsgasen tränger sedan vidare ut ur vattenbehållaren via de så kallade säkerhetshålen som var krav på varje lampa som använder antingen droppsystemet eller sug- och trycksystemet. 
Säkerhetshålen fick maximalt ha en diameter på 0,8 mm. eftersom denna storlek genom proven som utfördes vid framtagandet av tillverkningsföreskrifterna sattes som den största vid vilken en yttre låga inte kunde leta sig in i behållaren och där orsaka en explosion.
Hålen får naturligtvis inte vara igensatta, eftersom det då finns risk för att gasen uppnår ett övertryck på 2 atm. där det kan explodera utan luftinblandning.