Cacbon là gì? Tính chất hóa học và ứng dụng của Cacbon?

1. Cacbon là gì?

Cacbon là một nguyên tố hóa học có ký hiệu hóa học là “C” và số nguyên tử 6 trong bảng tuần hoàn. Nó là một nguyên tố phi kim, có màu đen hoặc màu xám, và là thành phần chính của hợp chất hữu cơ. Cacbon có vai trò quan trọng trong các hợp chất hóa học tự nhiên và tổng hợp như hydrocacbon, đường và protein.

Cacbon là nguyên tố cơ bản trong ngành hóa học và khoa học vật liệu. Nó có khả năng tạo ra rất nhiều hợp chất khác nhau thông qua việc tạo các liên kết hóa học với các nguyên tố khác, bao gồm cả nguyên tố khác và chính nó để tạo thành các cấu trúc phức tạp.

2. Một số tính chất đặc trưng của Cacbon:

2.1. Một số đặc điểm của cacbon: 

– Cacbon có 4 electron để tạo thành liên kết cộng hóa trị.

– Nó có một số đồng vị và các dạng tồn tại khác như kim cương và than chì với các đặc tính đặc biệt.

– Cacbon là phi kim hóa trị bốn.

– Nguyên tố hóa học này có khả năng liên kết với nhiều nguyên tố.

– Khối lượng nguyên tử: Khối lượng nguyên tử của nó là 12,011 g/mol.

– Độ âm điện: Theo Pauling, độ âm điện của cacbon là 2,5.

– Điểm sôi:  Điểm sôi của nó là 4827 đọC.

– Điểm nóng chảy:  Điểm nóng chảy của nó là 3652 độ C.

– Mật độ: Mật độ của nó là 2,2 g/cm^3 ở 20 độ C.

– Đồng vị:  Nó có ba đồng vị: C-12, C-13, C-14

2.2. Các dạng hình thù cơ bản của cacbon:

– Kim cương

+ Cấu trúc: Kim cương có cấu trúc tinh thể tetrahedral, trong đó mỗi nguyên tử cacbon được liên kết với bốn nguyên tử cacbon khác trong một hình học giống như hình lập phương.

+ Tính chất: Kim cương là chất rắn cực kỳ cứng, có khả năng lớn để phản ánh ánh sáng và làm kim cương trở thành một nguyên liệu quý giá cho trang sức và công nghệ cắt mài.

– Graphit:

+ Cấu trúc: Graphit có cấu trúc tạo thành các lớp phẳng của các nguyên tử cacbon, mỗi nguyên tử liên kết với ba nguyên tử cacbon khác theo hình dạng hình lục giác.

+ Tính chất: Graphit có tính chất dẫn điện tốt, mềm mại và có thể bôi trơn. Đây là dạng phổ biến của cacbon trong việc tạo bút chì và các ứng dụng khác.

– Than:

+ Cấu trúc: Than là một dạng không tinh thể của cacbon, có cấu trúc phức tạp chứa các hợp chất cacbon và các nguyên tố khác.

+ Tính chất: Than được sử dụng rộng rãi như một nguồn năng lượng sinh khối và nguyên liệu nhiên liệu.

– Nanotừng (Carbon Nanotubes):

+ Cấu trúc: Nanotừng là một dạng cacbon có cấu trúc ống, với các lớp cacbon xen kẽ hình thành ống nhỏ với đường kính chỉ vài nanomet.

+ Tính chất: Nanotừng có tính chất điện tử và cơ học độc đáo, và chúng có ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực điện tử, vật liệu và y học.

Ngoài ra, còn nhiều dạng hình thù khác của cacbon được nghiên cứu và tìm hiểu, và sự tương tác giữa các nguyên tử cacbon tạo ra sự đa dạng trong tính chất của các hình thù này.

3. Tính chất lý hóa của Cacbon:

Các tính chất của cacbon như sau:

3.1. Tính chất vật lý của Cacbon:

Dựa vào những thông tin về các dạng hình thù của cacbon ở trên hẳn các bạn phần nào đã có thể hình dung được các tính chất của nguyên tố này. Tính chất vật lý cacbon phụ thuộc vào hình thù của nó. Ví dụ như kim cương không có khả năng dẫn điện nhưng than chì – hình thù khác của cacbon lại có khả năng dẫn điện tốt.

– Kim cương:

Dạng rắn cực kỳ cứng và có độ cứng cao nhất trong các vật liệu tự nhiên.

Có mật độ cao và nhiệt độ nóng chảy cực cao (xấp xỉ 3,500 độ Celsius).

Là một chất cách điện tốt, không dẫn điện.

– Graphit:

Có cấu trúc lớp phẳng, mỗi lớp có các nguyên tử cacbon nằm trong các mặt phẳng hình lục giác.

Tương đối mềm mại và dẻo.

Có khả năng dẫn điện tốt, do sự tồn tại của các electron tự do trong các lớp.

Có mật độ thấp hơn so với kim cương.

– Than cốc:

Là một dạng không tinh thể của cacbon, thường chứa các hợp chất cacbon và các nguyên tố khác.

Có khả năng cháy và được sử dụng như một nguồn nhiên liệu.

Có các tính chất khác nhau tùy thuộc vào loại than cốc, từ than đá đến than cốc chì.

– Carbon Nanotubes (Nanotừng):

Có cấu trúc dạng ống, với đường kính chỉ vài nanomet.

Có khả năng dẫn điện tốt và có tính chất cơ học độc đáo.

Có thể có các tính chất bán dẫn hoặc bán dẫn như kim loại tùy thuộc vào cấu trúc và quy mô.

Ngoài các dạng allotrope cơ bản này, cacbon cũng có khả năng tạo thành các hợp chất với các nguyên tố khác, tạo nên sự đa dạng về tính chất vật lý của các hợp chất này. Tính chất vật lý của cacbon đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như vật liệu, công nghệ thông tin, và ngành y học.

3.2. Tính chất hóa học của Cacbon:

Đúng là cacbon có mặt trong hầu hết mọi hợp chất, nhưng phản ứng hóa học rất yếu so với các nguyên tố khác. Việc so sánh đã được thực hiện trong điều kiện bình thường. Nếu chúng ta xem xét ở áp suất và nhiệt độ tiêu chuẩn, cacbon có khả năng chống lại quá trình oxy hóa. Do đó, nó sẽ không phản ứng với axit sunfuric, clo, axit clohydric và các kim loại kiềm khác. 

Tuy nhiên, khi tăng nhiệt độ, cacbon sẽ phản ứng với oxy và kim loại để tạo thành carbon dioxide và cacbua kim loại tương ứng. 

Các hợp chất cacbon thường cho thấy các phản ứng sau:

– Phản ứng đốt cháy:

Như chúng ta đã biết rằng carbon ở mọi dạng đều cần oxy, nhiệt và ánh sáng và tạo thành carbon dioxide. Khi nó bị đốt cháy trong không khí để tạo ra carbon dioxide, nó được gọi là sự đốt cháy.

C + O2 —> CO2

– Tác dụng với oxit kim loại: Để chứng minh tính chất hóa học này của cacbon, ta thực hiện thí nghiệm trộn một ít bột đồng (II) oxit và bột than rồi cho vào đáy ống nghiệm khô và tiến hành đốt nóng.

Quan sát thấy hiện tượng thấy màu đen của hỗn hợp trong ống nghiệm chuyển dần sang màu đỏ, nước vôi trong vẩn đục. Như vậy, chúng ta có thể kết luận rằng, cacbon có thể khử CuO màu đen thành kim loại đồng màu đỏ.

CuO + CO2 —> 2Cu + CO2

Ngoài đồng (II) oxit, cacbon có khả năng khử một số oxit kim loại như: Chì (II) oxit (PbO) thành Pb, kẽm (II) oxit (ZnO) thành Zn. Đây là tính chất hóa học quan trọng của cacbon được ứng dụng để điều chế kim loại.

4. Điều chế cacbon như thế nào? 

Cacbon là một nguyên tố phổ biến và tự nhiên, nên việc điều chế nó không phức tạp như việc điều chế các hợp chất hữu cơ khác. Dưới đây là một số phương pháp thông thường để điều chế cacbon:

– Trích xuất từ nguyên liệu tự nhiên: Cacbon thường được trích xuất từ các nguồn tự nhiên như than đá, dầu mỏ và khí đốt tự nhiên. Quá trình nhiệt phân (nhiệt phân là sự phân hủy bằng nhiệt) của các chất này có thể tạo ra cacbon.

– Quá trình nhiệt phân hợp chất hữu cơ: Cacbon cũng có thể được sản xuất thông qua quá trình nhiệt phân các hợp chất hữu cơ, chẳng hạn như các hydrocacbon. Trong quá trình này, chất hữu cơ bị phân hủy bằng nhiệt, để lại cacbon và các sản phẩm khí khác.

– Phương pháp hóa học: Cacbon có thể được tạo ra thông qua các phản ứng hóa học đặc biệt. Ví dụ, phản ứng oxy hóa của hydrocacbon có thể tạo ra cacbon và nước.

– Tạo nano-vật liệu cacbon: Nano-vật liệu cacbon như các nanotừng có thể được tạo ra thông qua các phương pháp công nghệ cao như phương pháp nấu chảy hợp chất cacbon trong môi trường không khí hoặc khí khống chế.

– Sản xuất kim cương nhân tạo: Kim cương cũng có thể được sản xuất nhân tạo thông qua các phương pháp như phương pháp CVD (Chemical Vapor Deposition) hoặc HPHT (High-Pressure High-Temperature), trong đó cacbon được tạo thành từ khí hoặc hợp chất và áp suất cao.

– Tạo graphit nhân tạo: Graphit nhân tạo cũng có thể được tạo ra thông qua các phương pháp nấu chảy hợp chất cacbon trong môi trường chân không hoặc khí khống chế.

Nhớ rằng, việc điều chế cacbon có thể thực hiện thông qua các quá trình phức tạp và công nghệ tiên tiến, tùy thuộc vào mục đích sử dụng và ứng dụng cụ thể.

5. Ứng dụng của Cacbon:

Nó là một nguyên tố phi kim với rất nhiều công dụng rộng rãi. Việc sử dụng cacbon và các hợp chất của nó như sau:

– Các mảnh kim cương hoặc bột màu đen ở vành ô tô hoặc mực máy in, tản nhiệt ở các thiết bị điện tử… Đặc biệt kim cương được dùng làm đồ trang sức quý hiếm.

– Than chì là một dạng carbon khác đã được sử dụng cho nồi nấu kim loại ở nhiệt độ cao, điện cực đèn hồ quang, tế bào khô hoặc cho đầu bút chì, các vật liệu có khả năng chịu lửa, chất bôi trơn… 

– Có một trạng thái vô định hình khác của cacbon được sử dụng ở dạng chất tẩy trắng và chất hấp thụ khí, than hoạt tính làm mặt nạ phòng hơi độc…

– Than đá, than gỗ… được sử dụng làm chất đốt trong công nghiệp hay điều chế một số kim loại…

– Cacbon-14, có tính phóng xạ, là đồng vị được sử dụng trong việc xác định niên đại bằng carbon phóng xạ và dán nhãn phóng xạ.

– Các hợp chất của cacbon có nhiều công dụng như:

+ Sử dụng cacbon dioxide và bình chữa cháy. 

+ Đá khô là dạng rắn của cacbon.

+ Cacbon monoxide rất hữu ích cho việc khử trong một số quy trình luyện kim. 

+ Sản xuất dung môi trong công nghiệp, cacbon disulphide và cacbon tetrachloride là một số nguyên liệu đáng chú ý.

6. Bài tập vận dụng:

Bài 1 (SGK Hóa học 9, trang 84)

Dạng thù hình của nguyên tố là gì? Cho hai ví dụ.

Gợi ý đáp án:

Định nghĩa: Dạng thù hình của nguyên tố là những đơn chất khác nhau do cùng một nguyên tố hóa học tạo nên.

Một nguyên tố hóa học có thể tạo ra hai hay nhiều đơn chất. 

Ví dụ:

Cacbon có ba dạng thù hình: Kim cương, than chì hay cacbon vô định hình.

Photpho có ba dạng thù hình: Photpho trắng, photpho đỏ và photpho đen.

Bài 2(SGK Hóa học 9, trang 84)

Viết phương trình hóa học của cacbon với các oxit sau:

a) CuO; b) PbO.; c) CO2; d) FeO.

Hãy cho biết loại phản ứng: Vai trò của C trong các phản ứng, ứng dụng của các phản ứng đó trong sản xuất.

Gợi ý đáp án:

Phương trình hóa học của phản ứng:

2CuO + C → t°2Cu + CO2

2PbO + C →t° 2Pb + CO2

CO2 + C →t° 2CO

2FeO + C → t°2Fe + CO2

Trong các phản ứng trên cacbon là chất khử.

Ứng dụng của cacbon:

Tùy thuộc vào tính chất mỗi dạng thù hình, người ta sử dụng cacbon trong đời sống, sản xuất, kĩ thuật.

Ví dụ: Kim cương dùng làm đồ trang sức, mũi khoan, dao cắt kính; Than chì ứng dụng tronglàm điện cực, chất bôi trơn, ruột bút chì; Than đá, than gỗ được dùng làm nhiên liệu trong công nghiệp, chất khử để điều chế một số kim loại kém hoạt động.

Bài 3(SGK Hóa học 9, trang 84)

Hãy xác định công thức hóa học thích hợp của A, B, C, D trong thí nghiệm ở hình vẽ bên.

Nêu hiện tượng thí nghiệm và viết phương trình hóa học.

Gợi ý đáp án: 

Công thức hóa học thích hợp của các chất:

A là CuO; B là C (cacbon); C là CO2; D là dung dịch Ca(OH)2

Khí CO2 sinh ra làm vẩn đục nước vôi trong và tạo kết tủa CaCO3.

Phương trình hóa học của các phản ứng:

2CuO + C → t°2Cu + CO2

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + H2O

Bài 4 (SGK Hóa học 9, trang 84)

Tại sao sử dụng than để đun nấu, nung gạch ngói, nung vôi gây ô nhiễm môi trường. Hãy nêu biện pháp chống ô nhiễm môi trường và giải thích.

Gợi ý đáp án:

Sử dụng than để đun nấu, nung gạch ngói, nung vôi gây ô nhiễm môi trường vì khi đốt cháy than khiến lượng oxi giản, đồng thời sản sinh ra những khí gây độc cho con người và bầu khí quyển như CO2, CO, SO2. Để tránh ảnh hưởng xấu đến sức khỏe, người ta phải xây lò ở những khu xa dân cư, có không gian thoáng đồng thời tăng cường trồng nhiều cây xanh để chúng hấp thụ khí CO2 và nhả ra khí oxi.