Cacbon là gì? Tính chất như thế nào? Điều chế nó ra sao? Đây đều là những kiến thức cực kỳ quan trọng bạn cần phải biết khi học về một nguyên tố hóa học. Để hiểu rõ hơn về Carbon và giải đáp những thắc mắc trên mọi người hãy tham khảo nội dung bài viết bên dưới nhé!
Khái niệm Cacbon là gì?
Cacbon là một trong những nguyên tố hóa học có ký hiệu là C với nguyên tử khối bằng 12 và số nguyên tử bằng 6. Tên của nguyên tố này bắt nguồn từ tiếng Pháp với carbone. Đây là một phi kim có hóa trị 4 và xuất hiện rất nhiều trong cuộc sống của chúng ta.
Cacbon tồn tại dưới nhiều hình thù khác nhau và chủ yến xuất hiện trong các sự sống hữu cơ. Nguyên tố này được xem như nền tảng của ngành hóa học hữu cơ. Nó có khả năng tự liên kết với nó và liên kết với nhiều nguyên tố hóa học khác. Từ đó tạo ra hàng triệu hợp chất khác nhau.
4 loại hình dạng đặc thù của Cacbon
Trong tự nhiên, Cacbon tồn tại dưới nhiều hình dạng đặc thù khác nhau. Và loại hình dạng thường gặp nhất đó là:
Kim cương
Đây là dạng thù hình cơ bản của nguyên tố Cacbon. Hình dạng này được tạo ra từ sự liên kết giữa nhiều nguyên tử khác nhau. Mỗi nguyên tử C sẽ liên kết với các nguyên tử khác thành hình lưới 3 chiều theo kiểu tứ diện. Liên kết hóa trị này rất mạnh mẽ và tạo nên tính bền ở kim cương.
Bởi sở hữu tính rắn và mạnh mẽ nên kim cương được sử dụng rất phổ biến trong các ngành công nghiệp. Nó dùng để cắt, đánh bóng các bề mặt có độ cứng cao. Do đó, kim cương thường sử dụng để làm lưỡi cưa, mũi khoan, bột mài hoặc các loại chất bán dẫn.
Cacbon Graphite
Dạng thù hình này của Cacbon còn được biến đến với tên gọi khác là than chì. Graphite là một loạt vật chất rất mềm với liên kết 2 chiều giữa 6 nguyên tử. Mỗi C sẽ liên kết với 3 nguyên tử khác theo hình tam giác. Do đó, các lớp C sẽ trượt lên nhau và rất dễ để tách ra. Mật độ C trong than chì cũng thấp hơn kim cương nhiều.
C dưới dạng hình thù than chì được sử dụng khá rộng rãi trong cuộc sống. Đặc biệt, nó dùng làm thanh điều tiết nơtron trong các lò phản ứng hạt nhân. Còn ở dạng bột thì than chỉ sẻ được sử dụng để nấu và chế tạo nên ruột bút chì hoặc bột mỹ thuật.
Cacbon vô định hình
Khi tồn tại ở trạng thái tinh thể thì C cho ra C vô định hình. Đây là những nguyên tử Cacbon tự do và không có bất kỳ cấu trúc tinh thể nào. C vô định hình mà chúng ta thường gặp đó là than hoạt tính, than muội và than củi. Với các loại than này thì sẽ được ứng dụng vào rất nhiều trong cuộc sống hàng ngày. Ứng dụng phổ biến nhất là dùng trong y tế và công nghệ thẩm mỹ.
Carbon nano
Đây là một dạng thù hình của Cacbon nhân tạo. Carbon Nano xuất hiện vào những năm 90 của thế kỷ 20. Dạng thù hình này bao gồm các ống nano (được gọi với tên khác là Carbon nano tube) và fullerene. Đây là những C bị biến tính và do các nhà nghiên cứu tìm thấy ở những thí nghiệm phóng điện hồ quang giữa hai điện cực than chì.
Hiện nay, dạng Cacbon này được sử dụng trong các ngành công nghệ sản xuất bột màu và mực in bởi vì nó nhỏ và bền. Bên cạnh đó nó còn được bắt gặp trong hệ thống cơ điện nano ở motor điện siêu vi và bộ nhớ cơ học.
Các thuộc tính đặc trưng
Để hiểu rõ hơn về Cacbon thì chúng ta phải nắm vững thuộc tính đặc trưng của nó. C sẽ có những thuộc tính đặc trưng sau:
Sự phổ biến
Trong các nguyên tố hoá học thì Cacbon chính là nguyên tố phổ biến thứ 4. Về khối lượng C chỉ xếp sau Oxy, Heli và Hydro. Nguyên tố này được tìm thấy rất nhiều ở trong các ngôi sao, bầu khí quyển và Mặt trời.
Ngoài ra, nguyên tố Cacbon còn được tìm thấy rất nhiều trong các hợp chất trên Trái Đất. Những hợp chất này đều rất quan trọng cho sự sống của con người và các loài sinh vật. Các mỏ than, dầu, kim cương được tìm thấy ở khắp nơi chứng minh cho sự phổ biến của nguyên tố C trong tự nhiên.
Các thù hình cơ bản của Cacbon
Như đã nhắc đến thì Cacbon tồn tại ở nhiều dạng thù hình khác nhau. Khi các nguyên tử có cấu trúc liên kết khác nhau thì sẽ tạo nên những thi hình tương ứng. Đây cũng được xem như một nét đặc trưng của nguyên tố này.
Dạng thù hình được biết đến nhiều nhất đó là: Kim cương, C vô định hình, graphit và C ống nano. Ngoài ra, các nhà khoa học còn tìm ra hoặc ra những dạng thù hình kì dị khác như q – Carbon, lonsdaleite,…
Đồng vị
Nguyên tố C hay Cacbon có 2 đồng vị ổn định và có nguồn gốc tự nhiên, bao gồm : 12C (hay Carbon 12 với 98,89%) và 13C (hay Carbon 13 với 1.11%). Bên cạnh đó Cacbon có 1 đồng vị gốc tự nhiên nhưng không ổn định đó là 14C. Đây là đồng vị phóng xạ Carbon 14. Đồng vị này phát sinh từ sự tương tác của 14N trong khí quyển và neutron 1n trong bức xạ vũ trụ.
Hình thành trong các ngôi sao
Do thiếu sự va chạm của các hạt nhân heli nên qua các vụ nổ Cacbon không được tạo ra. Bởi khi đó vũ trụ đầu tiên được mở rộng ra và bị làm nguội quá nhanh. Tuy nhiên các nguyên tố C được sinh ra ngay trong tâm của các ngôi sao. Ở đó có sự chuyển hoá nhân Heli thành Cacbon theo quy trình ba – alpha.
Chu trình carbon
Ở trên Trái Đất, việc một nguyên tố này chuyển thành một nguyên tố khác là khá hiếm. Tuy nhiên, điều này lại xuất hiện ở Cacbon. Trong quá trình sử dụng C thì tiêu thụ nó ở nơi này và thải ra ở nơi khác. Trong môi trường C sẽ di chuyển và tạo ra một chu trình. Cái này được gọi là chu trình Cacbon. Đây cũng được xem là một đặc tính đặc trưng nhất của nguyên tố này.
Tính chất vật lý của Cacbon
Cacbon có nhiều dạng hình thù và mỗi dạng thù hình sẽ có tính chất vật lý riêng. Như vậy, dựa vào những thông tin trên về các dạng thù hình mọi người cũng đã có thể nắm được tính chất vật lí của nó.
Kim cương
Ở dạng thù hình kim cương thì Cacbon có tính chất vật lí sau:
- Cấu trúc tinh thể: Kim cương có cấu trúc lập phương với tính đối xứng cao. Nó chứa nguyên tử C bậc 4 với nhiều tính chất riêng. Khối lượng riêng của nó là: 3.5g/cm3.
- Độ cứng: Dạng vật chất này được xem là chất cứng nhất ở trong tự nhiên. Vì thế trong các ngành công nghiệp đã sử dụng kim cương rất nhiều.
- Độ giòn: Dạng Cacbon kim cương có độ giòn ở mức trung bình khá đến tốt.
- Màu sắc: Đa dạng với nhiều sắc màu. Bao gồm: Không màu, màu đỏ, màu hồng, màu đen, màu xanh lá cây.
Tính chất vật lý của than chì
Ở dạng thù hình than chì thì Cacbon có màu xám đen và dẫn điện rất tốt. Nó rất mềm bởi có tính chất lớp. Khi vạch trên giấy than chì sẽ để lại các lớp tinh thể ở dưới dạng vệt đen.
Tính chất của cacbon vô định hình
Trong tự nhiên, Cacbon vô định hình gồm các loại như than xương, than gỗ…Tính chất vật lý chung của những loại than này là hấp thụ các chất khí và có cấu tạo xốp.
Tính chất hóa học chi tiết
Tính chất hoá học chung của Cacbon là một phi kim yếu. Còn tính chất quan trọng nhất là tính khử. Dưới đây là một số tính chất quan trọng của C được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống.
Tác dụng với oxi
Trong điều kiện tự nhiên, Cacbon có thể cháy trong Oxi và tạo thành CO2. Trong quá trình này thì C sẽ là chất khử và sau phản ứng tỏa ra rất nhiều nhiệt. Nhờ tính chất này nên C được sử dụng làm nguyên liệu trong sản xuất. Ta có phương trường hoá học của quá trình này: C + O2 = CO2.
Phản ứng với oxit kim loại
Cacbon có thể tác dụng được với các oxit kim loại để tạo ra kim loại. Do đó trong nhiều trường hợp C được sử dụng để điều chế kim loại. Các oxit kim loại có thể tác dụng được với C đó là: Đồng (II) oxit, Kẽm (II) oxit,…. Phương trình phản ứng của Cacbon oxit kim loại như sau:
CuO + C = Cu + CO2
Điều chế Cacbon như thế nào?
Như đã nhắc ở trên thì Cacbon có nhiều dạng thù hình. Với mỗi dạng sẽ có cách điều chế riêng, cụ thể:
- Kim cương: Sẽ được điều chế bằng cách nung than chì ở nhiệt độ 2000 độ C với áp suất từ 50 đến 100k Atmotphe và kèm theo chất xúc tác Ni, Cr hoặc Fe.
- Than cốc: Cacbon được điều chế bằng cách nung than trong lò ở nhiệt độ 2000 và không có không khí. Quá trình này sẽ khiến cho các chất hữu cơ ở trong than phân hủy và bay hơi. Sản phẩm không bay hơi sau khi nung chính là than cốc.
- Than chì: Than chì nhân tạo sẽ được sản xuất bằng việc nung than cốc ở nhiệt độ 2500 đến 3000 với điều kiện không có không khí.
- Thân gỗ: Dạng thù hình này của Cacbon sẽ được tạo ra bằng cách đốt gỗ ở trong điều kiện thiếu O2.
Ứng dụng của Cacbon trong đời sống và sản xuất
Cacbon có vai trò quan trọng trong đời sống hàng ngày. Với mỗi dạng thù hình thì nó sẽ có những ứng dụng khác nhau. Dưới đây sẽ là một số ứng dụng phổ biến nhất của C.
- Kim cương: Nhờ có độ cứng cao và quý hiếm nên dạng Cacbon này nó được sử dụng làm mũi cắt, mũi cưa hoặc làm đồ trang sức. Trong các thiết bị điện tử thì mọi người cũng sẽ bắt gặp kim cương được sử dụng trong hệ thống tản nhiệt.
- Than chì là dạng Cacbon được ứng dụng rất nhiều trong quá trình sản xuất các loại vật liệu như composite, thép,…. Ngoài ra thân chì cũng sẽ được sử dụng để chế tạo các cực của pin, đèn hồ quang, chất bôi trơn,….
- Cacbon vô định hình: Với nhiều loại sẽ có các ứng dụng khác nhau. Trong đó: Than hoạt tính sẽ sử dụng làm chất khử mùi, khử màu và mặt nạ phòng độc. Còn thân gỗ và than đá sẽ được sử dụng để làm chất khử điều chế kim loại hoặc làm chất đốt.
Kết luận
Như vậy, những thông tin quan trọng nhất về Cacbon đã được bài viết cập nhật đầy đủ và chính xác. Nếu mọi người còn muốn được tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích hơn nữa thì nhớ theo dõi website này nhé
