Bài 20. Cacbon

I - TÍNH CHẤT VẬT LÍ

Cacbon tạo thành một số dạng thù hình, khác nhau về tính chất vật lí. Sau đây là một số dạng thù hình của cacbon.

Kim cương là chất tinh thể không màu, trong suốt, không dẫn điện, dẫn nhiệt kém, có khối lượng riêng là 3,51g/cm³. Tinh thể kim cương thuộc loại tinh thể nguyên tử điển hình, trong đó mỗi nguyên tử cacbon tạo bốn liên kết cộng hóa trị bền với bốn nguyên tử cacbon lân cận nằm trên các đỉnh của hình tứ diện đều. Mỗi nguyên tử cacbon ở đỉnh lại liên kết với bốn nguyên tử cacbon khác. Độ dài của liên kết C−C bằng 0,154nm. Do cấu trúc này nên kim cương là chất cứng nhất trong tất cả các chất.

Than chì là tinh thể màu xám đen, có ánh kim, dẫn điện tốt nhưng kém kim loại. Tinh thể than chì có cấu trúc lớp.

Trong một lớp, mỗi nguyên tử cacbon liên kết theo kiểu cộng hóa trị với ba nguyên tử cacbon lân cận nằm ở đỉnh của một tam giác đều. Độ dài của liên kết C−C bằng 0,142nm. Khoảng cách giữa hai nguyên tử cacbon thuộc hai lớp lân cận nhau là 0,34nm. Các lớp liên kết với nhau bằng lực tương tác yếu, nên các lớp dễ tách khỏi nhau. Khi vạch than chì trên giấy, nó để lại vạch đen gồm nhiều lớp tinh thể than chì.

Fuleren gồm các phân tử C₆₀,C₇₀,... Phân tử C60 có cấu trúc hình cầu rỗng (hình 3.3) gồm 32 mặt với 60 đỉnh là 60 nguyên tử cacbon. Fuleten được phát hiện năm 1985.

Than điều chế nhân tạo như than cốc , than gỗ, than xương, than muội,... được gọi chung là cacbon vô định hình. Than gỗ, than xương có cấu tạo xốp, nên chúng có khả năng hấp thụ mạnh các chất khí và chất tan trong dung dịch.

II - TÍNH CHẤT HÓA HỌC

Trong các dạng tồn tại của cacbon, cacbon vô định hình hoạt động hơn cả về mặt hóa học. Tuy nhiên, ở nhiệt độ thường cacbon khá trơ, còn khi đun nóng nó phản ứng được với nhiều chất.

Trong các hợp chất của cacbon với những nguyên tố có độ âm điện lớn hơn (O,Cl,F,S,...), nguyên tố cacbon có số oxi hóa +2 và +4. Còn trong các  hợp chất của cacbon với những nguyên tố có độ âm điện nhỏ hơn (hiđro, kim loại), nguyên tố cacbon có số oxi hóa hóa âm. Do đó, trong các phản ứng cacbon thể hiện tính khử và tính oxi hóa khử. Tuy nhiên, tính khử vẫn là tính chất chủ yếu của cacbon. 

1. Tính khử

a) Tác dụng với oxi

Khi đốt cacbon cháy trong không khí, phản ứng tỏa nhiều nhiệt:

C+O₂−→t^o CO₂

Ở nhiệt độ cao, cacbon lại khử được CO₂ theo phản ứng:

CO₂+C→t^o 2CO

Do đó, sản phẩm khi đốt cacbon trong không khí, ngoài khí CO₂ còn có một ít khí CO.

Cacbon không tác dụng trực tiếp với clo, brom và iot.

b) Tác dụng với hợp chất

Ở nhiệt độ cao, cacbon có thể khử được nhiều oxit, phản ứng với nhiều chất oxi hóa khác nhau như HNO₃,H₂SO₄ đặc, KClO₃,...

Thí dụ:     C+4HNO₃(đặc)→t^o CO₂+4NO₂+2H₂O

2. Tính oxi hóa

a) Tác dụng với hiđro

Cacbon phản ứng khí hiđro ở nhiệt độ cao có chất xúc tác, tạo thành khí metan:

C+2H₂→t^o,xt CH₄

b) Tác dụng với kim loại

Ở nhiệt độ cao, cacbon phản ứng với một số kim loại tạo thành cacbua kim loại

Thí dụ:        4Al+3C→t^o Al₄C₃

                                   nhôm cacbua

III - ỨNG DỤNG

Kim cương được sử dụng làm đồ trang sức. Trong kĩ thuật, kim cương được dùng để chế tạo mũi khoan, dao cắt thủy tinh và bột mài.

Than chì được dùng làm điện cực; làm nồi, chén để nấu chảy các hợp kim chịu nhiệt; chế tạo chất bôi trơn; làm bút chì đen.

Than cốc được dùng làm chất khử trong luyện kim để luyện kim loại từ quặng.

Than gỗ được dùng để chế thuốc nổ đen, thuốc pháo, chất hấp thụ. Loại than có khả năng hấp thụ mạnh được gọi là than hoạt tính. Than hoạt tính được dùng nhiều trong mặt nạ phòng độc, trong công nghiệp hóa chất và trong y học.

Than muội được dùng làm chất độn khi lưu hóa cao su, để sản xuất mực in, xi đánh giày,...

IV - TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN, ĐIỀU CHẾ

1. Trạng thái tự nhiên

Trong tự nhiên, kim cương và than chì là cacbon tự do gần như tinh khiết. Ngoài ra, cacbon còn có trong các khoáng vật như canxi (đá vôi, đá phấn, đá hoa, chúng đều chứa CaCO₃), magiezit (MgCO₃), đolomit (CaCO₃.MgCO₃) (hình 3.4),...và là thành phần chính của các loại than mỏ (than antraxit, than mỡ, than nâu, than bùn,..., chúng khác nhau về tuổi địa chất và hàm lượng cacbon). Dầu mỏ, khí đốt thiên nhiên là hỗn hợp của các chất khác nhau chứa cacbon, chủ yếu là hiđrocacbon. Cơ thể thực vật và động vật chứa nhiều hợp chất của cacbon.

Nước ta có mỏ than antraxit lớn ở Quảng Ninh, một số mỏ than nhỏ hơn ở Thanh Hóa, Nghệ An, Quảng Nam,...

2. Điều chế

Kim cương nhân tạo được điều chế từ than chì, bằng cách nung than chì ở 2000^oC, dưới áp suất 50−100 nghìn atmotphe với chất xúc tác là sắt, crom hay niken.

Than chì nhân tạo được điều chế bằng cách nung than cốc ở 2500−3000^oC trong lò điện, không có không khí.

Than cốc được điều chế bằng cách nung than mỡ khoảng 1000^oC trong lò cốc, không có không khí.

Than gỗ được tạo nên khi đốt cháy gỗ trong điều kiện thiếu không khí.

Than muội được tạo nên khi nhiệt phân metan có chất xúc tác:

CH₄→t^o,xt C + 2H₂

Than mỏ được khai thác trực tiếp từ các vỉa than nằm ở độ sâu khác nhau dưới mặt đất.