Cacbon là gì? Tính chất vật lý, hóa học, điều chế và ứng dụng của C

Carbon là gì? Nguyên tố Carbon các em sẽ được tìm hiểu kỹ trong chương trình hóa học 11. Để giúp các em học tốt hơn và hiểu rõ hơn về C, bài viết này Admin sẽ cung cấp cho các em toàn bộ các kiến thức về Carbon.

Carbon (C) là một nguyên tố trong bảng tuần hoàn hóa học. Nó có số nguyên tử 6, có tổng cộng sáu điện tử và được xếp vào nhóm IVA của bảng tuần hoàn. Carbon là một nguyên tố phi kim, có tính chất khá đặc biệt và quan trọng trong hóa học vì khả năng tạo thành các hợp chất phong phú và đa dạng.

Nguyên tố Carbon trong bảng tuần hóa học

Thông tin chi tiết của nguyên tố Carbon (C) như sau:

Ký hiệu hóa học: C
Tên Latin: Carbonum
Số hiệu nguyên tử: 6
Nhóm nguyên tố: IVA (Nhóm phi kim)
Chu kỳ: 2
Nguyên tử khối: 12,0107
Cấu hình electron: 1s² 2s² 2p²
Số oxi hóa: - 4, 2, 4
Độ âm điện: 2,5
Khối lượng riêng: 3,515 g/cm³
Nhiệt độ sôi: 4827 ⁰C
Nhiệt độ nóng chảy: 3550 ⁰C
Trạng thái tự nhiên: Rắn
Nhiệt dung riêng: 0,709 J K^-1g^-1
Độ dẫn điện: 155 Wm^-1K^-1
Bán kính nguyên tử: 67 pm
Bán kính cộng hóa trị: 77 pm
Độ cứng theo thang Mohs: 10
Điện dẫn suất: 1.10⁵ Sm^-1
Đồng vị bền: 2
Đồng vị không bền: 5
Năng lượng ion hóa bậc 1: 11,2603 eV
Năng lượng ion hóa bậc 2: 24,383 eV
Năng lượng ion hóa bậc 3: 47,887 eV

Carbon có ba dạng thù hình chính, bao gồm kim cương, than chì và Carbon vô định hình (bao gồm than gỗ, than đá, than xương và nhiều dạng khác). Các dạng thù hình của một nguyên tố hóa học được hiểu là những đơn chất khác nhau được tạo nên bởi nguyên tố đó. Ví dụ, nguyên tố oxi có hai dạng thù hình là oxygen (O₂) và ozone (O₃).

Các dạng thù hình của Carbon có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất vật lý của nó. Dưới đây là phân loại các tính chất vật lý của Carbon theo từng dạng thù hình cơ bản:

Tính chất vật lý của Carbon là gì?

Kim cương

Kim cương được sử dụng vì những tính chất vật lý quý giá của nó, bao gồm độ cứng cao và màu sắc đẹp. Dưới đây là một số tính chất cơ bản của kim cương:

Cấu trúc tinh thể: Kim cương có cấu trúc tinh thể lập phương, mang đến tính đối xứng cao. Nó chứa các nguyên tử Carbon bậc 4, tạo nên nhiều tính chất riêng biệt. Khối lượng riêng của kim cương là 3.50 g/cm³.
Màu sắc: Trong suốt, không màu.
Độ cứng: Kim cương là vật liệu cứng nhất trong tự nhiên và có giá trị cao nhất trong hơn 3.000 loại khoáng vật mà con người biết đến. Đây là lý do chính tại sao ngành công nghiệp kim cương đã tồn tại từ rất lâu.
Độ giòn: Độ giòn (khả năng vỡ) của kim cương được đánh giá ở mức trung bình đến tốt bởi các nhà hóa học.
Màu sắc: Kim cương có màu sắc đa dạng, từ không màu đến màu xanh dương, xanh lá cây, đỏ, hồng, vàng và cả kim cương màu đen.

Than chì

Than chì là một dạng thù hình của Carbon và có các tính chất vật lý sau:

Mềm và dễ uốn: Than chì có tính chất mềm và dễ uốn, cho phép nó được biến hình và uốn cong dễ dàng. Điều này là do cấu trúc tinh thể của nó và mức độ liên kết giữa các phân tử Carbon.
Màu sắc: Có màu xám đen
Tính dẫn điện: Than chì có khả năng dẫn điện tốt. Điều này là do khả năng của các electron tự do trong cấu trúc tinh thể của nó di chuyển dễ dàng, tạo ra dòng điện.
Tính chống ăn mòn: Than chì có khả năng chống ăn mòn tốt, đặc biệt là trong môi trường axit. Điều này là do hình thành một lớp oxi hóa bảo vệ trên bề mặt than chì, ngăn chặn quá trình oxi hóa tiếp theo.
Điểm nóng chảy thấp: Than chì có điểm nóng chảy khá thấp, khoảng 327 độ C (621 độ F). Điều này làm cho nó trở thành một vật liệu phù hợp để sử dụng trong các quá trình nhiệt độ thấp hoặc nhạy cảm với nhiệt độ.

Fuleren

Fuleren là một dạng thù hình của Carbon và có các tính chất vật lý đặc biệt sau:

Cấu trúc hình cầu: Fuleren có cấu trúc hình cầu hoặc hình cầu hình cầu lồi, gồm một mạng lưới ba chiều của các nguyên tử Carbon được sắp xếp theo hình dạng của các lớp đa giác. Cấu trúc này tạo nên một hình dạng đặc biệt và độc đáo cho fuleren.
Tính chất nano: Fuleren có kích thước rất nhỏ, có đường kính khoảng 1 nanomet và chứa một số lượng nguyên tử Carbon nhất định. Điều này làm cho fuleren thuộc vào loại vật liệu nano và có tính chất đặc trưng của các vật liệu ở quy mô nano.
Độ cứng và bền: Fuleren có tính chất cơ học tương đối cứng và bền. Cấu trúc lưới ba chiều của các nguyên tử Carbon tạo nên sự ổn định và kháng nén cho fuleren.
Tính chất điện hóa: Fuleren có khả năng dẫn điện, tuy nhiên, điện tử di chuyển trong fuleren có thể bị hạn chế do cấu trúc lưới và các tương tác giữa các nguyên tử Carbon.

Cacbon vô định hình

Carbon vô định hình có nhiều dạng như: than gỗ, than muội, than xương... Các dạng này có các tính chất vật lý giống nhau là:

Chúng có cấu trúc xốp
Khả năng hấp thụ mạnh các chất khí
Là chất tan trong dung dịch.

Carbon là một phi kim hoạt động hóa học yếu. Tính chất hóa học nổi bật của nó chính là tính khử. Ngoài ra nó cũng có phản ứng oxi hóa. Chi tiết như sau:

Các tính chất hóa học của Carbon là gì?

Tính khử của Cacbon

Tính khử của Carbon thể hiện rõ khi tác dụng với phi kim khác, oxide kim loại, chất oxi hóa mạnh, hơi nước, Cao và Al₂O₃. Cụ thể như sau:

C (Cacbon) tác dụng với phi kim (O₂)

Cacbon cháy trong không khí và phản ứng hóa học sinh ra nhiều nhiệt, tạo thành sản phẩm CO₂và một ít khí CO.

⁰C + O₂→ ⁺⁴CO₂(Điều kiện: Nhiệt độ)

⁺⁴CO₂ + C⁰ → 2⁺²CO(Điều kiện: Nhiệt độ)

C (Cacbon) tác dụng với oxit kim loại

Carbon có khả năng khử oxit kim loại đứng sau kim loại Al trong dãy hoạt động hóa học của kim loại.

CuO + C → Cu + CO (Điều kiện: Nhiệt độ)

Fe₂O₃ + 3C → F2e + 3CO (Điều kiện: Nhiệt độ)

Cacbon tác dụng với các chất oxi hóa mạnh

Khi Carbon tác dụng với các chất oxi hóa mạnh như: H₂SO₄ đặc, HNO₃, H₂Cr₂O₇, KNO₃, KClO₃,... Carbon sẽ bị oxi hóa lên mức hóa trị cao nhất là +4 hình thành khí CO₂.

C + 2H₂SO₄ đặc → CO₂ + 2SO₂↑ + 2H₂O (Điều kiện: Nhiệt độ)

C + 4HNO₃ đặc → CO₂ + 4NO₂↑ + 2H₂O (Điều kiện: Nhiệt độ)

C + 4KNO₃ → CO₂ + 2K₂O↑ + 4NO₂ (Điều kiện: Nhiệt độ)

Cacbon tác dụng với CaO hoặc Al₂O₃

Khi cho Carbon tác dụng với CaO, nó sẽ khử vôi sống (oxide calcium) thành Calcium carbide và sinh ra khi CO. Phản ứng này diễn ra trong lò điện.

CaO + 3C → CaC₂ + CO

Khi cho Carbon tác dụng với Al₂O₃, phản ứng sẽ khử Al₂O₃ và sinh ra Al₄C₃ và khí CO. Phản ứng sẽ xảy ra ở điều kiện nhiệt độ là 2000 ⁰C.

2Al₂O₃ + 9C → Al₄C₃ + 6CO

Cacbon tác dụng với hơi nước ở nhiệt độ cao

Ở nhiệt độ, Carbon sẽ tác dụng với hơi nước, sinh ra CO và khí H₂.

C + H₂O → CO + H₂↑ (Điều kiện: 1000 ⁰C)

C + 2H₂O → CO₂ + 2H₂↑

Tính oxi hóa của Cacbon

Carbon không chỉ có tính khử mà nó còn có tác oxi hóa, khi tác dụng với H₂sẽ sinh ra CH₄, nếu tác dụng với kim loại sẽ sinh ra muối carbide.

C + 2H₂ → CH₄ (Điều kiện: 500 ⁰C và có sự tham gia của Ni)

3C + 4Al → Al₄C₃ (Điều kiện: Nhiệt độ)

Trạng thái tự nhiên của Carbon có thể là dạng rắn, dạng lỏng hoặc dạng khí, tùy thuộc vào điều kiện và các yếu tố môi trường xung quanh. Dạng tự nhiên phổ biến nhất của Carbon là dạng rắn, trong đó các dạng hình thù như kim cương, than chì, và Carbon vô định hình được tìm thấy. Kim cương được tìm thấy chủ yếu trong trạng thái rắn và được biết đến với độ cứng cao và tính chất quý. Than chì cũng là dạng rắn và có tính chất dẫn điện tốt. Carbon vô định hình như than gỗ, than muội và than xương cũng là dạng rắn và có cấu trúc xốp.

Trạng thái tự nhiên của Carbon là gì?

Ngoài ra, Carbon cũng có thể tồn tại dưới dạng lỏng hoặc khí. Các dạng lỏng của Carbon bao gồm dạng chất lỏng ở nhiệt độ và áp suất thông thường, ví dụ như các dạng lỏng trong hợp chất hữu cơ. Carbon cũng có thể tồn tại dưới dạng khí, ví dụ như các dạng khí như CO2(carbon dioxide), CH4(methane) và CO (carbon monoxide) được tìm thấy trong tự nhiên.

Do đó, Carbon có thể tồn tại trong các trạng thái tự nhiên khác nhau, bao gồm dạng rắn, lỏng và khí, tùy thuộc vào điều kiện và môi trường mà nó được tìm thấy.

Cách điều chế Carbon khác nhau tùy thuộc vào từng dạng hình thù của nó:

Kim cương: Kim cương có thể được điều chế nhân tạo bằng cách nung than chì ở nhiệt độ khoảng 2.000 độ C và áp suất 50 đến 100 nghìn atmospheres, kèm theo sự sử dụng chất xúc tác như Iron, Nickel hoặc Chromium.
Than cốc: Để điều chế than cốc, ta nung than trong lò mà không có không khí, ở nhiệt độ cao khoảng 2.000 độ C. Quá trình nung này sẽ làm bay hơi hoặc phân hủy các chất hữu cơ có trong than, tạo ra các sản phẩm bay hơi, trong đó có nước, khí than và nhựa than đá. Than cốc là kết quả không bay hơi của quá trình phân hủy, gồm cặn Carbon và khoáng chất kết dính lại với nhau, tạo thành hạt than ban đầu dạng chất rắn, cứng và có cấu trúc thủy tinh.
Than chì: Để điều chế than chì nhân tạo, ta nung than cốc trong lò điện ở nhiệt độ khoảng 2.500 - 3.000 độ C, với điều kiện không có không khí.
Than gỗ: Điều chế than gỗ bằng cách đốt gỗ trong môi trường thiếu không khí.

Carbon có nhiều ứng dụng quan trọng và đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Dưới đây là một số ví dụ về ứng dụng của Carbon:

Chi tiết về ứng dụng của Carbon (C) trong đời sống, sản xuất

Vật liệu cơ bản: Carbon được sử dụng làm thành phần chính trong nhiều loại vật liệu cơ bản như thép Carbon, gang, và chất dẻo chứa Carbon. Thép Carbon được sử dụng rộng rãi trong xây dựng, ô tô, đường ray, công nghiệp đóng tàu và nhiều ngành công nghiệp khác.
Hợp chất hữu cơ: Carbon là thành phần chính của các hợp chất hữu cơ như protein, carbohydrate, lipid và acid nucleic. Các hợp chất này có vai trò quan trọng trong các quá trình sinh hóa và chức năng cơ bản của các sinh vật sống.
Vật liệu chịu lửa: Carbon có tính chịu lửa cao, nên được sử dụng trong các ứng dụng chịu nhiệt như trong việc sản xuất các vật liệu chịu lửa, gồm các vật liệu cách nhiệt, vật liệu chịu lửa trong ngành xây dựng và lò nung.
Điện tử: Carbon được sử dụng rộng rãi trong công nghệ điện tử. Ví dụ, các vật liệu Carbon như graphite và diamond có khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, được sử dụng trong việc tạo ra điện cực và chất cản điện trong các ứng dụng điện tử. Carbon cũng được sử dụng trong việc sản xuất transistor, điện cực, pin và các thiết bị điện tử khác.
Dược phẩm: Carbon được sử dụng trong ngành dược phẩm để sản xuất các loại thuốc, chẳng hạn như các hợp chất Carbon trong dạng hữu cơ hoặc vô cơ được sử dụng để chữa bệnh hoặc làm chất mang trong các thuốc.
Vật liệu composite: Carbon có thể được sử dụng để tạo ra các vật liệu composite cường độ cao. Các sợi Carbon được kết hợp với ma trận Polymer hoặc vật liệu kim loại để tạo ra các vật liệu siêu nhẹ, siêu cứng và chịu lực tốt, được sử dụng trong hàng không vũ trụ, ô tô thể thao, ngành thể thao và các ứng dụng y tế.

Như vậy, toàn bộ các kiến thức trong bài được Admin chia sẻ không chỉ giúp các em hiểu rõ Carbon là gì? Mà còn giúp các em nắm được đầy đủ các kiến thức quan trọng về nguyên tố Carbon. Đừng quên tận dụng bảng tuần hoàn hóa học Online và tính năng ChatGPT trên FQA để học hóa giỏi hơn các em nhé!