Cacbon – Vị trí và cấu hình electron nguyên tử

Cacbon nằm ở ô thứ 6, nhóm IVA, chu kì 2 trong bảng tuần hoàn. Cấu hình electron của nguyên tử cacbon là 1s22s22p. Các số oxi hóa của cacbon bao gồm -4, 0, +2 và +4.

Tính chất vật lí Cacbon

Nguyên tố cacbon có một số dạng thù hình như kim cương, than chì, fuleren, v.v. Cấu trúc của tinh thể kim cương (a), tinh thể than chì (b) và fuleren (c) được thể hiện như sau:

Kim cương: Là chất tinh thể trong suốt, không màu, không dẫn điện và dẫn nhiệt kém. Nó có cấu trúc tinh thể nguyên tử và là chất cứng nhất trong tất cả các chất.
Than chì: Là chất tinh thể màu xám đen. Tinh thể than chì có cấu trúc lớp nên mềm.
Fuleren: Fuleren bao gồm các phân tử C₆₀, C₇₀, v.v. Phân tử C₆₀ có cấu trúc hình cầu rỗng, gồm 32 mặt, với 60 đỉnh là 60 nguyên tử cacbon.

Các loại than điều chế nhân tạo như than gỗ, than xương, than muội, v.v. được gọi chung là cacbon vô định hình. Chúng có cấu tạo xốp nên có khả năng hấp phụ mạnh các chất khí và chất tan trong dung dịch.

Tính chất hóa học Cacbon

Cacbon vô định hình có tính chất hóa học phong phú. Ở nhiệt độ thường, cacbon khá trơ, tuy nhiên khi đun nóng, nó có khả năng phản ứng với nhiều chất. Trong các phản ứng oxi hóa – khử, đơn chất cacbon có thể tăng hoặc giảm số oxi hóa, thể hiện tính khử hoặ c tính oxi hóa. Tuy nhiên, tính khử vẫn là tính chất chủ yếu của cacbon.

cacbon khái niệm tính chất cách điều chế

Tác dụng của cacbon

Tác dụng với oxi

Khi cacbon cháy trong không khí, phản ứng tỏa nhiều nhiệt và tạo ra CO2và một ít khí CO:

C + O2→ 2CO

2CO + O2→ 2CO2

Tác dụng với hợp chất

Ở nhiệt độ cao, cacbon có thể khử nhiều oxit và phản ứng với nhiều chất oxi hóa khác như HNO3, H2SO4đặc, KClO3, ví dụ:

C + 4HNO3(đặc) → CO2+ 4NO2+ 2H2O

Tác dụng với hiđro

Ở nhiệt độ cao và có chất xúc tác, cacbon tác dụng với khí H2tạo thành khí CH4:

C + 2H2→ CH4

Tác dụng với kim loại

Ở nhiệt độ cao, cacbon tác dụng với một số kim loại tạo thành cacbua kim loại, ví dụ:

4Al + 3C → Al4C3

Ứng dụng của cacbon

Cacbon có nhiều ứng dụng quan trọng trong cuộc sống và công nghiệp:

Kim cương: Kim cương được sử dụng làm đồ trang sức, chế tạo mũi khoan, dao cắt thủy tinh và làm bột mài.
Than chì: Than chì được sử dụng làm điện cực, nồi để nấu chảy các hợp kim chịu nhiệt, chất bôi trơn và làm bút chì đen.
Than cốc: Than cốc được sử dụng làm chất khử trong luyện kim, để luyện kim loại từ quặng.
Than gỗ: Than gỗ được sử dụng để chế tạo thuốc nổ đen, thuốc pháo và các sản phẩm liên quan.
Than hoạt tính: Than hoạt tính có khả năng hấp phụ mạnh và được sử dụng trong mặt nạ phòng độc và trong công nghiệp hóa chất.
Than muội và ứng dụng của nó: Than muội là một loại chất độn cao su được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm sản xuất mực in và xi đánh giầy. Đặc điểm quan trọng của than muội là khả năng tạo sự độn cao và cung cấp tính năng chất lượng cho các ứng dụng.

Trạng thái tự nhiên của cacbon

Trong tự nhiên, cacbon tồn tại dưới dạng tự do gần như tinh khiết trong kim cương và than chì. Ngoài ra, cacbon cũng có mặt trong các khoáng sản như calcit (đá vôi, đá phấn, đá hoa chẳng hạn, đều chứa CaCO3), Magiezit (MgCO3) và Đolomit (CaCO3, MgCO3). Cacbon cũng là thành phần chính của than mỏ, khí thiên nhiên, dầu mỏ và cơ thể các sinh vật.

Ở Việt Nam, có một mỏ than antraxit lớn tại Quảng Ninh và một số mỏ than nhỏ hơn tại Thanh Hóa, Nghệ An, Quảng Nam và các vùng khác. Các mỏ than này đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp và cung cấp nguồn tài nguyên đáng kể cho đất nước.

Quá trình điều chế các dạng cacbon

Kim cương nhân tạo

Kim cương nhân tạo có thể được điều chế bằng cách nung than chì ở nhiệt độ khoảng 2000°C, dưới áp suất 50 đến 100 nghìn atmosphère với sự hiện di ện của chất xúc tác như sắt, crom hoặc niken.

Than chì nhân tạo

Than chì nhân tạo có thể được điều chế bằng cách nung than cốc ở nhiệt độ 2500 – 3000°C trong lò điện, trong môi trường không có không khí.

Than cốc

Than cốc có thể được điều chế bằng cách nung than mỡ ở nhiệt độ khoảng 1000°C trong lò cốc, trong môi trường không có không khí.

Than mỏ

Than mỏ được khai thác trực tiếp từ các vỉa than nằm ở các độ sâu khác nhau dưới mặt đất. Quá trình khai thác than mỏ đóng góp quan trọng vào việc cung cấp nguồn năng lượng từ than cho nhiều ngành công nghiệp.

Than gỗ

Than gỗ được tạo ra thông qua quá trình đốt gỗ trong điều kiện thiếu không khí. Than gỗ là một nguồn năng lượng sạch và bền vững được sử dụng trong các quá trình nhiệt.