CẤU TẠO, TÍNH CHẤT HÓA HỌC, ĐIỀU CHẾ VÀ ỨNG DỤNG CỦA CACBON

I. Trạng thái tự nhiên và tính chất vật lí

 

1. Trạng thái tự nhiên

 

a. Dạng đơn chất

 

- Kim cương, than chì và Fuleren là cacbon ở dạng tự do gần như tinh khiết.

 

 

b. Dạng hợp chất

 

- Cacbon còn có trong các khoáng vật như canxit (đá vôi, đá hoa, đá phấn đều chứa CaCO₃), magiezit (MgCO₃), đolomit (CaCO₃.MgCO₃). Dầu mỏ, khí thiên nhiên là hỗn hợp của các chất khác nhau chứa cacbon. Cơ thể động thực vật cũng chứa nhiều hợp chất của cacbon.

Canxit là một khoáng vật cacbonat (CaCO3), có cấu trúc tinh thể là khối sáu mặt thoi, và là dạng ổn định nhất của canxi cacbonat

2. Tính chất vật lí

 - C có nhiều dạng thù hình: kim cương, than chì và C vô định hình, fuleren:

 

Cấu trúc của tinh thể kim cương (a), tinh thể than chì (b) và fuleren (c) như hình sau:

 

a. Kim cương

- Là chất tinh thể trong suốt, không màu, không dẫn điện, dẫn nhiệt kém.

- Có cấu trúc tinh thể nguyên tử và cứng nhất trong tất cả các chất.

b. Than chì

- Là chất tinh thể màu xám đen.

- Tinh thể than chì có cấu trúc lớp nên mềm.

c. Fuleren

 Fuleren gồm các phân tử C60, C70, ... Phân tử C60 có cấu trúc hình cầu rỗng, gồm 32 mặt, với 60 đỉnh là 60 nguyên tử cacbon..

d. Cacbon vô định hình

 Điều chế nhân tạo như than gỗ, than xương, than muội, ... có cấu tạo xốp nên hấp phụ mạnh các chất khí và chất tan trong dung dịch.

Than gỗ

II. Tính chất hóa học

* Nhận xét:

 - C có thể tồn tại với nhiều mức oxi hóa khác nhau nhưng thường gặp là: -4; 0; +2; +4.

 - C có cả tính khử và tính oxi hoá nhưng tính khử vẫn là chủ yếu.

 

a. Cacbon thể hiện tính khử

 - Tác dụng với các phi kim:               

C + O₂ → CO₂

C + CO₂ → 2CO (400⁰C)

 

 - Tác dụng với oxit kim loại:

     + C khử được oxit của các kim loại đứng sau Al trong dãy hoạt động hóa học của kim loại ở nhiệt độ cao.

CuO + C → Cu + CO (t⁰)

Fe₂O₃ + 3C → 2Fe + 3CO (t⁰)

 

     + Với CaO và Al₂O₃:

CaO + 3C → CaC₂ + CO (trong lò điện)

2Al₂O₃ + 9C → Al₄C₃ + 6CO (2000⁰C)

 

 - Tác dụng với các chất oxi hóa mạnh thường gặp H₂SO₄ đặc, HNO₃, KNO₃, KClO₃, K₂Cr₂O₇... trong các phản ứng này, C bị oxi hóa đến mức +4 (CO₂).

C + 2H₂SO₄ đặc → CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O (t⁰)

C + 4HNO₃ đặc → CO₂ + 4NO₂ + 2H₂O (t⁰)

C + 4KNO₃ → 2K₂O + CO₂ + 4NO₂ (t⁰)

 - Khi nhiệt độ cao, C tác dụng được với hơi nước:

C + H₂O → CO + H₂ (1000⁰C)

C + 2H₂O → CO₂ + 2H₂

 

b. Cacbon thể hiện tính oxi hóa

 

 - Tác dụng với H₂:                                         

C + 2H₂ → CH₄ (500⁰C; Ni)

 

 - Tác dụng với kim loại → muối cacbua:       

4Al + 3C → Al₄C₃ (t⁰)

 

III. Ứng dụng

 

- Kim cương được dùng làm đồ trang sức. Trong kĩ thuật, kim cương được dùng làm mũi khoan, dao cắt thuỷ tinh, 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 phụ.

 

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

 

Trung tâm luyện thi, gia sư - dạy kèm tại nhà NTIC Đà Nẵng