Bài 15. Cacbon

Số hiệu nguyên tử: 6
Cấu hình electron: [He] s2p2
Khối lượng nguyên tử: 12,011
Khối lượng riêng: 2,25g/cm3
Độ âm điện : 2,55
Nhiệt độ nóng chảy: 4 492 oC
Nhiêt độ sôi: 3 825 oC
Bán kính nguyên tử: 70 (67) pm
Bán kính cộng hoá trị: 77 pm
Bán kính van der Waals: 170pm




Carbon tạo thành một số dạng thù hình, khác nhau về tính chất vật lí.
Ba dạng được biết nhiều nhất là cacbon vô định hình, graphit và kim cương. Một số thù hình kỳ dị khác cũng đã được tạo ra hay phát hiện ra, bao gồm các fulleren, cacbon ống nano và lonsdaleit.

Là chất tinh thể không màu, trong suốt, không dẫn điện, dẫn nhiệt kém, có D=3,51g/cm3
Cấu trúc tinh thể kim cương thuộc loại cấu trúc điển hình.Mỗi nt cacbon tạo bốn lk CHT với 4 nt cacbon lân cận nằm trên các đỉnh của 1 tứ diện đều
Độ dài liên kết C-C 0,154nm
Chất dạng thủy tinh.
Cấu trúc: các nguyên tử cacbon trong trạng thái phi tinh thể, không có quy luật và giống như thủy tinh.

Tinh thể màu xám đen, có ánh kim, dẫn điện tốt nhưng kém kim loại
Có cấu trúc lớp: Trong một lớp, mỗi nt cacbon lk CHT với 3 nt cacbon lân cận nằm ở đỉnh 1 tam giác đều.
Độ dài lk =0,142nm

Fullerene hay còn gọi là Buckkyball là một phân tử chứa 60 nguyên tử cácbon (C60)

Năm 1985, Nhà hoá học Anh Harry Kroto cùng với Richard Smalley và Robert Curl đã dùng chùm laser mạnh làm cho grafit bốc hơi trong khí hêli (mô phỏng những điều kiện tồn tại ở ngôi sao đỏ) và phát hiện thấy nhiều phân tử cácbon trước đây chưa được biết, trong đó nhiều nhất là phân tử C60,  hình dạng bên ngoài giống như quả bóng đá và các nhà khoa học gọi đó là fullerene.


C60 là một fullerence nổi bật nhất, nhưng không phải là duy nhất. Hiện các nhà khoa học đã phát hiện ra hàng trăm hình thức kết hợp khác nhau của những hình lục giác/ngũ giác, ví dụ:
* Bucky nhỏ (buckybabies): những phân tử hình cầu có số nguyên tử ít hơn 60
* Fuzzyball: là fullerene C60, nhưng có gắn thêm 60 nguyên tử hyđro
* Fulleren lớn: những fullerence chứa hàng trăm nguyên tử cácbon
* C70: phân tử chứa 70 nguyên tử cácbon



Fullerene cực kỳ bền vững và chịu được áp suất, nhiệt độ rất cao. Các nguyên tử cácbon của fullerene có thể phản ứng với các nguyên tử và phân tử khác, nhưng cấu trúc hình cầu của phân tử vẫn giữ nguyên vẹn.
Một ống nano cacbon đơn lớp là một tấm than chì độ dày một-nguyên-tử cuộn tròn lại thành một hình trụ liền, với đường kính cỡ nanomet. Điều này xảy ra trong các cấu trúc nano mà ở đó tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính vượt trên 10.000.
Các phân tử cacbon hình trụ đó có các tính chất thú vị làm cho chúng có khả năng hữu dụng cao trong rất nhiều ứng dụng của công nghệ nano, công nghiệp điện tử, quang học, và một số ngành khoa học vật liệu khác.
Chúng thể hiện độ bền đáng kinh ngạc và các tính chất điện độc đáo, và độ dẫn nhiệt hiệu quả.

Cấu trúc 3D của carbonnanotubes
Chúng rất khó tìm thấy trong tự nhiên nhưng đó chính là bản chất của kim cương nhân tạo
Sự sai lạc trong cấu trúc tinh thể của kim cương.
Cấu trúc: Tương tự như kim cương, nhưng tạo thành lưới tinh thể lục giác.

TÍNH KHỬ
Tác dụng với oxi
Carbon cháy trong kk:
C + O2 to CO2
( 0 ) (+4)
Carbon khử CO2 ở nhiệt độ cao:
CO2 + C to 2CO
(+4) (0) (+2)

Carbon không tác dụng trực tiếp với clo, brom, iot

Tác dụng với hợp chất Ở nhiệt độ cao, carbon có thể khử được nhiều oxit, phản ứng với nhiều chất oxi hoá khác như:HNO3, H2SO4 đ, KCLO3…


C + 4HNO3 đ to CO2 + 4NO2 +2H20
(0) (+4)
Carbon cháy trong oxi.
Carbon tác dụng với CuO ở nhiệt độ cao.
TÍNH OXI HOÁ
Tác dụng với hidro
ở nhiệt độ cao và có xúc tác tạo thành metan:


C + 2H2 to, xt CH4
(0) (-4)
Tác dụng với kim loại
ở nhiệt độ cao tạo thành cacbua kim loại

4Al + 3C to Al4C3
(0) (-4)
(Nhôm cacbua)

Đồ Trang sức
Bút chì đen
Các ứng dụng đặc biệt
Carbon nanotube ứng dụng làm thiết bị lọc nước, nó có khả năng lọc bỏ các chất độc thậm chí cả virus.
Carbon nanotube dùng sản xuất đầu đọc kính hiển vi điện tử.
Công nghệ chế tạo vật liệu cacbon y sinh
được sử dụng trong bệnh viện.

Kim cương tự nhiên
Than chì tự nhiên
Canxit
Magiezit
Đolomit
Chu Trình Carbon
Chu trình mà cacbon luân chuyển trong môi trường được gọi là chu trình cacbon. Ví dụ, thực vật lấy cacbon điôxít từ môi trường và sử dụng nó để tạo ra khối lượng sinh học. Một số trong khối lượng sinh học này được động vật ăn, ở đó một phần chúng cuối cùng lại được thải ra dưới dạng cacbon điôxít. Chu trình cacbon trong thực tế phức tạp hơn nhiều so với ví dụ nhỏ này; ví dụ, một phần cacbon điôxít bị hòa tan trong nước biển; các động thực vật chết có thể trở thành đá trầm tích v.v.