Cacbon là một phi kim có nhiều ứng dụng trong đời sống hàng ngày, sản xuất được với nhiều dạng hình thù khác nhau? Vậy nguyên tố cacbon là gì? Tính chất vật lý, tính chất hóa học, hay ứng dụng cũng như điều chế nguyên tố cacbon trong phòng thí nghiệm, trong cuộc sống hàng ngày như thế nào? Để giải đáp được những thắc mắc trên hãy cùng NGONAZ tìm hiểu ngay bài viết dưới đây nhé!
Nguyên tố cacbon là gì?
Cacbon chính là nguyên tố hóa học bắt nguồn từ tiếng Pháp carbone, có ký hiệu hóa học là C. Đây là nguyên tố phi kim có hóa trị IV phổ biến. Nguyên tố này cũng có rất nhiều dạng hình thù khác nhau
Cacbon tồn tại chủ yếu trong mọi sự sống hữu cơ, là nền tảng của nền hóa học hữu cơ. Đây là một loại phi kim đặc biệt, có khả năng tự liên kết với chính nó và có thể liên kết với một loạt những nguyên tố khác, kết quả tạo ra được gần 10 triệu hợp chất đã biết.
- Cacbon là một phi kim
- Kí hiệu: C
- Cấu hình electron: 1s22s22p2
- Số hiệu nguyên tử: Z = 6
- Khối lượng nguyên tử: 12
Vị trí trong bảng tuần hoàn
- Ô, nhóm: ô số 6, nhóm IVA
- Chu kì: 2
- Đồng vị: Cacbon có 2 đồng vị bền là 126C và 136C
- Độ âm điện: 2,55
Lịch sử của nguyên tố cacbon
Ít ai nghĩ sợi carbon (Carbon fiber – CF) đã được sáng chế vào năm 1879 bởi Thomas Edison và được coi là một loại sợi tổng hợp cổ nhất của loài người, lại mang giá trị lớn lao đến thế đối với sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại. Ban đầu, nhà phát minh này đã sử dụng sợi carbon để làm dây tóc của bóng đèn. Mặc dù lúc đó sợi carbon không giống như sợi carbon ngày nay, nhưng chúng lại có một sức chịu đựng đáng kể với nhiệt độ, điều này cũng khiến cho sợi carbon trở thànhmột ý tưởng không tồi cho các loại sợi dẫn điện.
Edison là người đã chế tạo được sợi carbon dựa trên chất cellulose gồm có cotton hoặc tre, hoàn toàn không giống như với sợi carbon ngày nay được làm từ dầu mỏ. Sự carbon hóa thường được tiến hành từ việc đốt cháy các sợi tre ở nhiệt độ cao trong môi trường tiêu chuẩn dưới sự kiểm soát chặt chẽ. Thomas Edison cũng đã mất 40 giờ đốt cháy liên tục vật chất trên nhằm loại bỏ oxy, nitơ, hydro và chỉ để giữ lại carbon để tạo ra được những sợi carbon đầu tiên trên thế giới. Phương pháp chế tạo này được gọi là “nhiệt phân” và vẫn được dùng trong thời đại ngày nay. Kết quả là những sợi tre được “carbon hóa” có khả năng chịu lửa và nhiệt độ cao – điều kiện cần thiết cho sự cháy sáng của dây tóc bóng đèn.
Về sau, đến tận những năm 1950 khả năng kéo giãn của sợi carbon mới được khám phá. Người đầu tiên được cho là tạo ra sợi carbon ngày nay có tên là Rayon. Ngày nay, sợi carbon hiện đại được sản xuất bởi một vật liệu có tên là polyacrylonitrile (PAN), đây cũng là nguyên liệu được sử dụng để sản xuất hầu hết khối lượng sợi carbon hiện tại.
Tính chất vật lý của cacbon
Tính chất vật lý cacbon còn phụ thuộc vào hình thù của nó. Ví dụ như kim cương thì không có khả năng dẫn điện nhưng than chì – hình thù khác của cacbon lại có được khả năng dẫn điện tốt.
Cụ thể tính chất vật lý của cacbon phân loại theo từng hình thù cơ bản mà chúng mang là:
Tính chất vật lý của kim cương
Người ta thường sử dụng kim cương vì những tính chất vật lý vô cùng quý của nó, đó chính là độ cứng cao, màu sắc đẹp. Một số tính chất cơ bản của dạng hình thù cacbon này là:
Cấu trúc tinh thể: Tinh thể có cấu trúc lập phương nên có tính đối xứng cao, chứa những nguyên tử cacbon ở bậc 4 bởi vậy mà nó có rất nhiều tính chất riêng. Khối lượng riêng của kim cương là 3.50 g/cm3.
Độ cứng: Kim cương chính là vật chất cứng nhất mà người ta thường tìm được trong tự nhiên và có giá trị cao nhất nằm trong hơn 3.000 mẫu khoáng vật mà con người biết đến. Đây cũng chính là lý do mà ngành công nghiệp đã sử dụng kim cương đã có từ rất lâu đời.
Độ giòn: Các nhà hóa học đánh giá về độ giòn (khả năng vỡ của vật liệu) của kim cương ở mức trung bình khá đến tốt.
Màu sắc: Màu sắc của kim cương cũng rất đa dạng, từ không màu, màu xanh dương, màu xanh lá cây, màu đỏ, màu hồng, vàng hay cả kim cương màu đen.
Tính chất vật lý của than chì
Than chì có màu xám đen, dẫn điện khá tốt nhưng kém kim loại. Than chì thường có tính chất lớp nên mềm, khi vạch trên giấy, chúng để lại các vệt đen bao gồm nhiều lớp tinh thể.
Tính chất của cacbon vô định hình
Cacbon vô định hình sẽ bao gồm nhiều loại như than gỗ, than muội, than xương… Các loại than này cũng có tính chất vật lý chung là một cấu tạo xốp, hấp thụ mạnh các chất khí và chất tan trong dung dịch.
Tính chất hóa học của cacbon
– Độ hoạt động hóa học: kim cương < than chì < cacbon vô định hình
– C chính là chất vừa có tính khử, vừa có tính oxi hóa
Khử oxi
Cacbon khử oxi khi đun nóng:
Ở nhiệt độ cao:
Khử oxit kim loại
– C khử oxit kim loại yếu, trung bình (ZnO → CuO)
2ZnO + C 2Zn + CO2
2CuO + C 2Cu + CO2
– C khử được một số oxit kim loại mạnh
2CuO + C 2Cu + CO2
Khử nước
C + H2O CO2 + H 2 ↑
CO2 + C 2CO
Khử một số hợp chất có tính oxi hóa mạnh
Điều chế Cacbon
Từng dạng hình thù của cacbon cũng sẽ có những cách điều chế riêng:
Kim cương: Điều chế kim cương nhân tạo bằng cách nung nóng than chì ở trong nhiệt độ khoảng 2.000 độ C, áp suất từ 50 đến 100 nghìn atmotphe, có chất xúc tác là sắt, niken hoặc crom.
Than cốc: Nung than ở trong lò không có không khí, lò luyện cốc ở nhiệt độ cao tầm khoảng 2.000 độ C. Quá trình nung cũng sẽ làm bay hơi hoặc phân hủy được các chất hữu cơ có trong than, tạo ra các sản phẩm dễ bay hơi, trong đó có cả nước, tồn tại ở dạng khí than và nhựa than đá. Than cốc cũng chính là sản phẩm không bay hơi của quá trình phân hủy, cặn của cacbon và khoáng chất kết dính với nhau của các hạt than ban đầu dạng chất rắn, cứng và hơi thủy tinh
Than chì: Điều chế than chì nhân tạo bằng cách nung than cốc ở trong nhiệt độ trong khoảng 2.500 – 3.000 độ C trong lò điện cùng với điều kiện không có không khí.
Than gỗ: Thực hiện đốt gỗ trong điều kiện thiếu không khí.
Ứng dụng của cacbon
CH4 Tính chất hóa học của Cacbon (C) | Tính chất vật lí, nhận biết, điều chế, ứng dụng Than muội (C) + 2H2
Gỗ Tính chất hóa học của Cacbon (C) | Tính chất vật lí, nhận biết, điều chế, ứng dụng Than gỗ (C)Tùy thuộc vào tính chất mỗi dạng hình thù của cacbon mà chúng có những ứng dụng khác nhau trong đời sống, sản xuất hay kỹ thuật. Một số ứng dụng phổ biến nhất theo từng dạng hình thù của cacbon là:
Kim cương: Được dùng làm đồ trang sức quý hiếm, mũi khoan, mũi cưa, dao cắt kính… Kim cưỡng cũng được ứng dụng trong tản nhiệt ở các thiết bị điện tử.
Than chì: Ứng dụng rất nhiều trong sản xuất thép, các vật liệu composite, các loại vật liệu có khả năng chịu lửa. Than chì cũng được ứng dụng trong chế tạo các cực của đèn hồ quang, acquy, điện cực của pin, chất bôi trơn…
Cacbon vô định hình: Mỗi loại cacbon vô định hình có những ứng dụng nhất định. Ví dụ như than hoạt tính được sử dụng để làm mặt nạ phòng hơi độc, chất khử mùi, khử màu; Than đá hay than gỗ được ứng dụng làm chất đốt trong công nghiệp, chất khử để điều chế một số kim loại…
Lời kết
Với những thông tin bổ ích trên mà chúng tôi đưa ra hi vọng sẽ giúp các bạn có đam mê với hóa học sẽ hiểu hơn về nguyên tố cacbon cũng như tính chất vật lý, tính chất hóa học, ứng dụng hay cách điều chế khí cacbon trong đời sống. Bên cạnh đó, để hiểu rõ hơn về 118 các nguyên tố hóa học tại đây nhé.
