Tìm hiểu về Cacbon: Khái niệm, tính chất, cách điều chế

Cacbon là phi kim có nhiều ứng dụng trong đời sống, sản xuất với nhiều dạng hình thù. Cùng tìm hiểu chi tiết khái niệm, tính chất và ứng dụng của nguyên tố này trong bài viết tổng hợp sau của Wikihoc.

Khái niệm cacbon là gì? 

Cacbon là nguyên tố hóa học bắt nguồn từ tiếng Pháp carbone, ký hiệu hóa học là C, số nguyên tử bằng 6, nguyên tử khối bằng 12. Đây là nguyên tố phi kim có hóa trị IV phổ biến. Nguyên tố này cũng có nhiều dạng hình thù khác nhau (Theo Wikipedia).

Cacbon tồn tại chủ yếu trong mọi sự sống hữu cơ, là nền tảng của hóa học hữu cơ. Đây là loại phi kim đặc biệt, có khả năng tự liên kết với chính nó và liên kết với một loạt những nguyên tố khác, kết quả tạo ra gần 10 triệu hợp chất đã biết.  

Các dạng hình thù cơ bản của cacbon

Tìm hiểu về cacbon nhiều bạn đặt câu hỏi cacbon có những dạng thù hình nào? Các dạng thù hình của một nguyên tố hóa học được hiểu là những đơn chất khác nhau do nguyên tố đó tạo nên. Ví dụ như nguyên tố oxi có 2 dạng thù hình là oxi (O2) và ozon (O3).

Thực tế, cacbon có 3 dạng hình thù chính bao gồm: Kim cương, than chì và cacbon vô định hình (than gỗ, than đá, than xương…).

Tính chất vật lý của cacbon

Dựa vào những thông tin về các dạng hình thù của cacbon ở trên hẳn các bạn phần nào đã có thể hình dung được các tính chất của nguyên tố này. Tính chất vật lý cacbon phụ thuộc vào hình thù của nó. Ví dụ như kim cương không có khả năng dẫn điện nhưng than chì – hình thù khác của cacbon lại có khả năng dẫn điện tốt.

Cụ thể tính chất vật lý của cacbon phân loại theo từng hình thù cơ bản là:

Tính chất vật lý của kim cương

Người ta sử dụng kim cương vì những tính chất vật lý vô cùng quý của nó, đó 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 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 là vật chất cứng nhất mà người ta tìm được trong tự nhiên và có giá trị cao nhất trong hơn 3.000 mẫu khoáng vật mà con người biết đến. Đây chính là lý do mà ngành công nghiệp sử dụng kim cương đã có từ rất lâu đời.

• Độ giòn: Các nhà hóa học đánh giá 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 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 tốt nhưng kém kim loại. Than chì có tính chất lớp nên mềm, khi vạch trên giấy, chúng để lại các vệt đen gồm nhiều lớp tinh thể.

Tính chất của cacbon vô định hình

Cacbon vô định hình bao gồm nhiều loại như than gỗ, than muội, than xương… Các loại than này có tính chất vật lý chung là cấu tạo xốp, hấp thụ mạnh các chất khí và chất tan trong dung dịch.

Tính chất hóa học của cacbon

Nhìn chung, cacbon là phi kim hoạt động hóa học yếu. Tính chất hóa học quan trọng của các bon là tính khử. Một vài tính chất hóa học có nhiều ứng dụng trong thực tế của cacbon là:

Tác dụng oxi

Cacbon có thể cháy trong oxi, cacbon bị oxi hóa thành cacbon dioxit (CO2). Cacbon đóng vai trò là chất khử, phản ứng tỏa nhiều nhiệt. Chính bởi tính chất hóa học này mà cacbon được dùng làm nhiên liệu trong đời sống và sản xuất.

Phương trình phản ứng:

$\mathrm{C} + {\mathrm{O}}_2 \stackrel{\mathrm{t}°}{\to }\mathrm{CO}2$

Tác dụng với oxit kim loại

Để chứng minh tính chất hóa học này của cacbon, SGK Hóa học 9 đã trình bày chi tiết thí nghiệm trộn một ít bột đồng (II) oxit và bột than rồi cho vào đáy ống nghiệm khô và tiến hành đốt nóng.

Quan sát thấy hiện tượng thấy màu đen của hỗn hợp trong ống nghiệm chuyển dần sang màu đỏ, nước vôi trong vẩn đục. Như vậy, chúng ta có thể kết luận rằng, cacbon có thể khử CuO màu đen thành kim loại đồng màu đỏ.

Ta có phương trình phản ứng như sau:

$2\mathrm{CuO} (\mathrm{rắn} – \mathrm{đen}) + \mathrm{C} (\mathrm{rắn} – \mathrm{đen}) \stackrel{\mathrm{t}°}{\to } 2\mathrm{Cu} (\mathrm{rắn} – \mathrm{đỏ}) + {\mathrm{CO}}_2 (\mathrm{khí} – \mathrm{không} \mathrm{màu})$

Ngoài đồng (II) oxit, cacbon có khả năng khử một số oxit kim loại như: Chì (II) oxit (PbO) thành Pb, kẽm (II) oxit (ZnO) thành Zn. Đây là tính chất hóa học quan trọng của cacbon được ứng dụng để điều chế kim loại.

Xem thêm: 

• Clo là gì? Khái niệm, tính chất, ứng dụng và cách điều chế
• Nhôm là kim loại gì? Các tính chất, ứng dụng và cách sản xuất nhôm
• Muối kali nitrat (KNO3): Định nghĩa, tính chất, cách điều chế và ứng dụng

Điều chế cacbon như thế nào? 

Từng dạng hình thù của cacbon có những cách điều chế riêng: 

• Kim cương: Điều chế kim cương nhân tạo bằng cách nung than chì ở trong nhiệt độ khoảng 2.000 độ C, áp suất 50 đến 100 nghìn atmotphe, có chất xúc tác sắt, niken hoặc crom. 

• Than cốc: Nung than trong lò không có không khí, lò luyện cốc ở nhiệt độ cao khoảng 2.000 độ C. Quá trình nung sẽ làm bay hơi hoặc phân hủy các chất hữu cơ có trong than, tạo ra các sản phẩm dễ bay hơi, trong đó có cả nước, tồn tại dạng khí than và nhựa than đá. Than cốc chính là sản phẩm không bay hơi của quá trình phân hủy, cặn cacbon và khoáng chất kết dính với nhau của các hạt than ban đầu dạng chất rắn, cứng và hơi thủy tinh (Theo viện Đo lường Kiểm định và Thử nghiệm – IMIT). 

• Than chì: Điều chế than chì nhân tạo bằng cách nung than cốc trong nhiệt độ trong khoảng 2.500 – 3.000 độ C trong lò điện với điều kiện không có không khí. 

• Than gỗ: Thực hiện đốt gỗ trong điều kiện thiếu không khí. 

Ứng dụng của cacbon trong đời sống và sản xuất

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…

Các bài tập về cacbon SGK Hóa học 9 kèm lời giải

Ứng dụng những kiến thức lý thuyết về cacbon đã tìm hiểu ở trên các bạn có thể dễ dàng giải các bài tập trong sách giáo khoa Hóa học. Chăm chỉ luyện tập chắc chắn sẽ giúp các bạn hiểu và nhớ bài lâu hơn.

Bài tập 1 (SGK Hóa học 9, trang 84)

Dạng thù hình của nguyên tố là gì? Cho hai ví dụ.

Gợi ý đáp án:

Định nghĩa: Dạng thù hình của nguyên tố là những đơn chất khác nhau do cùng một nguyên tố hóa học tạo nên.

Một nguyên tố hóa học có thể tạo ra hai hay nhiều đơn chất. 

Ví dụ:

• Cacbon có ba dạng thù hình: Kim cương, than chì hay cacbon vô định hình.

• Photpho có ba dạng thù hình: Photpho trắng, photpho đỏ và photpho đen.

Bài 2(SGK Hóa học 9, trang 84)

Viết phương trình hóa học của cacbon với các oxit sau:

a) CuO; b) PbO.; c) CO2; d) FeO.

Hãy cho biết loại phản ứng: Vai trò của C trong các phản ứng, ứng dụng của các phản ứng đó trong sản xuất.

Gợi ý đáp án:

• Phương trình hóa học của phản ứng:

$2\mathrm{CuO} + \mathrm{C} \stackrel{\mathrm{t}°}{\to }2\mathrm{Cu} + {\mathrm{CO}}_2$

$2\mathrm{PbO} + \mathrm{C} \stackrel{\mathrm{t}°}{\to } 2\mathrm{Pb} + {\mathrm{CO}}_2$

${\mathrm{CO}}_2 + \mathrm{C} \stackrel{\mathrm{t}°}{\to } 2\mathrm{CO}$

$2\mathrm{FeO} + \mathrm{C} \stackrel{\mathrm{t}°}{\to }2\mathrm{Fe} + {\mathrm{CO}}_2$

Trong các phản ứng trên cacbon là chất khử.

• Ứng dụng của cacbon:

Tùy thuộc vào tính chất mỗi dạng thù hình, người ta sử dụng cacbon trong đời sống, sản xuất, kĩ thuật.

Ví dụ: Kim cương dùng làm đồ trang sức, mũi khoan, dao cắt kính; Than chì ứng dụng tronglàm điện cực, chất bôi trơn, ruột bút chì; Than đá, than gỗ được dùng làm nhiên liệu trong công nghiệp, chất khử để điều chế một số kim loại kém hoạt động.

Bài 3(SGK Hóa học 9, trang 84)

Hãy xác định công thức hóa học thích hợp của A, B, C, D trong thí nghiệm ở hình vẽ bên.

Nêu hiện tượng thí nghiệm và viết phương trình hóa học.

Gợi ý đáp án: 

Công thức hóa học thích hợp của các chất:

A là CuO; B là C (cacbon); C là CO2; D là dung dịch Ca(OH)2

Khí CO2 sinh ra làm vẩn đục nước vôi trong và tạo kết tủa CaCO3.

Phương trình hóa học của các phản ứng:

$2\mathrm{CuO} + \mathrm{C} \stackrel{\mathrm{t}°}{\to }2\mathrm{Cu} + \mathrm{CO}2$

${\mathrm{CO}}_2 + \mathrm{Ca}{\left(\mathrm{OH}\right)}_{2 }\to {\mathrm{CaCO}}_3\downarrow + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Bài 4 (SGK Hóa học 9, trang 84)

Tại sao sử dụng than để đun nấu, nung gạch ngói, nung vôi gây ô nhiễm môi trường. Hãy nêu biện pháp chống ô nhiễm môi trường và giải thích.

Gợi ý đáp án:

Sử dụng than để đun nấu, nung gạch ngói, nung vôi gây ô nhiễm môi trường vì khi đốt cháy than khiến lượng oxi giản, đồng thời sản sinh ra những khí gây độc cho con người và bầu khí quyển như CO2, CO, SO2. Để tránh ảnh hưởng xấu đến sức khỏe, người ta phải xây lò ở những khu xa dân cư, có không gian thoáng đồng thời tăng cường trồng nhiều cây xanh để chúng hấp thụ khí CO2 và nhả ra khí oxi. 

Mong rằng với những thông tin tổng hợp chia sẻ trong bài viết trên bạn đọc đã hiểu rõ về nguyên tố cacbon và những tính chất và ứng dụng của nó. Tiếp tục theo dõi website của Wikihoc để tham khảo thêm nhiều kiến thức môn học thú vị và đừng quên chia sẻ nếu thấy bài viết hữu ích bạn nhé!