Cacbon

Cacbon,  ₆C

Quang phổ vạch của Cacbon
Tính chất chung
Tên, ký hiệu	Cacbon, C
Phiên âm	/ˈkɑrbən/
Hình dạng	Có hai màu tùy vào cấu trúc phân tử là trong suốt (kim cương) và đen (than chì)
Cacbon trong bảng tuần hoàn
- ↑ C ↓ Si Bo ← Cacbon → Nitơ
Số nguyên tử	6
Khối lượng nguyên tử chuẩn	12,0107(8)
Phân loại	Phi kim
Nhóm, phân lớp	14, p
Chu kỳ	Chu kỳ 2
Cấu hình electron	1s2 2s2 2p2 or [He] 2s2 2p2
mỗi lớp	2,4
Tính chất vật lý
Màu sắc	Trong suốt hoặc đen
Trạng thái vật chất	Chất rắn
Nhiệt độ thăng hoa	3915 K ​(3642 °C, ​6588 °F)
Mật độ (gần nhiệt độ phòng)	Vô định hình: 1.8–2.1 g·cm−3 (at 0 °C, 101.325 kPa) Than chì: 2,267 g·cm−3 Kim cương: 3,515 g·cm−3
Điểm ba trạng thái	4600 K, ​10800 kPa
Nhiệt lượng nóng chảy	117 (than chì) kJ·mol−1
Nhiệt dung	8,517(than chì), 6,155(kim cương) J·mol−1·K−1
Tính chất nguyên tử
Trạng thái ôxi hóa	4, 3 , 2, 1 , 0, -1, -2, -3, -4
Độ âm điện	2,55 (Thang Pauling)
Năng lượng ion hóa	Thứ nhất: 1086,5 kJ·mol−1 Thứ hai: 2352,6 kJ·mol−1 Thứ ba: 4620,5 kJ·mol−1
Bán kính liên kết cộng hóa trị	77(sp³), 73(sp²), 69(sp) pm
Bán kính Van der Waals	170 pm
Thông tin khác
Vận tốc âm thanh	thin rod: 18350 (kim cương) m·s−1 (at 20 °C)
Độ giãn nở nhiệt	0,8 (kim cương)  µm·m−1·K−1 (at 25 °C)
Độ dẫn nhiệt	119-165 (than chì) 900-2300 (kim cương) W·m−1·K−1
Tính chất từ	Nghịch từ
Mô đun Young	1050 (kim cương)  GPa
Mô đun cắt	478 (kim cương)  GPa
Mô đun nén	442 (kim cương)  GPa
Hệ số Poisson	0,1 (kim cương)
Độ cứng theo thang Mohs	1-2 (than chì) 10 (kim cương)
Số đăng ký CAS	7440-44-0
Đồng vị ổn định nhất
iso NA Chu kỳ bán rã DM DE (MeV) DP 15 12C 98.9% 12C ổn định với 6 nơtron 13C 1.1% 13C ổn định với 7 nơtron 14C Tổng hợp 5730 năm β- 0.156 14N

Cacbon là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu là C và số nguyên tử bằng 6. Là một nguyên tố phi kim có hóa trị 4 phổ biến, cacbon có nhiều dạng thù hình khác nhau, phổ biến nhất là 3 dạng thù hình gồm cacbon vô định hình, graphit và kim cương.

Các sợi cacbon là tương tự như cacbon thủy tinh. Dưới các xử lý đặc biệt (kéo giãn các sợi hữu cơ và cacbon hóa) nó có khả năng sắp xếp các mặt tinh thể cacbon theo hướng của sợi. Vuông góc với trục của sợi không có các mặt tinh thể cacbon. Kết quả là các sợi có độ bền đặc biệt cao hơn cả thép.

Cacbon tồn tại trong mọi sự sống hữu cơ và nó là nền tảng của hóa hữu cơ. Phi kim này còn có thuộc tính hóa học đáng chú ý là có khả năng tự liên kết với nó và liên kết với một loạt các nguyên tố khác, tạo ra gần 10 triệu hợp chất đã biết. Khi liên kết với ôxy nó tạo ra cacbon điôxít là rất thiết yếu đối với sự sinh trưởng của thực vật. Khi liên kết với hiđrô, nó tạo ra một loạt các hợp chất gọi là các hiđrôcacbon là rất quan trọng đối với công nghiệp trong dạng của các nhiên liệu hóa thạch. Khi liên kết với cả ôxy và hiđrô nó có thể tạo ra rất nhiều nhóm các hợp chất bao gồm các axít béo, là cần thiết cho sự sống, và este, tạo ra hương vị của nhiều loại hoa quả.

Đồng vị cacbon-14 được sử dụng trong xác định tuổi tuyệt đối cho các mẫu vật nguồn gốc sinh vật theo phương pháp định tuổi bằng đồng vị cacbon, được ứng dụng trong khảo cổ học và nghiên cứu địa chất kỷ Đệ Tứ.

Các thuộc tính đặc trưng

Biểu đồ pha cơ bản của cacbon, chỉ ra trạng thái của vật chất đối với các mức nhiệt độ và áp suất. Phần gạch chéo là các điều kiện mà cacbon có thể ở trạng thái đa ổn định, khi đó hai pha có thể cùng tồn tại

Carbon là nguyên tố đáng chú ý vì nhiều lý do. Các dạng khác nhau của nó bao gồm một trong những chất mềm nhất (graphit) và hai trong những chất cứng nhất (graphene và kim cương) cũng như là chất bán dẫn tốt nhất, hơn cả silic (graphene). Ngoài ra, nó có ái lực lớn để tạo ra liên kết với các nguyên tử nhỏ khác, bao gồm cả các nguyên tử cacbon khác, và kích thước nhỏ của nó làm cho nó có khả năng tạo ra liên kết phức tạp. Vì các thuộc tính này, cacbon được biết đến như là nguyên tố có thể tạo ra cỡ 10 triệu loại hợp chất khác nhau, chiếm phần lớn trong các hợp chất hóa học. Các hợp chất của cacbon tạo ra nền tảng cho mọi loại hình sự sống trên Trái Đất và chu trình cacbon-nitơ dự trữ và tái cung cấp một số năng lượng được sản sinh từ Mặt Trời và các ngôi sao.

Cacbon cũng có điểm thăng hoa cao nhất trong tất cả các nguyên tố. Trong điều kiện áp suất khí quyển nó không có điểm nóng chảy vì điểm ba trạng thái của nó ở tại 10,8 ± 0,2 MPa và 4.600 ± 300 K (~4.330 °C hay 7.820 °F), do đó nhiệt độ thăng hoa của nó trong trường hợp này vào khoảng 3.900 K.

Các thù hình

Các thù hình của cacbon là khác nhau về cấu trúc mạng nguyên tử mà các nguyên tử tinh khiết có thể tạo ra. 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 fullerene, cacbon ống nano và lonsdaleit. Muội đèn bao gồm các bề mặt dạng graphit nhỏ. Các bề mặt này phân bổ ngẫu nhiên, vì thế cấu trúc tổng thể là đẳng hướng. Cacbon thủy tinh là đẳng hướng và có tỷ lệ độ xốp cao. Không giống như graphit thông thường, các lớp graphit không xếp lên nhau giống như các trang sách, mà chúng có sự sắp xếp ngẫu nhiên.

Ở dạng vô định hình, cacbon chủ yếu có cấu trúc tinh thể của graphit nhưng không liên kết lại trong dạng tinh thể lớn. Trái lại, chúng chủ yếu nằm ở dạng bột và là thành phần chính của than, muội, bồ hóng, nhọ nồi và than hoạt tính.

Ở áp suất bình thường cacbon có dạng của graphit, trong đó mỗi nguyên tử liên kết với 3 nguyên tử khác trong mặt phẳng tạo ra các vòng lục giác, giống như các vòng trong các hiđrôcacbon thơm. Có hai dạng của graphit đã biết, là alpha (lục giác) và beta (rhombohedral), cả hai có các thuộc tính vật lý giống nhau, ngoại trừ về cấu trúc tinh thể. Các loại graphit có nguồn gốc tự nhiên có thể chứa tới 30% dạng beta, trong khi graphit tổng hợp chỉ có dạng alpha. Dạng alpha có thể chuyển thành dạng beta thông qua xử lý cơ học và dạng beta chuyển ngược thành dạng alpha khi bị nung nóng trên 1000 °C.

Vì sự phi tập trung hóa của các đám mây pi, graphit có tính dẫn điện. Vật liệu vì thế là mềm và các lớp, thường xuyên bị tách ra bởi các nguyên tử khác, được giữ cùng nhau chỉ bằng các lực van der Waals, vì thế chúng dễ dàng trượt trên nhau.

Ở áp suất cực kỳ cao các nguyên tử cacbon tạo thành thù hình gọi là kim cương, trong đó mỗi nguyên tử được liên kết với 4 nguyên tử khác. Kim cương có cấu trúc lập phương như silic và gecmani và vì độ bền của các liên kết cacbon-cacbon, cùng với chất đẳng điện nitrua bo (BN) là những chất cứng nhất trong việc chống lại sự mài mòn. Sự chuyển hóa thành graphit ở nhiệt độ phòng là rất chậm và khong thể nhận thấy. Dưới các điều kiện khác, cacbon kết tinh như là Lonsdaleit, một dạng giống như kim cương nhưng có cấu trúc lục giác.

Các fulleren có cấu trúc giống như graphit, nhưng thay vì có cấu trúc lục giác thuần túy, chúng có thể chứa 5 (hay 7) nguyên tử cacbon, nó uốn cong các lớp thành các dạng hình cầu, elip hay hình trụ. Các thuộc tính của các fulleren vẫn chưa được phân tích đầy đủ. Tất cả các tên gọi của các fulleren lấy theo tên gọi của Buckminster Fuller, nhà phát triển của kiến trúc mái vòm, nó bắt chước cấu trúc của các "buckyball".

Sự phổ biến

Cacbon là nguyên tố phổ biến thứ 4 trong vũ trụ về khối lượng sau hydro, heli, và ôxy. Cacbon có rất nhiều trong Mặt Trời, các ngôi sao, sao chổi và bầu khí quyển của phần lớn các hành tinh. Một số thiên thạch chứa các kim cương vi tinh thể, loại được hình thành khi hệ Mặt Trời vẫn còn là một đĩa tiền hành tinh. Các kim cương vi tinh thể này có thể đã được tạo ra bằng áp lực rất mạnh và nhiệt độ cao tại những nơi mà thiên thạch đó va chạm.

Có khoảng 10 triệu hợp chất khác nhau của cacbon mà khoa học đã biết và hàng nghìn trong số đó là tối quan trọng cho các quá trình của sự sống và cho các phản ứng trên cơ sở hữu cơ rất quan trọng về kinh tế. Trong tổ hợp với các nguyên tố khác, cacbon được tìm thấy trong bầu khí quyển Trái Đất và hòa tan trong mọi thực thể có chứa nước. Với một lượng nhỏ hơn của canxi, magiê và sắt, nó tạo ra thành phần chủ yếu của một lượng rất lớn đá cacbonat (đá vôi, đôlômit, đá cẩm thạch v.v.). Khi tổ hợp với hiđrô, cacbon tạo thành than, dầu mỏ và khí tự nhiên, còn được gọi là các hiđrôcacbon.

Graphit được tìm thấy với một số lượng lớn ở các bang New York và Texas (Mỹ); Nga; Mexico; Greenland và Ấn Độ.

Kim cương tự nhiên có trong khoáng chất kimberlit tìm thấy trong các "cổ" hay "ống" núi lửa cổ đại. Phần lớn các mỏ kim cương nằm ở châu Phi, chủ yếu là Nam Phi, Namibia, Botswana, Cộng hòa Congo và Sierra Leone. Cũng có các mỏ ở Arkansas, Canada, vùng Bắc cực nước Nga, Brasil và ở miền bắc và tây nước Úc.

Chu trình cacbon

Bài chính: Chu trình cacbon

Trong những điều kiện của Trái Đất, sự chuyển hóa từ một đồng vị sang một đồng vị khác là rất hiếm. Vì thế, đối với các mục đích thực tiễn, khối lượng của cacbon trên Trái Đất có thể coi là một hằng số. Vì vậy các quá trình sử dụng cacbon phải thu nhận nó từ một nơi nào đó và giải phóng nó ở một nơi nào khác. 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.

Đồng vị

Cacbon có 2 đồng vị ổn định, có nguồn gốc tự nhiên: cacbon-12, hay ¹²C, (98,89%) và cacbon-13, hay ¹³C, (1,11%), Năm 1961, Liên đoàn Quốc tế về Hoá học Thuần túy và Ứng dụng (IUPAC) đã chấp nhận đồng vị cacbon-12 làm cơ sở để đo khối lượng nguyên tử.

Một đồng vị không ổn định, cũng có nguồn gốc tự nhiên là đồng vị phóng xạ cacbon-14 hay ¹⁴C. Đồng vị ¹⁴C phát sinh do sự tương tác của neutron ¹n trong bức xạ vũ trụ với nitơ ¹⁴N trong khí quyển. Nó được thực vật hấp thụ bằng quá trình quang hợp như với mọi đồng vị carbon khác, và lan truyền vào mọi cơ thể sống theo chuỗi thức ăn. Khi sinh vật chết chúng lắng đọng trong các tầng đất, đặc biệt trong than bùn và các vật liệu hữu cơ khác. Đồng vị này phân rã bằng cách phát xạ hạt β⁻ có năng lượng 0,158 MeV. Do chu kỳ bán rã có 5730 năm, ¹⁴C hầu như không có mặt trong các đá cổ, Sự phong phú của ¹⁴C trong khí quyển và trong các cơ thể sống là một hằng số, nhưng chúng sẽ giảm sau khi sinh vật đó chết đi, và tỷ số đồng vị ¹⁴C/¹²C nói lên quãng thời gian chết của chúng. Nguyên tắc này được sử dụng trong phương pháp định tuổi bằng đồng vị cacbon cho mẫu vật, được Willard Libby phát minh năm 1949, và nay được sử dụng rộng rãi để xác định tuổi của các mẫu vật chứa cacbon với giới hạn lên đến khoảng 60.000 năm và được ứng dụng chủ yếu trong khảo cổ học.

Tỷ số đồng vị ¹³C/¹²C trong trầm tích cổ được sử dụng để nghiên cứu cổ khí hậu (Paleoclimate). Nó dựa trên hiện tượng thực vật thực hiện quang hợp với ¹²C dễ hơn. Do đó những sinh vật phù du ở biển như benthic foraminifera khi phát triển mạnh thì làm lệch tỷ số đồng vị. Nếu các tầng nước đại dương không bị đối lưu pha trộn, thì sự lệch tỷ số này xảy ra trong thời gian dài, và dấu hiệu này được lưu giữ trong các tầng trầm tích biển. (Lynch-Stieglitz et al., 1995)

Tổng số đồng vị carbon là 15, từ ⁸C đến ²²C, trong đó 12 đồng vị là nhân tạo. Đồng vị có tuổi ngắn nhất là ⁸C, nó phân rã theo bức xạ proton và phân rã alpha, có chu kỳ bán rã là 1,98739x10⁻²¹ s. Đồng vị kích thích ¹⁹C thể hiện tính chất của một hạt nhân halo, tức là bán kính của nó có thể lớn hơn đáng kể so với bán kính dự đoán nếu hạt nhân nguyên tử là một khối hình cầu có tỷ trọng không đổi.

Hình thành trong các ngôi sao

Cacbon đã không được tạo ra trong Vụ Nổ Lớn (The Big Bang) vì thiếu các yếu tố cần thiết cho sự va chạm ba của các hạt alpha (hạt nhân heli) để sản xuất nó. Vũ trụ đầu tiên được mở rộng ra và bị làm nguội quá nhanh để điều này có thể xảy ra. Tuy nhiên, nó được sản xuất trong tâm của các ngôi sao trong nhánh ngang, ở đó các ngôi sao chuyển hóa nhân heli thành cacbon bằng các cách thức của quy trình ba-alpha. Nó cũng đã được tạo ra trong các trạng thái nguyên tử phức tạp.

Chu trình cacbon

Sơ đồ chu trình cacbon.

Trong các điều kiện trên Trái Đất, sự chuyển biến từ một nguyên tố này thành một nguyên tố khác là rất hiếm. Dù vậy, hàm lượng cacbon trên Trái Đất là không đổi. Do đó, các quá trình sử dụng cacbon phải tiêu thụ nó ở một nơi và thải ra ở một nơi khác. Những cách mà cacbon di chuyển trong môi trường tạo thành một chu trình gọi là chu trình cacbon. Một phần của sinh khối này được độn vật tiêu thụ, trong khi một lượng cacbon được động vật thảy ra ở dạng cacbon đi-ô-xít. Chu trình cacbon được xem là phức tạp hơn vòng tuần hoàn ngắn này; ví dụ như cacbon điôxít bị hòa tan trong các đại dương; thực vật chất hoặc xác động vật có thể hình thành nên dầu mỏ hoặc than, nếu đốt chúng sẽ thải ra cacbon.

Ứng dụng

Cacbon là các thành phần thiết yếu cho mọi sự sống đã biết, và không có nó thì sự sống mà chúng ta đã biết không thể tồn tại (Xem Sự sống phi cacbon). Việc sử dụng kinh tế chủ yếu của cacbon là trong dạng các hiđrôcacbon, chủ yếu là các nhiên liệu hóa thạch như than, khí mêtan và dầu mỏ (xăng dầu). Dầu mỏ được sử dụng trong công nghiệp hóa dầu để sản xuất ra các sản phẩm như xăng và dầu hỏa, thông qua các quy trình chưng cất trong lọc dầu. Dầu mỏ cũng là nguồn nguyên liệu cho nhiều chất hữu cơ tổng hợp khác, rất nhiều trong số chúng gọi chung là các chất dẻo (plastic).

Các ứng dụng khác

• Đồng vị Cacbon-14 được phát hiện vào ngày 27 tháng 2 năm 1940 và được sử dụng trong định tuổi bằng đồng vị phóng xạ.
• Một số các thiết bị phát hiện sử dụng một lượng nhỏ đồng vị phóng xạ của cacbon làm nguồn bức xạ ion hóa (Phần lớn các thiết bị như thế sử dụng đồng vị của Americi)
• Graphit kết hợp với đất sét để tạo ra 'chì' sử dụng trong các loại bút chì.
• Kim cương được sử dụng vào mục đích trang sức hay trong các mũi khoan và các ứng dụng khác đòi hỏi độ cứng cao của nó.
• Cacbon được thêm vào quặng sắt để sản xuất gang và thép.
• Cacbon dưới dạng than chì được sử dụng như là các thanh điều tiết nơtron trong các lò phản ứng hạt nhân.
• Graphit cacbon trong dạng bột, bánh được sử dụng như là than để đun nấu, bột màu trong mỹ thuật và các sử dụng khác.
• Than hoạt tính được sử dụng trong y tế trong dạng bột hay viên thuốc để hấp thụ các chất độc từ hệ thống tiêu hóa hay trong các thiết bị thở.

Các thuộc tính hóa học và cấu trúc của các fulleren, trong dạng các cacbon ống nano, có ứng dụng đầy hứa hẹn trong các lĩnh vực mới phát sinh của công nghệ nano.

Lịch sử

Ít ai nghĩ sợi carbon (Carbon fiber – CF) được sáng chế vào năm 1879 bởi Thomas Edison và được coi là loại sợi tổng hợp cổ nhất của loài người, lại có giá trị lớn lao đến thế đối với sự phát triển khoa học kỹ thuật hiện đại. Ban đầu, nhà phát minh này đã sử dụng sợi carbon làm dây tóc của bóng đèn. Mặc dù lúc đó sợi sợi carbon không giống như sợi carbon ngày nay, nhưng chúng lại có sức chịu đựng đáng kể với nhiệt độ, điều này khiến cho sợi carbon trở thành ý tưởng không tồi cho các loại sợi dẫn điện.

Edison chế tạo sợi carbon dựa trên chất xenluloza gồm có cotton hoặc tre, hoàn toàn không giống như sợi carbon ngày nay làm từ dầu mỏ. Sự carbon hóa 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 đã mất 40 giờ đốt cháy liên tục vật chất trên nhằm loại bỏ oxy, nitơ, hydro và chỉ giữ lại carbon để tạo ra những sợi carbon đầu tiên trên thế giới. Phương pháp chế tạo trên 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.

Sản xuất

Than chì

Các mỏ than chì tự nhiên có giá trị thương mại xuất hiện nhiều nơi trên thế giới, nhưng các nguồn quan trọng nhất có giá trị kinh tế tập trung ở Trung Quốc, Ấn Độ, Brazil và Bắc Hàn. Các mỏ than chì có nguồn gốc biến chất, được tìm thấy cùng với thạch anh, mica và feldspar trong các đá phiến, gneiss và cát kết và đá vôi bị biến chất ở dạng thấu kính hoặc mạch, đôi khi có bề dày một mét hoặc lớn hơn. Các mỏ than chì ở Borrowdale, Cumberland, Anh đầu tiên có kích thước và độ tinh khiết (cho đến thế kỷ 19) đủ để làm các cây bút chì bằng cách đơn giản là cưa chúng thành các que và lấp vỏ gỗ vào. Ngày nay, các mỏ than chì nhỏ hơn được khai thác bằng cách nghiền đá gốc và dùng phương pháp tuyển nổi để lấy than chì nhẹ hơn nổi trên mặt.

Có 3 loại than chì tự nhiên gồm: vô định hình, than chì lớp, và mạch. Than chì vô định hình có chất lượng thấp và phổ biến nhất. Khác với khoa học, trong công nghiệp "vô định hình" ở đây đê cập đến kích thước tinh thể rất nhỏ thay vì không có một cấu trúc tinh thể rõ ràng. Dạng vô định hình được sử dụng cho các sản phẩm than chì có giá trị thấp và là than chì có giá thấp nhất. Một lượng lớn các mỏ than chì vô định hình được phát hiện ở Trung Quốc, châu Âu, Mexico và Hoa Kỳ. Than chì Flake ít phổ biến hơn và có chất lượng cao hơn dạng vô định hình; nó có mặt ở dạng các tấm tách biệt được kết tinh trong đá biến chất. Than chì Flake có thể đắt gấp 4 lần dạng vô định hình. Flake chất lượng tốt có thể được xử lý thành than chì có thể giãn nở được dùng cho nhiều mục đích khác nhau như chất chống cháy. Các mỏ quan trọng nhất của dạng này được tìm thấy ở Áo, Brazil, Canada, Trung Quốc, Đức và Madagascar. Than chì dạng mạch là hiếm nhất, có giá trị nhất, và là loại than chì tự nhiên có chất lượng cao nhất. Nó xuất hiện ở các dạng mạch dọch theo các nơi tiếp xúc với đá xâm nhập, và loại thương mại được khai thác chỉ có tại Sri Lanka.

Theo USGS, sản lượng than chì tự nhiên trên thế giới là 1,1 triệu tấn năm 2010, trong đó Trung Quốc là 800.00 tấn, Ấn Độ 130.000 tấn, Brazil 76.000 tấn, Bắc Hàn 30.000 tấn và Canada 25.000 tấn. Than chì không có nguồn gốc tự nhiên đã được khai thác ở Hoa Kỳ, nhưng 118.000 tấn than chì tổng hợp có giá trị khoảng 998 triệu USD đã được sản xuất năm 2009.

Các hợp chất

Hợp chất vô cơ

Các hợp chất chứa cacbon phổ biến liên quan đến các khoáng vật hoặc không chứa hydro hoặc flo được xem là một nhóm các hợp chất vô cơ riêng biệt; tuy nhiên định nghĩa này là không cứng nhắc. Ôxít nổi tiếng nhất của cacbon là cacbon điôxít, CO₂. Nó là thành phần nhỏ của Khí quyển Trái Đất, được sử dụng và sản sinh ra bởi các thực thể sống, và nó có mặt ở mọi nơi. Trong nước nó tạo thành một lượng nhỏ axít cacbonic, H₂CO₃, nhưng giống như phần lớn các hợp chất với nhiều liên kết của các đơn nguyên tử ôxy trên một nguyên tử cacbon duy nhất là không bền. Thông qua trung gian này, các ion cacbonat ổn định hơn được tạo ra. Một số khoáng chất quan trọng là các cacbonat, nổi tiếng nhất là canxít. Cacbon đisulfua, CS₂, là tương tự.

Các ôxít khác là cacbon mônôxít, CO và cacbon subôxít không phổ biến lắm, C₃O₂. Cacbon mônôxít được tạo ra do sự cháy không hết, và nó là chất khí không màu, không mùi. Các phân tử đều có liên kết ba và là phân cực thật sự, kết quả là chúng có xu hướng liên kết vĩnh cửu với các phân tử hemoglobin, vì thế khí này là một khí rất độc. Xyanua, CN^-, có cấu trúc tương tự và có các tính chất rất giống với các ion halua; nitrua xyanogen, (CN)₂, là tương tự. Ví dụ, nó có thể tạo thành phân tử cyanogen nitrit (CN)₂), tương tự như halua 2 nguyên tử. Cá ôxít không phổ biến khác như cacbon suboxide (C₃O₂), dicacbon monoxit không bền (C₂O), cacbon trioxit (CO₃), cyclopentanepenton (C₅O₅) cyclohexanehexon (C₆O₆), và mellitic anhydrit (C₁₂O₉).

Khi phản ứng với các kim loại như tungsten, cacbon tạo thành các carbua (C^4–), hoặc acetylua (C₂2-) từ đó tạo ra các hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao. các anion này cũng kết hợp với metan và acetylen, cả hai đều là các axít rất yếu. Với độ âm điện 2,5, cacbon tạo nên các liên kết cộng hóa trị. Một vài cacbua có các ô mạng cộng hóa trị, giống như Cacborunđum (SiC), có cấu trúc tương tự kim cương.

Hợp chất với kim loại

Với các kim loại mạnh cacbon tạo ra hoặc là các cacbua, C^-, hoặc các axetylua, C₂^2-; các ion này có liên quan với mêtan và axetylen, cả hai đều là các axít rất yếu. Trên tất cả, với độ điện âm 2,55, cacbon có xu hướng tạo ra các liên kết cộng hóa trị. Một số cacbua là các lưới cộng hóa trị, giống như cacborundum, SiC, là chất giống với kim cương.

Mạch cacbon

Các hiđrôcacbon là một mạch của các nguyên tử cacbon, được bão hòa bởi các nguyên tử hiđrô. Các loại xăng dầu có mạch cacbon ngắn. Các chất béo có mạch cacbon dài hơn, và các loại sáp có mạch cacbon cực dài.

Cảnh báo

Cacbon tương đối an toàn. Tuy nhiên, việc hít thở vào một lượng khói lớn chứa thuần túy bồ hóng có thể gây nguy hiểm. Cacbon có thể bắt lửa ở nhiệt độ cao và cháy rất mãnh liệt (như trong Vụ cháy Windscale).

Có nhiều hợp chất của cacbon là những chất độc chết người như các (xyanua, CN^-), hay cacbon mônôxít, CO và một số các chất có nguồn gốc tự nhiên hay tổng hợp khác.

Điều chế

Cách để điều chế cacbon là dùng kim loại mạnh là nhôm hoặc ma-giê để khử một hợp chất oxit cacbon bất kì thành cacbon. Ví dụ:

2Al + 3CO → Al₂O₃ + 3C

2Mg + CO₂ → 2MgO + C

Sau đó cho hỗn hợp vào một dung dịch axit (không có tính ôxi hóa mạnh) như HCl, H₂SO₄ loãng để hòa tan Al₂O₃ hoặc MgO, còn lại cacbon không tan, ta lọc cacbon ra khỏi dung dịch. Ngoài ra có thể điều chế cacbon theo các phương trình sau nhưng hiệu suất không cao do khí hiđro rất dễ bay lên:

CO + H₂ ↔ C + H₂O (Nhiệt độ khoảng 1050 độ C)

CO + 3H₂ → CH₄↑ + H₂O (Chất xúc tác: Niken, 250 độ C)

CO₂ + 4H₂ → CH₄↑ + 2H₂O (Xúc tác, nhiệt độ cao, áp suất cao)

CH₄ → C + 2H₂↑ (Nhiệt độ trên 1000 độ C)^{[cần dẫn nguồn]}

Tham khảo

• On Graphite Transformations at High Temperature and Pressure Induced by Absorption of the LHC Beam, J.M. Zazula, 1997
• WebElements.com and EnvironmentalChemistry.com per the guidelines at Wikipedia's WikiProject Elements

Xem thêm

• Hóa hữu cơ
• Hóa vô cơ của cacbon
• Các thù hình của cacbon
• Kim cương
  • Các thuộc tính của kim cương

Liên kết ngoài

• Los Alamos National Laboratory – Carbon
• Nature articleNature article
• WebElements.com – Carbon
• EnvironmentalChemistry.com – Carbon
• It's Elemental – Carbon
• – Carbon Fullerene and other Allotropes models by Vincent Herr
• Extensive Carbon page at asu.edu