Carbon

I. Vị trí, cấu hình electron nguyên tử và tính chất vật lý của carbon

1. Vị trí, cấu hình electron nguyên tử carbon

- C (Z = 6): 1s²2s²2p²  => C ở ô thứ 6, chu kì 2, nhóm IV của bảng tuần hoàn.

- Carbon có 4 e lớp ngoài cùng có thể tạo được tối đa 4 liên kết cộng hóa trị.

2. Tính chất vật lý của carbon

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

- Các loại than từ than gỗ, than xương, than muội,... được gọi chung là carbon vô định hình. Than gỗ, than xương có cấu tạo xốp nên chúng có khả năng hấp phụ mạnh các chất khí và chất tan trong dung dịch.

II. Carbon là chất khử

- 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.

1. Tác dụng với oxygen

- Carbon cháy trong không khí, phản ứng tỏa nhiều nhiệt:             

\(\mathop C\limits^0 \,\, + \,\,{O_2}\xrightarrow{{{t^0}}}\,\,\mathop C\limits^{ + 4} {O_2}\)

- Carbon khử được CO₂ ở nhiệt độ cao:

\(\mathop C\limits^0 \,\, + \,\mathop C\limits^{ + 4} {O_2}\,\xrightarrow{{{t^0}}}\,\,2\mathop C\limits^{ + 2} O\)

2. Tác dụng với oxide kim loại

C khử được oxide của các kim loại đứng sau Al trong dãy hoạt động hóa học của kim loại:

\(CuO  +  \mathop C\limits^0 \;\,\,\xrightarrow{{{t^0}}}\;\,\,Cu  +  \,\mathop C\limits^{ + 2} O\)

\(F{e_2}{O_3}  +  \mathop {3C}\limits^0 \;\,\,\xrightarrow{{{t^0}}}\;\,\,2Fe  +  \,3\mathop C\limits^{ + 2} O\)

3. Tác dụng với các chất oxi hóa mạnh (H₂SO₄ đặc, HNO₃, KNO₃, KClO₃, K₂Cr₂O₇...)

- Trong các phản ứng này, C bị oxi hóa đến mức \(\mathop C\limits^{ + 4} {O_2}\)

Ví dụ:

\(\mathop C\limits^0 \,\, + \,2{H_2}S{O_4}{\;_{{\text{đặc}}}}\;\,\xrightarrow{{{t^0}}}\,\,\mathop C\limits^{ + 4} {O_2} + 2S{O_2} + 2{H_2}O\)

\(\mathop C\limits^0 \,\, + \,4HN{O_3}{\;_{{\text{đặc}}}}\;\,\xrightarrow{{{t^0}}}\,\,\mathop C\limits^{ + 4} {O_2} + 4N{O_2} + 2{H_2}O\)

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

\(\mathop C\limits^0 \,\, + \,{H_2}O\;\,\xrightarrow{{{t^0}(100{0^0}C)}}\,\,\mathop C\limits^{ + 2} O + {H_2}\)

\(\mathop C\limits^0 \,\, + \,2{H_2}O\;\,\xrightarrow{{{t^0}}}\,\,\mathop C\limits^{ + 4} {O_2} + 2{H_2}\)

III. Carbon là chất oxi hóa

1. Tác dụng với hydrogen

Ở nhiệt độ cao và có mặt chất xúc tác, C tác dụng với H₂ tạo thành CH₄:

C + 2H₂ \(\xrightarrow{{xt,\,{t^0}}}\) CH₄

2. Tác dụng với kim loại 

Ở nhiệt độ cao, C tác dụng với một số kim loại tạo thành carbide kim loại

Ví dụ:                      

4Al + 3C \(\xrightarrow{{{t^0}}}\) Al₄C₃ (Aluminum carbide)

Ca + 2C \(\xrightarrow{{{t^0}}}\)CaC₂ (Calcium carbide)

IV. Ứng dụng của carbon

- 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.

V. Trạng thái tự nhiên của carbon

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

- Carbon còn có trong các khoáng vật như calcite (đá vôi, đá hoa, đá phấn đều chứa CaCO₃), magnesite (MgCO₃), dolomite (CaCO₃.MgCO₃). Dầu mỏ, khí thiên nhiên là hỗn hợp của các chất khác nhau chứa carbon. Cơ thể động thực vật cũng chứa nhiều hợp chất của carbon.