1. Cacbon là gì?

Cacbon là nhân tố phổ thông thứ 4 trong vũ trụ về mặt tổng khối lượng sau hidro, heli, và oxy. Cacbon có rất nhiều trong Mặt Trời, các vì sao, sao chổi và trong bầu khí quyển của phần lớn các hành tinh.

Cacbon là một loại nhân tố hóa học nằm trong bảng tuần hoàn được ký hiệu là C với số nguyên tử bằng 6, nguyên tử khối bằng 12. Là một nhân tố phi kim có hóa trị 4 phổ thông, cacbon có nhiều dạng thù hình khác nhau, phổ thông nhất là 4 dạng thù hình gồm cacbon vô định hình, xoàn, graphit và Q.-carbon.

Khi nguyên tử cacbon liên kết với oxy tạo ra cacbon điôxit (CO2). CO2 là một vật liệu rất thiết yếu khi đối chiếu với sự sinh trưởng của thực vật. Khi cacbon liên kết với hidro, nó tạo ra một loạt các hợp chất hữu cơ gọi là các hidrocacbon đóng vai trò rất quan trọng khi đối chiếu với công nghiệp và trong dạng của tương đối nhiều nhiên liệu hóa thạch. Khi cacbon liên kết với cả oxy và hidro có thể tạo ra rất nhiều nhóm các hợp chất khác gồm có các axit béo – một chất hữu cơ rất cấp thiết cho việc sống và este – tạo ra mùi vị của nhiều loại hoa quả.

2. Vị trí và cấu hình electron nguyên tử

Trong bảng tuần hoàn, cacbon là nhân tố có vị trí nằm ở ô thứ 6, nhóm IVA, chu kì 2 .

Cấu hình electron của cacbon có dạng là 1s22s22p2.

Các số oxi hóa của cacbon là -4, 0, +2 và +4.

3. Tính chất vật lí

Yếu tố cacbon tồn tại ở dưới dạng như thể hình xoàn, than chì, fullerene,…

Cacbon tồn tại ở các cấu trúc khác nhau như trong tinh thể xoàn (a), tinh thể than chì (b) và fuleren (c) về sau:

3.1. Xoàn

Là dạng tinh thể trong suốt, không có màu, không có khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt kém.

Có cấu trúc tinh thể nguyên tử và cứng nhất trong tất cả những chất tồn tại trên Trái đất.

3.2. Than chì

Là chất tinh thể có màu xám đen.

Tinh thể than chì mềm do có cấu trúc lớp.

3.3. Fuleren

Fuleren gồm các phân tử như C60, C70,… Phân tử C60 có cấu trúc hình cầu rỗng với 32 mặt, trong đó 60 đỉnh là 60 nguyên tử cacbon,…

3.4. Cacbon vô định hình

Các loại than điều chế tự tạo như than gỗ, than muội, than xương,… được gọi chung là cacbon vô định hình. Chúng có kết cấu xốp nên có khả năng hấp phụ mạnh các chất khí và chất tan trong dung dịch.

Cấu trúc tinh thể, tính chất vật lý của xoàn, than chì và cacbon vô định hình được trình bày ở bảng về sau:

Dạng thù hình

Cấu trúc tinh thể

Tính chất vật lý

Ứng dụng

Xoàn

Tứ diện đều

Trong suốt, không màu, không có khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt kém.

Làm đồ trang sức đẹp, mũi khoan hoặc dao cắt thủy tinh,…

Than chì

Có cấu trúc lớp và các lớp liên kết yếu với nhau.

Có màu xám đen, khả năng dẫn điện tốt, mềm, cấu trúc các lớp dễ tách nhau.

Làm điện cực, chế tạo chất bôi trơn, làm nồi nấu chảy các kim loại tổng hợp chịu nhiệt hay bút chì đen.

Cacbon vô định hình

Cấu trúc xốp

Khả năng hấp phụ mạnh.

Than cốc được ứng dụng làm chất khử trong công nghiệp luyện kim. Than hoạt tính được sử dụng trong mặt nạ phòng độc chuyên sử dụng. Than muội sử dụng để làm chất độn cao su đặc, sinh sản xi đánh giày hoặc mực in,…

4. Tính chất hóa học

Cacbon vừa có tính oxy hóa vừa có tính khử.

4.1. Cacbon là chất khử

4.1.1. Tác dụng với những phi kim

Cacbon cháy được trong không khí. Phản ứng này tỏa nhiều nhiệt, tạo ra CO2 và một ít khí CO:

C0 + O2+4CO2

+4CO2 + C0 2 +2CO

4.1.2. Tác dụng với oxit kim loại

Cacbon có khả năng khử được oxit của tương đối nhiều kim loại đứng sau Al trong dãy hoạt động hóa học của kim loại:

Ví dụ:

CuO + C Cu + CO

Fe2O3 + 3C 2Fe + 3CO

4.1.3. Tác dụng với CaO và Al2O3

CaO + 3C → CaC2 + CO (phản ứng trong lò điện)

2Al2O3 + 9C → Al4C3 + 6CO (20000C)

4.1.4. Tác dụng với những chất oxi hóa mạnh

Thường gặp là H2SO4 đặc, HNO3, K2Cr2O7, KNO3, KClO3,… Trong các phản ứng này, C bị oxi hóa lên hóa trị mức rất chất lượng +4 (CO2).

C + 2 H2SO4 đặc CO2 + 2 SO2↑ + 2 H2O

C + 4 HNO3 đặc CO2 + 4 NO2↑ + 2 H2O

C + 4 KNO3 2 K2O + CO2 ↑ + 4 NO2

4.1.5. Tác dụng với hơi nước (khi nhiệt độ cao)

C + H2O CO + H2↑

C + 2 H2O → CO2 + 2 H2↑

4.2. Cacbon là chất oxi hóa

4.2.1. Tác dụng với H2

C + 2 H2 CH4

4.2.2. Tác dụng với kim loại – muối cacbua

4 Al + 3 C Al4C3

5. Trạng thái tự nhiên

Trong tự nhiên xoàn và than chì là cacbon tự do gần như tinh khiết.

– Cacbon được chứa trong các tài nguyên như calcit (đá vôi, đá hoa, đá phấn đều phải sở hữu chứa CaCO3), Đolomit (CaCO3, MgCO3), Magiezit (MgCO3).

– Cacbon là thành phần chính trong các mỏ than, khí tự nhiên, dầu mỏ, thân thể sinh vật.

Nước ta có mỏ than antraxit lớn nằm ở Quảng Ninh. Một số mỏ than khác nhỏ hơn ở Thanh Hóa, Nghệ An, Quảng Nam,…

6. Điều chế và ứng dụng của cacbon

6.1 Điều chế cacbon

Điều chế xoàn tự tạo bằng phương pháp nung than chì ở nhiệt độ khoảng tầm 2000oC, dưới áp suất 50 đến 100 nghìn atmotphe cùng chất xúc tác là sắt, niken hay crom.

Than chì tự tạo được điều chế bằng phương pháp cho than cốc vào lò điện và nung ở nhiệt độ từ 2500 đến 3000oC trong tham gia môi trường thiên nhiên không có không khí.

Than cốc được điều chế bằng phương pháp nung than mỡ ở khoảng tầm 1000oC trong lò cốc trong tham gia không có không khí.

Than mỏ được khai thác trực tiếp trong các vỉa than nằm ở các độ sâu khác nhau sâu dưới lòng đất.

Than gỗ được tạo thành khi đốt gỗ trong tham gia thiếu không khí.

Than muội được tạo thành trong tham gia nhiệt phân metan (CH4) và có mặt chất xúc tác:

CH4 C + 2H2

6.2 Ứng dụng của cacbon

Xoàn được sử dụng làm bột mài, chế tạo mũi khoan, dao cắt thủy tinh hoặc làm đồ trang sức đẹp.

Than chì được sử dụng làm điện cực, chế tạo nồi để nấu chảy các kim loại tổng hợp chịu nhiệt, chế tạo chất bôi trơn, làm ruột bút chì đen.

Trong luyện kim, than cốc được sử dụng làm chất khử , để luyện kim loại từ quặng.

Than gỗ được ứng dụng trong chế tạo thuốc nổ đen và thuốc pháo,…

Than hoạt tính có khả năng hấp phụ mạnh nên được sử dụng trong chế tạo mặt nạ phòng độc và trong công nghiệp hóa chất.

Than muội được sử dụng làm chất độn cao su đặc, sinh sản mực in hoặc xi đánh giày,…

7. Một số bài tập trắc nghiệm về cacbon (có đáp án)

Câu 1: Xoàn và than chì là 2 dạng thù hình của cacbon là vì:

A. Xoàn và than chì cùng có kết cấu mạng tinh thể giống nhau

B. Xoàn và than chì có tính chất vật lý tương tự nhau

C. Chúng đều kết cấu từ nhân tố cacbon

D. Chúng có sắc tố giống nhau

→ Đáp án: C.

Giảng giải: Xoàn và than chì đều do nhân tố cacbon tạo nên.

Câu 2: Xoàn cứng nhất trong tự nhiên. Trong những khi đó, than chì lại mềm đến mức có thể sử dụng để sinh sản lõi bút chì 6B dùng để làm kẻ mắt. Giảng giải nào là hợp lý?

A. Xoàn có cấu trúc tinh thể nguyên tử dạng tứ diện đều còn than chì có cấu trúc lớp và có tầm khoảng cách giữa các lớp khá lớn

B. Xoàn là cacbon tự tạo có kiểu liên kết cộng hóa trị vững bền

C. Than chì có những electron tự do

D. Một nguyên nhân khác

→ Đáp án đúng là đáp án A.

Giảng giải:

• Sự sắp xếp của tương đối nhiều nguyên tử carbon trong xoàn ở dạng tứ diện, có nghĩa rằng 1 nguyên tử carbon được liên kết với 4 nguyên tử cacbon khác, hình thành nên liên kết hóa trị mạnh mẽ. Sự sắp xếp tinh thể này giúp xoàn có độ bền và độ cứng lớn. Yên cầu một lực cực lớn để phá vỡ hoặc làm trầy xước xoàn, và chính cấu trúc này khiến xoàn trở thành một trong những vật liệu cứng nhất trong tự nhiên.

• Than thì thì hoàn toàn trái lại với cấu hình không gian hoàn toàn khác so với xoàn. Các nguyên tử cacbon xếp lại thành các lớp 2D, mỗi nguyên tử cacbon sẽ liên kết với ba nguyên tử cacbon khác tạo nên hình sáu cạnh trong một chuỗi dài vô hạn. Mặc dù liên kết nguyên tử trong mỗi lớp là liên kết cộng hóa trị khá mạnh (tương đương với xoàn) nhưng liên kết giữa các lớp với nhau lại là tương tác rất yếu Van der Waals. Kết quả của sự việc sắp xếp này là các lớp có thể trượt lên nhau do đó tách khỏi nhau một cách dễ dàng. Những liên kết yếu giữa nhiều lớp nguyên tử cacbon làm cho than chì được sử dụng phổ thông trong bút chì và có thể gọt dễ dàng.

Câu 3: Phương trình phản ứng nào về sau là sai?

A. 2 C + O2 → 2 CO

B. 3 C + 2 KClO3 → 3 CO2 + 2 KCl

C. CaO + 4 C → CaC2 + 2 CO

D. C + MgO → CO2 + Mg

→ Đáp án: D.

Giảng giải: Khi cho C tác dụng với MgO sẽ thu được CO và Mg theo phản ứng sau:

C + MgO → CO + Mg (đk: nhiệt độ 2000oC)

Câu 4: Trong các phản ứng về sau, phản ứng nào thể hiện tính khử của cacbon?

A. 3C + 4Al → Al4C3

B. C + 2H2 → CH4

C. C + 2CuO → Cu + CO2

D. Không có phản ứng nào

→ Đáp án: C.

Giảng giải: Co – 4e → C+4

Câu 5: Trong các phản ứng hóa học

A. Cacbon chỉ thể hiện tính khử

B. Cacbon chỉ thể hiện được tính oxi hóa

C. Cacbon không thể hiện được cả tính khử lẫn tính oxi hóa

D. Cacbon thể hiện cả tính khử và tính oxi hóa

→ Đáp án: D.

Giảng giải: Trong các phản ứng hóa học cacbon thể hiện cả tính oxi hóa và tính khử.

Câu 6: Đốt 2,4 gam than đá (chứa 5% tạp chất) trong oxi dư, thu được V lit khí cacbonic (đktc). Giá trị của V là:

A. 4,48 lit

B. 4,256 lit

C. 0,224 lit

D. 4,71 lit

→ Đáp án đúng là đáp án B.

Giảng giải:

C + O2 CO2

0,19 → 0,19

Số mol Than đá: nCaCO3 = 2.412x 0.95 = 0.19 (mol)

Vậy thể tích khí CO2 là: V = 0,19. 22,4 = 4,256 (lit)

Câu 7: Nhận định nào về sau là sai?

A. Cacbon monoxit là một chất khử mạnh và không tạo ra muối.

B. Ở nhiệt độ cao cacbon có thể khử được tất cả những oxit kim loại và làm phóng thích kim loại.

C. than gỗ được dùng để làm chế thuốc súng, thuốc pháo, chất hấp phụ.

D. than muội được sử dụng trong sinh sản mực in, làm chất độn cao su đặc và xi đánh giày.

→ Đáp án: B

Giảng giải: Ở nhiệt độ cao cacbon có thể khử được một số oxit kim loại như PbO, ZnO,… thành kim loại Pb, Zn,…

Câu 8: Phản ứng nào trong các phản ứng về sau thể hiện tính oxi hóa của cacbon?

A. C + O2 → CO2

B. C + 2 CuO → 2 Cu + CO2

C. 3 C + 4 Al → Al4C3

D. C + H2O → CO + H2

→ Đáp án đúng là đáp án C.

Giảng giải: tính oxi hóa của Cacbon được thể hiện trong phản ứng: 3 C + 4 Al → Al4C3

Do Co + 4e → C-4

Câu 9: Đốt cháy hết m gam than (C) bằng V lít oxi thu được 2,24 lít hỗn hợp khí X gồm 2 khí. X có tỉ khối với oxi bằng 1,25. Các thể tích đo được (đktc). Giá trị của m là

A. 1,2 và 1,96.

B. 1,5 và 1,792.

C. 1,2 và 2,016.

D. 1,5 và 2,8.

→ Đáp án đúng là đáp án A.

Giảng giải: C + O2 → CO (x mol) + CO2 (y mol)

x + y = 0,1 ⇒ nC = 0,1 ⇒ m = 1,2 gam

28x + 44y = 32. 1,25(x + y) ⇒ x = 0,025; y = 0,075 (mol)

Bảo toàn nhân tố O:

nO2 = 0,0875 mol

Câu 10: Cacbon là chất vô định hình được điều chế từ than gỗ hay gáo dừa thì gọi là than hoạt tính. Tính chất nào của than hoạt tính giúp con người chế tạo ra mặt nạ phòng độc và các thiết bị lọc nước?

A. Than hoạt tính dễ cháy.

B. Than hoạt tính có thể hấp phụ mạnh.

C.Than hoạt tính có cấu trúc lớp.

D. Than hoạt tính có khả năng có thể hòa tan tốt trong nhiều loại dung môi.

→ Đáp án:B.

Giảng giải: Than hoạt tính có khả năng hấp phụ cao, có thể hấp phụ được những chất khí và chất tan trong nước. Vì vậy chúng được sử dụng trong mặt nạ phòng độc và trong công nghiệp hóa chất.

Ngoài ra, các em có thể tham khảo tổng quan tri thức về Cacbon qua sơ đồ tư duy về sau:

Trên đây là toàn bộ những thông tin cấp thiết liên quan đến cacbon của Khóa học hóa học. Đây là một phần tri thức rất quan trọng trong Khóa học ôn thi ĐH và yêu cầu các em phải nắm thật vững. Chúc các em ôn tập tốt. Ngoài ra, em có thể truy cập vào website Vuihoc.vn để tham khảo thêm nhiều bài giảng hoặc liên hệ trung tâm tương trợ để được hướng dẫn cụ thể nhé!