CÁC DẠNG THÙ HÌNH CACBON

Mở Đầu Cacbon là một trong những nguên tố được con người phát hiện sớm nhất, từ thời xa xưa con người đã biết đốt củi lấy than,dùng than để sưởi ấm. Cacbon (C) là nguyên tố đứng thứ 6 trong bảng tuẩn hoàn,nó khá trơ về mặt hóa học. Cacbon thiên nhiên gồm chủ yếu một hỗn hợp của hai đồng vị bền: 12C với tỉ lệ 98,89% và 13C với tỉ lệ 1,11%.ngoài ra trong cacbon còn có những vết của đồng vị phóng xạ của 14C.đồng vị 14C có trong khí quyển cở dạng CO¬2 với nồng độ không đổi.Trong tự nhiên cacbon tồn tại ở nhiều dạng thù hình khác nhau gồm dạng tinh thể và dạng vô định hình. Dạng tinh thể gồm có kim cương và than chì (Graphit), dạng vô định hình : than, muội, bò hóng, nhọ nồi, than hoạt tính và ngoài ra còn có dạng thù hình khác mới được phát hiện fulleren, cacbon xốp nano, cacbon ống nano. Mỗi dạng thù hình có tính chất riêng về mặt hóa học và vật lý vì chúng có kiến trúc khác nhau.

Mục lục Contents Mở Đầu Cacbon nguên tố người phát sớm nhất, từ thời xa xưa người biết đốt củi lấy than,dùng than để sưởi ấm Cacbon (C) nguyên tố đứng thứ bảng tuẩn hoàn,nó trơ mặt hóa học Cacbon thiên nhiên gồm chủ yếu hỗn hợp hai đồng vị bền: 12C với tỉ lệ 98,89% 13C với tỉ lệ 1,11%.ngoài cacbon có vết đồng vị phóng xạ 14 C.đồng vị 14C có khí cở dạng CO với nồng độ không đổi Trong tự nhiên cacbon tồn nhiều dạng thù hình khác gồm dạng tinh thể dạng vô định hình Dạng tinh thể gồm có kim cương than chì (Graphit), dạng vô định hình : than, muội, bò hóng, nhọ nồi, than hoạt tính có dạng thù hình khác phát fulleren, cacbon xốp nano, cacbon ống nano Mỗi dạng thù hình có tính chất riêng mặt hóa học vật lý chúng có kiến trúc khác Những ứng dụng dạng thù hình cacbon đời sống lớn Sau nội dung dạng thù hình Cacbon PHẦN A: TỔNG QUAN CÁC DẠNG THÙ HÌNH CACBON I KIM CƯƠNG (DIAMOND) Nguồn gốc hình thành Kim cương tạo thành từ khoáng vật có chứa cacbon nhiệt độ áp suất cao Trên trái đất, nơi có kim cương nơi tồn nhiệt độ đủ cao áp suất đủ lớn để hình thành nên kim cương Kim cương cho hình thành từ lâu, từ tỷ năm đến 3,5 tỷ năm.những đá chứa kim cương đưa lên gần mặt đất hoạt động núi lửa, hay đứt gãy địa chất Trong lục địa kim cương bắt đầu hình thành độ sâu khoảng 150km, với áp suất khoảng gigapascal, nhiệt độ 1200 độ C Dưới đại dương, độ sâu, áp suất nhiệt độ cao Tính chât Về mặt hóa học: điều kiện thường kim cương trơ mặt hóa học, nhiệt độ cao kim cương cháy oxi tinh khiết (700-800 độ C) Về mặt vật lý: • Cấu trúc tinh thể: Tinh thể kim cương thuộc hệ lập phương Trong tinh thể, nguyên tử cacbon trạng thái lai hóa sp3 liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử cacbon khac bao quanh kiểu hình tứ diện Khoảng cách nguyên tử cacbon 1,545 tinh thể kim cương có mạng lưới tinh thể điển hình.toàn tinh thể kiến trúc đặn, thực tế tinh thể tinh thể kiến trúc khổng lồ Kiến trúc giải thích nhiều tính chất vật lí kim cương.(hình 1) • Độ cứng: kim cương có độ cứng lớn tất chất Theo thang độ cứng moxơ lấy độ cứng kim cương 3 10 Tuy nhiên kim cương lại giòn nghiền Hình 1: kiến trúc tinh thể kim cương cối sắt thành bột • Tính chất điện: kim cương vật liệu cách điện tốt tất electron hóa trị liên kết bền vững liên kết C-C • Màu sắc: tinh thể kim cương hoàn toàn suốt, không màu, có số khúc xạ ánh sáng lớn nên trông lấp lánh đẹp Nếu tinh thể lẫn lượng tạp chất nhỏ có màu sắc xanh dương, đỏ, cam, ví dụ: kim cương lẫn lượng Nitơ khiến cho tinh thể kim cương có màu vàng • Nhiêt nóng chảy, nhiệt độ sôi: chưa xác định chúng cao Ứng dụng • ứng dụng tính chất độ cứng, kim cương dùng để cắt, đánh bóng bề mặt, viên kim cương khác • ngành công nghiệp thường dùng kim cương mũi khoan mỏ dầu, khoan thép, lưỡi cưa, lưỡi dao cắt gọt thủy tinh • chế tạo kim cương nhân tạo làm chất bán dẫn • kim cương sau gia công sử dụng làm đồ trang sức Phân bố, khai thác điều chế • Phân bố: thường gặp sa khoáng nước Ấn Độ, Nga, Brazin, Mexico, Trung phi, Nam Phi Australia Những mỏ kim cương có giá tri công nghiệp I trung bình có khoảng 0,5g kim cương đá • Khai thác: khoảng 49% kim cương khai thác Trung Phi Nam Phi, chúng tìm gần miệng núi lửa tắt hay mỏ sa khoáng Chỉ khoảng 20% sản lượng kim cương giới dùng làm đồ trang sức, 80% chất dùng công nghiệp ứng dụng nghiên cứu Tinh thể kim cương lớn trước khai thác Nam Phi nặng 621,3g Trước kia, người ta khai thác cách rửa đất đá có chứa kim cương dùng tay nhặt, ngày người ta đập vụn đất đá chứa kim cương, sau rửa máy li tâm, lấy phần nặng lại cho qua máy sàng rung thấm dầu,máy sàng lại hạt kim cương • Điều chế: điều chế kim cương nhân tạo công nghiệp cách nung nóng than chì nhiệt độ cao khoảng 1800-3800 độ C, áp suất 60.000-120.000 atm có kim loại chuyển tiếp Fe, Ni, Cr làm chất xúc tác THAN CHÌ (GRAPHIT) Nguồn gốc hình thành Than chì (graphit) đặt tên Abraham Gottlob Werner năm 1789 Được tạo thành lòng đất, tìm thấy với khoáng vật thạch anh, mica, sắt, tourmalin Tính chất Về mặt hóa hoc: • hoạt động dạng vô định hình, hoạt động tinh thể kim cương • Có thể cháy O2 tinh khiết • Than chì chuyển thành kim cương (nhiệt độ (1800-3800 độ C, với áp suất cao) Về mặt vật lí: • Cấu trúc tinh thể: có kiến trúc lớp, nguyên tử cacbon trạng thái lai hóa sp2 liên kết cộng hóa trị với nguyên tử cacbon bao quanh xung quanh nằm lớp tạo thành vòng cạnh Tùy vào cách xếp lớp đối mà ta có dạng: tinh thể lục phương mặt thoi • Độ cứng: độ cứng than chì độ thấp thang độ cứng moxơ, từ 1-2 Than chì mềm sờ vào trơn, Có thể vạch giấy trắng để lại vạch đen nhiều tinh thể Tính dẫn điện, nhiệt: than chì dẫn điện dẫn nhiệt Màu sắc: than chì có màu xám, đen có ánh kim Nhiệt độ nóng chảy: thấp kim cương • • • Ứng dụng • Được dùng làm điện cực, chế tạo chất bán dẫn • Hỗn hợp than chì đất sét dùng làm lõi bút chì • Một than chì hỗn hợp bột than chì dầu nhờn dùng làm chất bôi trơn ổ bi • Cũng sử dụng làm chén nung hay vỏ bọc khuôn lò phản ứng nguyên tử • Gần đây, người ta chế than chì dạng sợi mềm để dệt quần áo bảo hộ lao động, làm thiết bị đốt nóng làm pin nhiệt điện Phân bố, khai thác, điều chế Phân bố: nhiều quốc gia như: Trung Quốc, Mỹ, Nga, Ấn Độ việt nam: mỏ graphit lớn mỏ Bảo hà, mỏ Nậm Thi (ở Lào Cai), mỏ Hưng Nhượng (Quảng Ngãi) • Khai thác: Theo USGS, lượng than chì tự nhiên sản xuất giới năm 2006 đạt khoảng 1.03 tỷ năm 2005 1.04 tỷ chủ yếu từ nước như: Trung Quốc 720,000 năm (2005 2006), Brazil 75,600 năm 2006 75,515 năm 2005, Canada 28,000 năm • Điều chế: Ngoài việc khai thác từ mỏ than chì điều chế nhân tạo cách kết tinh cacbon “vô định hình” nhiệt độ cao Thực tế thường nung nóng than antraxit hay than cốc nhiệt độ cao 2500-3000 độ C lò điện đặc biệt Than chì nhân tạo có phẩm chất, chất lượng không than chì thiên nhiên CACBON VÔ ĐỊNH HÌNH Đặc điểm, cấu tạo  Than gỗ • cấu trúc tinh thể: phi tinh thể, quy luật định • vật liệu xốp, nhẹ (tỉ khối 1,5) • màu đen giữ lại cấu tạo gỗ • than gỗ không tro chứa 94%C, 0,7%H, lại O, N • hấp thụ tốt  Than muội • Cấu trúc phi tinh thể,không có quy luật định • Dạng bột mịn, màu đen, nhẹ • Hấp phụ tốt  Than cốc • Khối rắn, màu đen xám • Cứng nặng than gỗ (tỉ khối =2) • Than cốc loại không chứa tro có chứa 95%C, 1%H, 3%O, 0,5-1%N • II Tính chất • Tính chất vật lí Không có mùi vị, khó nóng chảy, khó bay không tan dung môi thông thường.tan nhiều kim loại nóng chảy sắt, cobon, niken, kim loại họ platin kết tinh dạng than chì để nguội dung dịch • Tính chất hóa học - nhiệt điều kiện thường trơ mặt hóa học - điều kiện nhiệt độ cao hoạt động, hoạt động kim cương than chì - tính khử mạnh,tính oxi hóa yếu: với O2 : nhiệt độ khoảng 1000°С, tốc độ phản ứng (khả phản ứng tiêu chuẩn than cốc) tính g than cốc 0,1-0,2 ml СО 2trên giây, lượng tỏa 140-200 kJ/mol Tốc độ phản ứng với О (tức phản ứng cháy than cốc) theo phương trình: С + О2 → СО2 Với S: S tương tác với than cốc tạo carbon disulfur CS2 C + 2S = CS2 , ∆H = +108,8kj CS2 chất không màu làm dung môi cho nhiều đơn chất hợp chất Với kim loại: nhiệt độ cao, C tác dụng với kim laoij tạo cacbua kim loại.là chất khó nóng chảy khó bay hơi, không tan dung môi 2C + Ca = CaC ; Be + C → Be2C Với hidro: điều kiện hồ quang điện, C tác dụng với hidro tạo nên CH4 ,C2H2 Với hợp chất: thể tính khử nhiệt độ cao C +2H2SO4(nóng) = CO2 + 2SO2 + 2H2O C +H2O = CO +H2 C + ZnO = CO + Zn ứng dụng  than gỗ: • dùng công nghiệp luyện kim màu, dùng lò rèn, chế thuốc súng đen • có tính hấp phụ tốt nên dùng tẩy màu tẩy mùi, làm mặt nạ chống độc  than cốc: • Than cốc sử dụng để nung chảy gang (cốc lò cao) làm nhiên liệu không khói chất lượng cao, làm chất khử công nghệ luyện kim từ quặng sắt, chất làm tơi phối liệu • Được dùng nhiều công nghiệp luyện kim  Than muội: • Dùng làm mực in, giấy than, mực tàu • Chủ yếu (đến 90%) làm chất độn cho cao su chế lốp ô tô • Muội than sử dụng số vật liệu hấp thụ tia radar mực máy in laser  Than hoạt tính : • Trong y tế (Carbo medicinalis – than dược): để tẩy trùng độc tố ngộ độc thức ăn • Trong công nghiệp hóa học: làm chất xúc tác chất tải cho chất xúc tác khác • Trong kỹ thuật: than hoạt tính thành phần lọc khí Vd: đầu lọc thuốc lá, trang y tế; khử mù tủ lạnh điều hòa • Trong hóa dược-mỹ phẩm: sản xuất dược mỹ phẩm • Trong xử lí nước: diệt khuẩn, khử mùi hiệu cao Điều chế • than gỗ: tạo nên điều kiện đốt cháy không khí - Than gỗ từ lò ủ lửa loại than gỗ thu từ trình phân hủy chưng khô gỗ lá kim, điều kiện nhiệt độ khoảng 700 °C, không chứa 4% thành phần bay - Than gỗ từ buồng đốt than gỗ nhận từ phân hủy qua chưng khô gỗ lá kim, điều kiện nhiệt độ khoảng 450 °C, có chứa từ 10–20% thành phần bay • Than cốc: điều chế cách nung than đá 10001200 độ C, điều kiện thiếu không khí.trong trình nung, than đá tách hợp chất dễ bay để lại khối rắn kết tinh lại với gọi than cốc Trung bình than đá khoảng 600-700 kg than cốc • Than muội: tạo trình đốt cháy không hoàn toàn dầu nhựa trình CFC, nhựa than đá, hay đốt cháy dầu thực vật, sản phẩm khí đốt dầu mỏ • Than hoạt tính: thực chất than tạo ra, chưa hấp phụ chất, khả hấp phụ cao - Vd: Quy trình sản xuất than hoạt tính từ gáo dừa: Thu gom gáo dừa  vệ sinh,phơi khô cho vào lò nunglấy để nguội xay than III CÁC DẠNG THÙ HÌNH KHÁC CỦA CACBON 10 Fuleren Là tên gọi chung loại phân tử Fuleren có từ 40-100 nguyên tử C Fuleren đơn giản bền phát vào năm 1985 chiếu tia laze vào than chì.phân tử C 60 khung rỗng có dạng giống bóng tròn nguyên tử C chiếm vị trí (hình 2) hình 2: kiến trúc Fuleren (C-60) đến năm 1990 người ta chế lượng sử dụng C60 C70 Năm 1991 nhà khoa học nhật Sumio Ijima thông báo chế Fuleren có kiến trúc dạng ống có kích thước vài nanomet Cacbin Dạng bột, màu đen, chứa đến 90% Cacbon Tinh thể thuộc hệ lục phương có kiến trúc mạch thẳng ( =C=C=)n nguyên tử C tạo nên hai liên kết π hai liên kết xích ma Độ dài liên kết C-C mạch 1,284 mạch 2,95 Cacbin chất bán dẫn, đun nóng đến 2300 độ C Cacbin biến thành than chì ứng dụng: sản xuất thiết bị bán dẫn, vật liệu chịu lực, chịu nhiệt 11 PHẦN B: SO SÁNH CÁC DẠNG THÙ HÌNH CACBON VỚI CÁC DẠNG THÙ HÌNH SILIC Cũng Cacbon (C), Silic (Si) nguyên tố bền, có nhiều dạng thù hình, dạng tinh thể dạng “vô định hình” Giống silic tinh khiết dạng tinh thể lập phương giống tương tự kim cương.trong mạng lưới tinh thể đó, nguyên tử Si liên kết cộng hóa trị với nguyên tử Si bao quanh kiểu hình tứ diện - - - Silic “dạng vô định hình” có dạng tinh thể giống với than chì Thực tế gồm vi tinh thể silic lập phương Silic “ vô định hình” Cacbon “ vô định hình” Có số tính chất vật lí hóa học tương tự Đều thể tính khử mạnh nhiệt độ cao trơ đk thường Silic cacbon dạng “vô định hình” hoạt động dạng tinh thể số dạng thù hình cuả silic Cacbon làm chất bán dẫn Các dạng tinh thể vô định hình không tan dung môi mà tan số kim loại nóng chảy Al, Ag, Ni, Sn để nguội kết tinh dạng tinh thể Khác - độ cứng, nhiệt độ sôi, nóng chảy dạng tinh thể khác - Silic tác dụng với flo điều kiện thường: Si + 2F2 = SiF4 ( phản ứng tỏa nhiệt) - Silic tác dụng tương đối mạnh với dung dịch kiềm, giải phóng hiđro Si+2NaOH+H2O→Na2SiO3+2H2↑ 12 - điều kiện thường silic bền axit, tan hỗn hợp axit HF HNO3 3Si +4HNO3 +18HF = H2SiF6 + 4NO + 8H2O Tài liệu tham khảo: Hóa học vô cơ- tập 2- Hoàng Nhâm wikipedia.org hoahocngaynay.com 13 [...]... SÁNH CÁC DẠNG THÙ HÌNH CACBON VỚI CÁC DẠNG THÙ HÌNH SILIC Cũng như Cacbon (C), Silic (Si) là nguyên tố bền, và có nhiều dạng thù hình, dạng tinh thể và dạng “vô định hình Giống nhau silic tinh khiết ở dạng tinh thể lập phương giống tương tự kim cương.trong mạng lưới tinh thể đó, mỗi nguyên tử Si liên kết cộng hóa trị với 4 nguyên tử Si bao quanh kiểu hình tứ diện đều - - - Silic dạng vô định hình ... hình có dạng tinh thể giống với than chì Thực tế cũng gồm những vi tinh thể silic lập phương Silic “ vô định hình và Cacbon “ vô định hình Có 1 số tính chất vật lí và hóa học tương tự nhau Đều thể hiện tính khử mạnh ở nhiệt độ cao và hầu như trơ ở đk thường Silic và cacbon ở dạng “vô định hình hoạt động hơn dạng tinh thể 1 số dạng thù hình cuả silic và Cacbon được làm chất bán dẫn Các dạng tinh... là một khung rỗng có dạng giống quả bóng tròn trong đó nguyên tử C đều chiếm vị trí như nhau (hình 2) hình 2: kiến trúc Fuleren (C-60) đến năm 1990 người ta chế được những lượng có thể sử dụng của C60 và C70 Năm 1991 nhà khoa học nhật bản Sumio Ijima thông báo đã chế được 1 Fuleren có kiến trúc mới dạng ống và có kích thước vài nanomet 2 Cacbin Dạng bột, màu đen, chứa đến 90% Cacbon Tinh thể thuộc... động hơn dạng tinh thể 1 số dạng thù hình cuả silic và Cacbon được làm chất bán dẫn Các dạng tinh thể vô định hình không tan trong các dung môi mà chỉ tan trong 1 số kim loại nóng chảy như Al, Ag, Ni, Sn khi để nguội kết tinh dạng tinh thể Khác nhau - về độ cứng, nhiệt độ sôi, nóng chảy của các dạng tinh thể khác nhau - Silic có thể tác dụng với flo ở điều kiện thường: Si + 2F2 = SiF4 ( phản ứng tỏa nhiệt)... với flo ở điều kiện thường: Si + 2F2 = SiF4 ( phản ứng tỏa nhiệt) - Silic tác dụng tương đối mạnh với dung dịch kiềm, giải phóng hiđro Si+2NaOH+H2O→Na2SiO3+2H2↑ 12 - ở điều kiện thường silic bền đối với các axit, chỉ tan trong hỗn hợp axit HF và HNO3 3Si +4HNO3 +18HF = H2SiF6 + 4NO + 8H2O Tài liệu tham khảo: 1 Hóa học vô cơ- tập 2- Hoàng Nhâm 2 wikipedia.org 3 hoahocngaynay.com 13 ... SO SÁNH CÁC DẠNG THÙ HÌNH CACBON VỚI CÁC DẠNG THÙ HÌNH SILIC Cũng Cacbon (C), Silic (Si) nguyên tố bền, có nhiều dạng thù hình, dạng tinh thể dạng “vô định hình Giống silic tinh khiết dạng tinh... trúc khác Những ứng dụng dạng thù hình cacbon đời sống lớn Sau nội dung dạng thù hình Cacbon PHẦN A: TỔNG QUAN CÁC DẠNG THÙ HÌNH CACBON I KIM CƯƠNG (DIAMOND) Nguồn gốc hình thành Kim cương tạo... nhiệt độ cao trơ đk thường Silic cacbon dạng “vô định hình hoạt động dạng tinh thể số dạng thù hình cuả silic Cacbon làm chất bán dẫn Các dạng tinh thể vô định hình không tan dung môi mà tan số