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 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 CO2 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

Những ứng dụng của các dạng thù hình cacbon trong đời sống là rất lớn

Sau đây là nội dung của các dạng thù hình Cacbon

PHẦN A: TỔNG QUAN CÁC DẠNG THÙ HÌNH CACBON

1. Nguồn gốc hình thành

Kim cương được tạo thành từ những khoáng vật có chứa cacbon dưới nhiệt độ và áp suất rất cao Trên trái đất, mọi nơi đều có thể

có kim cương bởi một nơi nào đó sẽ tồn tại nhiệt độ đủ cao và áp suất đủ lớn để hình thành nên kim cương Kim cương được cho rằng được hình thành từ rất lâu, từ 1 tỷ năm đến 3,5 tỷ năm.những hòn đá chứa kim cương được đưa lên gần mặt đất do các hoạt động của núi lửa, hay sự đứt gãy địa chất

Trong lục địa kim cương bắt đầu hình thành ở độ sâu khoảng 150km, với áp suất khoảng 5 gigapascal, nhiệt độ ở 1200 độ C Dưới đại dương, độ sâu, áp suất và nhiệt độ đều cao hơn

2. Tính chât

Về mặt hóa học:

điều kiện thường kim cương trơ về mặt hóa học, nhưng ở nhiệt độ cao kim cương có thể cháy trong 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, mỗi nguyên tử cacbon ở trạng thái lai hóa sp3 liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử cacbon khac bao quanh kiểu hình tứ diện Khoảng cách giữa các nguyên tử cacbon là 1,545

tinh thể kim cương có mạng lưới tinh thể điển hình.toàn

bộ tinh thể kiến trúc đều rất đều đặn, cho nên thực tế tinh thể là một tinh thể là một kiến

trúc khổng lồ Kiến trúc như vậy giải thích nhiều tính chất vật lí của kim cương.(hình 1)

• Độ cứng: kim cương có độ cứng

lớn nhất trong tất cả các chất Theo thang độ cứng của moxơ lấy độ cứng của kim cương

bằng 10 Tuy nhiên kim cương lại giòn và có thể nghiền trong cối sắt thành bột

• Tính chất điện: kim cương là vật

liệu cách điện tốt vì tất cả electron hóa trị đều được liên kết bền vững trong liên kết C-C

• Màu sắc: tinh thể kim cương hoàn toàn trong suốt,

không màu, có chỉ số khúc xạ ánh sáng lớn nên trông lấp lánh và rất đẹp Nếu tinh thể lẫn một lượng tạp chất nhỏ sẽ có màu sắc xanh dương, đỏ, cam, ví dụ: kim cương lẫn 1 ít lượng Nitơ khiến cho tinh thể kim cương

có màu vàng

• Nhiêt nóng chảy, nhiệt độ sôi: chưa xác định được bởi

chúng rất cao

3. Ứng dụng

• ứng dụng tính chất độ cứng, kim cương dùng để cắt, đánh bóng mọi bề mặt, ngay cả một viên kim cương khác

• các ngành công nghiệp thường dùng kim cương như một 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 khi được gia công được sử dụng làm đồ trang sức

4. Phân bố, khai thác và điều chế

• Phân bố: thường gặp trong sa khoáng ở các nước Ấn

Độ, Nga, Brazin, Mexico, Trung phi, Nam Phi và Australia Những mỏ kim cương có giá tri công nghiệp

Hình 1: kiến trúc tinh thể kim cương

trung bình chỉ có khoảng 0,5g kim cương trên một tấn đá

• Khai thác: khoảng 49% kim cương được khai thác ở

Trung Phi và Nam Phi, chúng tìm được gần miệng núi lửa đã tắt hay mỏ sa khoáng Chỉ khoảng 20% sản lượng kim cương trên thế giới được dùng làm đồ trang sức, 80% kém chất hơn được dùng trong công nghiệp

và ứng dụng nghiên cứu Tinh thể kim cương lớn nhất trước đây được khai thác ở Nam Phi nặng 621,3g Trước kia, người ta khai thác bằng cách rửa đất đá có chứa kim cương rồi dùng tay nhặt, ngày nay người ta đập vụn đất đá chứa kim cương, sau đó rửa trong máy li tâm, rồi lấy phần nặng còn lại cho đi qua máy sàng rung thấm dầu,máy sàng dữ lại các hạt kim cương

• Điều chế: điều chế kim cương nhân tạo trong công

nghiệp bằng cách nung nóng than chì ở nhiệt độ cao khoảng 1800-3800 độ C, dưới áp suất 60.000-120.000 atm khi có các kim loại chuyển tiếp như Fe, Ni, Cr làm chất xúc tác

1. Nguồn gốc hình thành

Than chì (graphit) được đặt tên bởi Abraham Gottlob Werner

năm 1789 Được tạo thành trong lòng đất, được tìm thấy cùng với khoáng vật thạch anh, mica, sắt, tourmalin

2. Tính chất

Về mặt hóa hoc:

• kém hoạt động hơn dạng vô định hình, nhưng hoạt động hơn tinh thể kim cương

• Có thể cháy trong O2 tinh khiết

• Than chì có thể 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, mỗi nguyên tử

cacbon ở trạng thái lai hóa sp2 liên kết cộng hóa trị với 3 nguyên tử cacbon bao quanh xung quanh cùng nằm trong một lớp tạo thành vòng 6 cạnh Tùy vào cách sắp xếp lớp đối nhau mà ta có 2 dạng: tinh thể lục phương và mặt thoi

• Độ cứng: độ cứng than chì ở độ thấp nhất trong

thang độ cứng moxơ, từ 1-2 Than chì rất mềm và

sờ vào rất trơn, Có thể vạch được trên giấy trắng để lại một vạch đen rất nhiều tinh thể

• Tính dẫn điện, nhiệt: than chì dẫn điện dẫn nhiệt

kém

• Màu sắc: than chì có màu xám, đen và có ánh kim

• Nhiệt độ nóng chảy: thấp hơn kim cương

3. Ứng dụng

• Được dùng làm điện cực, chế tạo chất bán dẫn

• Hỗn hợp than chì và đất sét được dùng làm lõi bút chì

• Một mình than chì hoặc hỗn hợp của bột than chì và dầu nhờn dùng làm chất bôi trơn các ổ bi

• Cũng được sử dụng làm chén nung hay vỏ bọc khuôn trong các lò phản ứng nguyên tử

• Gần đây, người ta đã chế được than chì ở dạng sợi mềm

để dệt quần áo bảo hộ lao động, làm những thiết bị đốt nóng và làm pin nhiệt điện

4. Phân bố, khai thác, điều chế

• Phân bố: ở nhiều quốc gia như: Trung Quốc, Mỹ, Nga,

Ấn Độ

ở việt nam: các mỏ graphit lớn như 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 trên thế giới năm 2006 đạt khoảng 1.03 tỷ tấn và trong năm 2005 là 1.04 tỷ tấn chủ yếu từ các nước như: Trung Quốc 720,000 tấn trong cả 2 năm (2005 và 2006), Brazil 75,600 tấn trong năm 2006 và 75,515 trong năm 2005, Canada 28,000 tấn trong cả 2 năm

• Điều chế: Ngoài việc được khai thác từ các mỏ thì than

chì còn được điều chế nhân tạo bằng cách kết tinh cacbon

“vô định hình” ở nhiệt độ cao Thực tế thường nung nóng than antraxit hay than cốc ở nhiệt độ cao 2500-3000 độ C trong lò điện đặc biệt Than chì nhân tạo có phẩm chất, chất lượng không kém than chì thiên nhiên

1. Đặc điểm, cấu tạo

 Than gỗ

• cấu trúc tinh thể: phi tinh thể, và không có quy luật nhất định

• vật liệu xốp, nhẹ (tỉ khối 1,5)

• màu đen và còn giữ lại cấu tạo của gỗ

• than gỗ không tro chứa 94%C, 0,7%H, còn lại O, N

• hấp thụ tốt

 Than muội

• Cấu trúc phi tinh thể,không có quy luật nhất định

• Dạng bột mịn, màu đen, nhẹ

• Hấp phụ tốt

 Than cốc

• Khối rắn, màu đen xám

• Cứng và nặng hơn than gỗ (tỉ khối =2)

• Than cốc loại không chứa tro có chứa 95%C, 1%H, 3%O, 0,5-1%N

2. Tính chất

• Tính chất vật lí Không có mùi vị, khó nóng chảy, khó bay hơi và không tan trong các dung môi thông thường.tan nhiều trong kim loại nóng chảy như sắt, cobon, niken, kim loại họ platin

và kết tinh ở dạng than chì khi để nguội các dung dịch đó

• Tính chất hóa học

- ở nhiệt điều kiện thường trơ về mặt hóa học

- điều kiện nhiệt độ cao rất hoạt động, hoạt động hơn kim cương và than chì

- tính khử mạnh,tính oxi hóa yếu:

với O2 : nhiệt độ khoảng 1000°С, tốc độ của phản ứng (khả năng phản ứng tiêu chuẩn của than cốc) tính trên

1 g than cốc là 0,1-0,2 ml СО2trên 1 giây, năng lượng tỏa ra là 140-200 kJ/mol Tốc độ phản ứng với О2 (tức phản ứng cháy của than cốc) theo phương trình:

С + О2 → СО2

Với S: hơi S tương tác với than cốc tạo carbon disulfur

CS2 C + 2S = CS2 , ∆H = +108,8kj

CS2 là một chất không màu làm dung môi cho nhiều đơn chất và hợp chất

Với kim loại: ở nhiệt độ rất cao, C tác dụng với kim

laoij tạo cacbua kim loại.là những chất khó nóng chảy khó bay hơi, không tan trong bất kì dung môi nào 2C + Ca = CaC ; Be + C → Be2C

Với hidro: ở điều kiện hồ quang điện, C tác dụng với

hidro tạo nên CH4 ,C2H2

Với hợp chất:thể hiện tính khử ở nhiệt độ cao

C +2H2SO4(nóng) = CO2 + 2SO2 + 2H2O

C +H2O = CO +H2

C + ZnO = CO + Zn

3. ứng dụng

 than gỗ:

• dùng trong công nghiệp luyện kim màu, dùng trong các

lò rèn, chế thuốc súng đen

• vì có tính hấp phụ tốt nên được dùng trong tẩy màu tẩy mùi, làm mặt nạ chống độc

 than cốc:

cao) cũng như làm nhiên liệu không khói chất lượng cao, làm chất khử trong các công nghệ luyện kim

từ quặng sắt, các chất làm tơi trong phối liệu

 Than muội:

• Dùng làm mực in, giấy than, mực tàu

• Chủ yếu (đến 90%) làm chất độn cho cao su chế lốp

ô tô

hấp thụ tia radar và mực máy in laser

 Than hoạt tính :

• Trong y tế (Carbo medicinalis – than dược): để tẩy trùng và các độc tố khi ngộ độc thức ăn

chất tải cho các chất xúc tác khác

• Trong kỹ thuật: than hoạt tính là một thành phần lọc khí Vd: trong đầu lọc thuốc lá, trong khẩu trang y tế; tấm khử mù trong tủ lạnh và trong điều hòa

• Trong xử lí nước: diệt khuẩn, khử mùi hiệu quả cao

4. Điều chế

• than gỗ: được tạo nên trong điều kiện đốt cháy không khí

- Than gỗ từ lò ủ lửa là loại than gỗ thu được từ quá trình phân hủy bằng chưng khô gỗ của cây lá bản hoặc

lá kim, trong điều kiện nhiệt độ khoảng 700 °C, không chứa trên 4% các thành phần bay hơi

- Than gỗ từ buồng đốt là than gỗ nhận được từ sự phân hủy qua chưng khô gỗ của cây lá bản hoặc lá kim, trong điều kiện nhiệt độ khoảng 450 °C, có chứa từ 10–20% thành phần bay hơi

• Than cốc: được điều chế bằng cách nung than đá ở

1000-1200 độ C, trong điều kiện thiếu không khí.trong quá trình nung, than đá tách ra những hợp chất dễ bay hơi và

để lại các khối rắn kết tinh lại với nhau gọi là than cốc Trung bình một tấn than đá khoảng 600-700 kg than cốc

• Than muội: được tạo ra bởi quá trình đốt cháy không hoàn toàn của dầu như nhựa của quá trình CFC, nhựa than

đá, hay đốt cháy dầu thực vật, sản phẩm của khí đốt dầu mỏ

• Than hoạt tính: thực chất là than mới được tạo ra, chưa hấp phụ chất, khả năng 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 ra để nguội xay than

CÁC DẠNG THÙ HÌNH KHÁC CỦA CACBON

1. Fuleren

Là tên gọi chung những loại phân tử Fuleren đó có từ 40-100 nguyên tử C Fuleren đơn giản và bền nhất được phát hiện vào năm 1985 khi chiếu tia laze vào than chì.phân tử C60 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 hệ lục phương và có kiến trúc mạch thẳng ( =C=C=)n trong đó mỗi nguyên tử C tạo nên hai liên kết π và hai liên kết xích ma Độ dài liên kết C-C ở trong mạch là 1,284 và giữa mạch là 2,95 Cacbin là chất bán dẫn, khi 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

PHẦN B: SO 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” 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 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)

- Silic tác dụng tương đối mạnh với dung dịch kiềm, giải phóng hiđro

Si+2NaOH+H2O→Na2SiO3+2H2↑

- 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

1. Hóa học vô cơ- tập 2- Hoàng Nhâm

2. wikipedia.org

3. hoahocngaynay.com