Ở nhiệt độ rất cao, cacbon tác dụng với nhiều kim loại tạo thành những cacbua kim loại, đĩ là những chất tinh thể, thường khĩ nĩng chảy, khơng bay hơi. Cĩ hai loại cacbua:
Cacbua ion:
Được tạo nên chủ yếu bỡi kim loại thuộc các nhĩm IA, IIA và IIIA. Những cacbua này, trong múc độ rõ rệt, là hợp chất ion, nên gọi là cacbua ion. Tinh thể của chúng khơng màu, trong suốt và khơng dẫn điện ở nhiệt độ thường. Cacbua ion bị phân hủy dễ dàng bỡi nước và axit lỗng. Đây là điểm căn bản để phân biệt cacbua ion điển hình với cacbua xâm nhập điển hình. Dựa vào sản phẩm được tạo thành khi thủy phân, người ta chia cacbua ion ra làm hai nhĩm:
- Nhĩm cacbua ion tạo nên metan khi bị thủy phân. Nhĩm này gồm Be2C và Al4C3. Những cacbua này ở dạng tinh thể và khĩ nĩng chảy. Trong tinh thể cĩ cation kim loại và anion C4-. Khi tương tác với nước, anion C4- bị thủy phân và giải phĩng metan:
Al4C3 + 12HOH → 3CH4 + 4Al(OH)3
Bởi vậy, nhĩm cacbua này được gọi là nhĩm metanit. Kiến trúc tinh thể của Be2C là
trong CaF2 và nguyên tử C thay nguyên tử Ca. iến trúc của Al4C3 khá phức tạp vì trong đĩ, người ta tìm thấy cĩ những nguyên tử cacbon riêng rẽ.
- Nhĩm cacbua ion tạo nên axetilen khi bị thủy phân. Nhĩm này gồm những cacbua cĩ cơng thức chung là M2C2 (trong đĩ M là kim loại kiềm, Cu, Ag và Au, chúng đều dễ phân hủy nổ), MC2 (trong đĩ M là kim loại kiềm thổ, Zn, và Cd) và M2(C2)3 (trong đĩ M là Al và Fe). Trong tinh thể những cacbua nhĩm này cĩ ion [C-C]2- với khoảng cách C- C là 1,19A0 – 1,24A0. Khi tương tác với nước, anion C2 2- bị thủy phân và giải phĩng axetilen :
CaC2 + 2HOH → C2H2 + Ca(OH)2
Bỡi vậy, nhĩm cacbua này được gọi là nhĩm axetilenit. Những cacbua Cu2C2 và Ag2C2 tuy khơng bị thủy phân, nhưng khi tác dụng với axit clohidric giải phĩng axetilen. Chính chúng được kết tủa khi cho khí axetilen sục vào dung dịch muối của kim loại tương ứng trong amoniac. Hai cacbua này khơng bền, dễ nổ khi đun nĩng hoặc khi va chạm. Tất cả các cacbua nhĩm axetilenit đều cĩ mạng lưới tinh thể kiểu NaCl, đại đa số cĩ kiến trúc giống CaC2.
- Nhĩm cacbua ion tạo nên axetilen và hidrocacbua khác khi bị thủy phân. Nhĩm này gồm những cacbua: YC2, LaC2, TbC2, YbC2, LuC2, Ce2C3, Pr2C3 và Tb2C3. Trong những cacbua cĩ cơng thức MC2 đĩ, người ta tìm thấy kim loại M chủ yếu ở trạng thái hĩa trị ba và khoảng cách C-C là 1,28A0 – 1,34A0. Như vậy, ở đây kim loại khơng những chỉ mất hai electron cho ion C22- mà cịn chuyển một electron thứ ba cho obitan phân tử phản liên kết của ion C22- làm cho khoảng cách C-C bị kéo dài hơn (so với 1,19A0 trong CaC2). Trong các hợp chất M2C3 kim loại cũng ở trạng thái hĩa trị ba, độ dài liên kết C- C là 1,24A0 – 1,28A0 và ngồi ra cịn cĩ tương tác trực tiếp giữa các nguyên tử kim loại.
Những cacbua này khơng thể coi một cách đơn giản là cĩ chứa ion C22- và nguyên tử
kim loại với số oxi hĩa bình thường. Khi bị thủy phân chúng chỉ cho 50% - 70% C2H2 cùng với C2H4, CH4 và H2, cĩ lẽ theo phản ứng:
2C22- + 6H2O → 6OH- + C2H2 + C2H4
Ví dụ: 2La2C2 + 6H2O → 2La(OH)3 + C2H2 + C2H4
Cacbua xâm nhập:
Được tạo nên chủ yếu bỡi các kim loại chuyển tiếp. Những cacbua xâm nhập điển
hình cĩ cơng thức chung làMC (trong đĩ M là Ti, Zr, Hf, V, Nb và Ta) và M2C (trong
đĩ M là Mo và W). Trong tinh thể của những cacbua xâm nhập điển hình đĩ, những nguyên tử cacbon xâm nhập vào lỗ trống bát diện của mạng lưới kim loại đã khơng làm biến đổi căn bản kiến trúc electron tự do và những đặc tính khác của kim loại tinh khiết
Do cĩ kiến trúc như vậy, cacbua xâm nhập cĩ những đặc điểm như, cĩ ánh kim, dẫn điện, rất cứng và rất khĩ nĩng chảy. Độ cứng của cacbua xâm nhập thường vào khoảng từ 9 - 10, nhiệt độ nĩng chảy của chúng (30000C - 40000C) cao hơn cả những kim loại khĩ nĩng chảy như Be, W và hơn cả cacbon nữa. Các cacbua xâm nhập điển hình cịn rất bền về mặt hĩa học, chẳng hạn như chúng khơng tác dụng với nước cường thủy mà chỉ bị phân hủy khi đun nĩng với hỗn hợp axit HF và HNO3.
Ví dụ:
3WC + 9HNO3 + 18HF → 3HWF6 + 3CO2 + 9NO + 12H2O
Những kim loại chuyển tiếp cĩ bán kính nguyên tử hơi bé hơn 1,34A0 như Cr, Mn,
Fe, Co và Ni khơng cĩ khả năng giữ nguyên kiến trúc của mạng lưới kim loại khi những nguyên tử cacbon xâm nhập vào lỗ trống cho nên khơng tạo cacbua xâm nhập điển hình. Trong những trường hợp này, mạng lưới kim loại bị sai lệch đi rõ rệt và những nguyên tử C liên kết với nhau tạo thành mạch –C-C-. Cĩ thể nĩi một cách gần đúng rằng kiến trúc của cacbua này bao gồn những mạch cacbon xuyên qua mạng lưới rất sai lệch của kim loại. Do cĩ kiến trúc như vậy, những cacbua C2C3 và M3C (M là Mn, Fe, Co và Ni) về mặt hĩa học kém bền hơn các cacbua xâm nhập điển hình. Chúng bị nước và axit lỗng phân hủy tương đối dễ dàng giải phĩng H2 và CxHy (hay cacbon trong trường hợp Fe3C), ví dụ:
Mn3C + 6H2O → 3Mn(OH)3 + CH4 + H2.
Như vậy những cacbua của Cr, Mn, Fe, Co và Ni cĩ tính chất của hợp chất trung gian giữa cacbua ion và cacbua xâm nhập. Trong các cacbua kim loại, quan trọng nhất đối với thực tế là canxi cacbua.
Cacbua canxi CaC2
Cacbua canxi tinh khiết là chất ở trạng thái tinh thể, khơng màu thuộc hệ lập phương, cĩ cấu tạo giống như tinh thể NaCl. CaC2 cĩ tỉ khối là 2,22 nđnc là 23000C, cacbua canxi kỉ thuật cĩ màu xám vì cĩ chứa nhiều tạp chất, nhất là cacbon, thường được gọi là đất đèn, khi cho nĩ tác dụng với nước, ngồi axetilen là sản phẩm chính cịn cĩ NH3, PH3, H2S tạo mùi khĩ chịu.
b. Tác dụng với các hợp chất
Đối với các hợp chất cacbon thể hiện tính khử. Ở nhiệt độ cao nĩ khử được các hợp chất như nước, clorat, nitrat, axit nitric, axit sunfuric đặc tạo thành CO2
H2O + C CO + H2
2H2SO4 đặc, sơi + C → CO2 + 2SO2 + 2H2O
Đặc biệt, nĩ khử được nhiều oxit kim loại giải phĩng kim loại tự do, nên trong luyện kim, người ta dùng phản ứng này để điều chế một số kim loại:
ZnO + C CO + Zn
MgO + C 2000 0C Mg + CO
Cacbon cũng cĩ thể khử được cacbonat ở nhiệt độ cao: BaCO3 + C → BaO + 2CO
3. Trạng thái tự nhiên và thành phần các đồng vị
Cacbon tự nhiên gồm chủ yếu một hỗn hợp của hai đồng vị bền 12C (98,89%) và 13C (1,11%). Ngồi ra trong cacbon cịn cĩ vết của đồng vị phĩng xạ 14C. Đồng vị 14C cĩ trong khí quyển ở dạng khí CO2 với nồng độ khơng đổi khoảng 0,03% về thể tích và cĩ trong nước với lượng nhiều gấp bội.
Trong tự nhiên tuy cacbon khơng phải là nguyên tố phổ biến nhất chỉ chiếm 0,145 tổng số nguyên tử, nhưng cĩ vai trị đặc biệt to lớn, vì hợp chất của cacbon là cơ sở của mọi sinh vật. Hình thái tồn tại của cacbon trong tự nhiên cũng rất phong phú, nĩ cĩ ở trạng thái tự do như kim cương, than chì, than gỗ... Một lượng cacbon rất lớn nằm trong hai khống vật là canxit và dolomit CaCO3. MgCO3. Than mỏ và dầu mỏ cũng là các khống vật của cacbon nhưng hiếm hơn so với canxit và dolomit.
4. Ứng dụng
Cơng dụng của kim cương như đã thấy ở phần trên. Than chì được sử dụng làm bút chì, bột than chì trộn với đất sét được dùng làm ruột bút chì đen, bột than chì trộn với dầu nhờn được dùng làm chất bơi trơn các ổ bi, dùng làm điện cực, làm nồi nung chịu nhiệt để nấu chảy kim loại.
Cacbon vơ định hình (chủ yếu dưới dạng than cốc) dùng làm nhiên liệu và chất khử trong luyện kim. Mồ hĩng dùng làm mực in, làm chất độn cao su, than gỗ dùng để tạo than hoạt tính, làm chất hấp phụ, thuốc nổ đen...