Lý thuyết Cacbon

[thoa812]

Cacbon (chữ Hán: chất Thán, than đá) là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu là C và số nguyên tử bằng 6. Là một nguyên tố phi kim có hóa trị 4 phổ biến, cacbon có một số dạng thù hình:

* Kim cương (khoáng vật cứng nhất đã biết). Cấu trúc: mỗi nguyên tử được liên kết với 4 nguyên tử khác theo kiểu tứ diện, tạo thành các lưới 3 chiều gồm các vòng 6 thành viên.
* Graphit hay than chì (một trong những chất mềm nhất). Cấu trúc: mỗi nguyên tử được liên kết theo kiểu tam giác với 3 nguyên tử khác, tạo thành các lưới 2 chiều của các vòng 6 thành viên ở dạng phẳng; các tấm phẳng này liên kết lỏng lẻo với nhau.
* Các fulleren. Cấu trúc: Một lượng tương đối lớn các nguyên tử cacbon liên kết theo kiểu tam giác, tạo thành các hình cầu rỗng (trong số đó nổi tiếng và đơn giản nhất là buckminsterfulleren).
* Ceraphit (bề mặt cực kỳ mềm). Cấu trúc chưa rõ.
* Lonsdaleit (sự sai lạc trong cấu trúc tinh thể của kim cương). Cấu trúc: Tương tựnhư kim cương, nhưng tạo thành lưới tinh thể lục giác.
* Cacbon vô định hình (chất dạng thủy tinh). Cấu trúc: các nguyên tử cacbon trong trạng thái phi tinh thể, không có quy luật và giống như thủy tinh.
* Cacbon xốp nano (lưới cực nhẹ từ tính). Cấu trúc: lưới mật độ thấp của các bó có cấu trúc giống như graphit, trong đó các nguyên tử được liên kết theo kiểu tam giác trong các vòng 6 hay 7 thành viên.
* Cacbon ống nano (các ống nhỏ). Cấu trúc: mỗi nguyên tử liên kết theo kiểu tam giác trong tấm cong để tạo thành ống trụ rỗng.

Muội đèn bao gồm các bề mặt dạng graphit nhỏ. Các bề mặt này phân bổ ngẫu nhiên, vì thế cấu trúc tổng thể là đẳng hướng.

Cacbon thủy tinh là đẳng hướng và có tỷ lệ độ xốp cao. Không giống như graphit thông thường, các lớp graphit không xếp lên nhau giống như các trang sách, mà chúng có sự sắp xếp ngẫu nhiên.

Các sợi cacbon là tương tự như cacbon thủy tinh. Dưới các xử lý đặc biệt (kéo dãn các sợi hữu cơ và cacbon hóa) nó có khả năng sắp xếp các mặt tinh thể cacbon theo hướng của sợi. Vuông góc với trục của sợi không có các mặt tinh thể cacbon. Kết quả là các sợi có độ bền đặc biệt cao hơn cả thép.

Cacbon tồn tại trong mọi sự sống hữu cơ và nó là nền tảng của hóa hữu cơ. Phi kim này còn có thuộc tính hóa học đáng chú ý là có khả năng tự liên kết với nó và liên kết với một loạt các nguyên tố khác, tạo ra gần 10 triệu hợp chất đã biết. Khi liên kết với ôxy nó tạo ra cacbon điôxít là rất thiết yếu đối với sự sinh trưởng của thực vật. Khi liên kết với hiđrô, nó tạo ra một loạt các hợp chất gọi là các hiđrôcacbon là rất quan trọng đối với công nghiệp trong dạng của các nhiên liệu hóa thạch. Khi liên kết với cả ôxy và hiđrô nó có thể tạo ra rất nhiều nhóm các hợp chất bao gồm các axít béo, là cần thiết cho sự sống, và este, tạo ra hương vị của nhiều loại hoa quả. Đồng vị cacbon-14 được sử dụng phổ biến trong xác định niên đại bằng phóng xạ.

 

[thoa812]

Các thuộc tính đặc trưng của cácbon

Carbon là nguyên tố đáng chú ý vì nhiều lý do. Các dạng khác nhau của nó bao gồm một trong những chất mềm nhất (graphit) và một trong những chất cứng nhất (kim cương) mà con người biết đến. Ngoài ra, nó có ái lực lớn để tạo ra liên kết với các nguyên tử nhỏ khác, bao gồm cả các nguyên tử cacbon khác, và kích thước nhỏ của nó làm cho nó có khả năng tạo ra liên kết phức tạp. Vì các thuộc tính này, cacbon được biết đến như là nguyên tố có thể tạo ra cỡ 10 triệu loại hợp chất khác nhau, chiếm phần lớn trong các hợp chất hóa học. Các hợp chất của cacbon tạo ra nền tảng cho mọi loại hình sự sống trên Trái Đất và chu trình cacbon-nitơ dự trữ và tái cung cấp một số năng lượng được sản sinh từ Mặt Trời và các ngôi sao.

Cacbon đã không được tạo ra trong Vụ Nổ Lớn (The Big Bang) vì thiếu các yếu tố cần thiết cho sự va chạm ba của các hạt alpha (hạt nhân heli) để sản xuất nó. Vũ trụ đầu tiên được mở rộng ra và bị làm nguội quá nhanh để điều này có thể xảy ra. Tuy nhiên, nó được sản xuất trong tâm của các ngôi sao trong nhánh ngang, ở đó các ngôi sao chuyển hóa nhân heli thành cacbon bằng các cách thức của quy trình ba-alpha. Nó cũng đã được tạo ra trong các trạng thái nguyên tử phức tạp.

 

[thoa812]

Ứng dụng

Cacbon là các thành phần thiết yếu cho mọi sự sống đã biết, và không có nó thì sự sống mà chúng ta đã biết không thể tồn tại (Xem Sự sống phi cacbon). Việc sử dụng kinh tế chủ yếu của cacbon là trong dạng các hiđrôcacbon, chủ yếu là các nhiên liệu hóa thạch như than, khí mêtan và dầu mỏ (xăng dầu). Dầu mỏ được sử dụng trong công nghiệp hóa dầu để sản xuất ra các sản phẩm như xăng và dầu hỏa, thông qua các quy trình chưng cất trong lọc dầu. Dầu mỏ cũng là nguồn nguyên liệu cho nhiều chất hữu cơ tổng hợp khác, rất nhiều trong số chúng gọi chung là các chất dẻo (plastic).

Các ứng dụng khác

* Đồng vị Cacbon-14 được phát hiện vào ngày 27 tháng 2 năm 1940 và được sử dụng trong xác định niên đại bằng phóng xạ.
* Một số các thiết bị phát hiện sử dụng một lượng nhỏ đồng vị phóng xạ của cacbon làm nguồn bức xạ ion hóa (Phần lớn các thiết bị như thế sử dụng đồng vị của Americi)
* Graphit kết hợp với đất sét để tạo ra 'chì' sử dụng trong các loại bút chì.
* Kim cương được sử dụng vào mục đích trang sức hay trong các mũi khoan và các ứng dụng khác đòi hỏi độ cứng cao của nó.
* Cacbon được thêm vào quặng sắt để sản xuất gang và thép.
* Cacbon dưới dạng than chì được sử dụng như là các thanh điều tiết nơtron trong các lò phản ứng hạt nhân.
* Graphit cacbon trong dạng bột, bánh được sử dụng như là than để đun nấu, bột màu trong mỹ thuật và các sử dụng khác.
* Than hoạt tính được sử dụng trong y tế trong dạng bột hay viên thuốc để hấp thụ các chất độc từ hệ thống tiêu hóa hay trong các thiết bị thở.

Các thuộc tính hóa học và cấu trúc của các fulleren, trong dạng các cacbon ống nano, có ứng dụng đầy hứa hẹn trong các lĩnh vực mới phát sinh của công nghệ nano

 

[thoa812]

Sự phổ biến

Có khoảng 10 triệu hợp chất khác nhau của cacbon mà khoa học đã biết và hàng nghìn trong số đó là tối quan trọng cho các quá trình của sự sống và cho các phản ứng trên cơ sở hữu cơ rất quan trọng về kinh tế. Nguyên tố này phổ biến trong Mặt Trời, các ngôi sao, sao chổi, và trong khí quyển của phần lớn các hành tinh. Một số thiên thạch chứa kim cương vi tinh thể được tạo ra khi hệ Mặt Trời vẫn còn là một đĩa mẫu hành tinh. Trong tổ hợp với các nguyên tố khác, cacbon được tìm thấy trong bầu khí quyển Trái Đất và hòa tan trong mội thực thể có chứa nước. Với một lượng nhỏ hơn của canxi, magiê và sắt, nó tạo ra thành phần chủ yếu của một lượng rất lớn đá cacbonat (đá vôi, đôlômit, đá cẩm thạch v.v.). Khi tổ hợp với hiđrô, cacbon tạo thành than, dầu mỏ và khí tự nhiên, còn được gọi là các hiđrôcacbon.

Graphit được tìm thấy với một số lượng lớn ở các bang New York và Texas (Mỹ); Nga; Mexico; Greenland và Ấn Độ.

Kim cương tự nhiên có trong khoáng chất kimberlit tìm thấy trong các "cổ" hay "ống" núi lửa cổ đại. Phần lớn các mỏ kim cương nằm ở châu Phi, chủ yếu là Nam Phi, Namibia, Botswana, Cộng hòa Congo và Sierra Leone. Cũng có các mỏ ở Arkansas, Canada, vùng Bắc cực nước Nga, Brasil và ở miền bắc và tây nước Úc.

Các hợp chất

Ôxít nổi tiếng nhất của cacbon là cacbon điôxít, CO2. Nó là thành phần nhỏ của Khí quyển Trái Đất, được sử dụng và sản sinh ra bởi các thực thể sống, và nó có mặt ở mọi nơi. Trong nước nó tạo thành một lượng nhỏ axít cacbonic, H2CO3, nhưng giống như phần lớn các hợp chất với nhiều liên kết của các đơn nguyên tử ôxy trên một nguyên tử cacbon duy nhất là không bền. Thông qua trung gian này, các ion cacbonat ổn định hơn được tạo ra. Một số khoáng chất quan trọng là các cacbonat, nổi tiếng nhất là canxít. Cacbon đisulfua, CS2, là tương tự.

Các ôxít khác là cacbon mônôxít, CO và cacbon subôxít không phổ biến lắm, C3O2. Cacbon mônôxít được tạo ra do sự cháy không hết, và nó là chất khí không màu, không mùi. Các phân tử đều có liên kết ba và là phân cực thật sự, kết quả là chúng có xu hướng liên kết vĩnh cửu với các phân tử hemoglobin, vì thế khí này là một khí rất độc. Xyanua, CN-, có cấu trúc tương tự và có các tính chất rất giống với các ion halua; nitrua xyanogen, (CN)2, là tương tự.

Với các kim loại mạnh cacbon tạo ra hoặc là các cacbua, C-, hoặc các axetylua, C22-; các ion này có liên quan với mêtan và axetylen, cả hai đều là các axít rất yếu. Trên tất cả, với độ điện âm 2,55, cacbon có xu hướng tạo ra các liên kết cộng hóa trị. Một số cacbua là các lưới cộng hóa trị, giống như cacborundum, SiC, là chất giống với kim cương.

Đồng vị

Cacbon có 2 đồng vị ổn định, có nguồn gốc tự nhiên: cacbon-12, hay C12, (98,89%) và cacbon-13, hay C 13, (1,11%), và một đồng vị không ổn định, cũng có nguồn gốc tự nhiên là đồng vị phóng xạ; cacbon-14 hay C14. Ngoài ra còn biết 15 đồng vị khác nữa và đồng vị có tuổi ngắn nhất là C8, nó phân rã theo bức xạ proton và phân rã alpha. Nó có chu kỳ bán rã là 1,98739x10-21 s.

Năm 1961, Hiệp hội hóa học lý thuyết và ứng dụng (IUPAC) đã chấp nhận đồng vị cacbon-12 làm cơ sở để đo khối lượng nguyên tử.

Cacbon-14 có chu kỳ bán rã 5.700 năm và nó được sử dụng rộng rãi để xác định niên đại bằng phóng xạ, chủ yếu là trong khảo cổ học

NOTE: Cacbon tương đối an toàn. Tuy nhiên, việc hít thở vào một lượng khói lớn chứa thuần túy bồ hóng có thể gây nguy hiểm. Cacbon có thể bắt lửa ở nhiệt độ cao và cháy rất mãnh liệt (như trong Vụ cháy Windscale).

Có nhiều hợp chất của cacbon là những chất độc chết người như các (xyanua, CN-), hay cacbon mônôxít, CO và một số các chất có nguồn gốc tự nhiên hay tổng hợp khác.