CARBON: ĐẶC TÍNH, CẤU TRÚC, THU NHẬN, SỬ DỤNG - HÓA HỌC - 2026

Các carbon là một tổ chức phi - nguyên tố hóa học kim loại có ký hiệu hóa học được đặt tên theo C. than, thực vật hoặc khoáng sản, trong đó nguyên tử của nó xác định cấu trúc khác nhau. Nhiều tác giả coi nó là Vua của các nguyên tố, vì nó tạo thành một loạt các hợp chất hữu cơ và vô cơ, và cũng xuất hiện ở một số lượng đáng kể các dạng thù hình.

Và nếu điều này không đủ để coi nó như một nguyên tố đặc biệt, nó được tìm thấy trong mọi sinh vật; tất cả các phân tử sinh học của nó có được nhờ vào sự ổn định và sức mạnh của các liên kết CC và xu hướng liên kết cao của chúng. Carbon là nguyên tố của sự sống, và với các nguyên tử của nó, cơ thể của chúng được tạo nên.

Gỗ của cây có thành phần chủ yếu là cacbohydrat, một trong những hợp chất giàu cacbon. Nguồn: Pexels.

Các hợp chất hữu cơ mà vật liệu sinh học được tạo ra trên thực tế bao gồm bộ xương carbon và dị nguyên tử. Chúng có thể nhìn thấy bằng mắt thường trong gỗ của cây; và khi sét đánh chúng và nướng chúng. Chất rắn trơ màu đen còn lại cũng có cacbon; nhưng nó là than.

Do đó, có những biểu hiện “chết” của nguyên tố này: than củi, một sản phẩm của quá trình đốt cháy trong môi trường nghèo oxy; và than khoáng, một sản phẩm của quá trình địa chất. Cả hai chất rắn trông giống nhau, chúng có màu đen, và chúng cháy để tạo ra nhiệt và năng lượng; mặc dù với sản lượng khác nhau.

Kể từ thời điểm này, carbon là nguyên tố phong phú thứ 15 trong vỏ trái đất. Không có gì lạ khi hàng triệu tấn than được sản xuất hàng năm. Các khoáng chất này khác nhau về tính chất tùy thuộc vào mức độ tạp chất, xếp antraxit là loại than khoáng chất lượng cao nhất.

Vỏ trái đất không chỉ giàu than khoáng mà còn có nhiều muối cacbonat, đặc biệt là đá vôi và đá dolomit. Và liên quan đến Vũ trụ, nó là nguyên tố phong phú thứ tư; Ý tôi là, có nhiều carbon hơn trên các hành tinh khác.

Lịch sử carbon

Hồi tưởng

Carbon có thể già như chính vỏ trái đất. Từ thời xa xưa, các nền văn minh cổ đại đã bắt gặp nguyên tố này trong nhiều hình thức tự nhiên của nó: bồ hóng, than củi, than củi, than hoa, kim cương, than chì, nhựa than đá, than antraxit, v.v.

Tất cả các chất rắn đó, mặc dù chúng có chung tông màu tối (ngoại trừ kim cương), phần còn lại của các tính chất vật lý, cũng như thành phần của chúng, khác nhau đáng kể. Hồi đó không thể khẳng định rằng chúng về cơ bản bao gồm các nguyên tử cacbon.

Do đó, trong suốt lịch sử, than được phân loại theo chất lượng của nó tại thời điểm đốt và cung cấp nhiệt. Và với các khí được hình thành do quá trình đốt cháy của nó, các khối nước được đốt nóng, do đó tạo ra hơi làm chuyển động các tuabin tạo ra dòng điện.

Carbon một cách không nghi ngờ có trong than củi được tạo ra bằng cách đốt cây trong không gian kín hoặc kín; trong than chì mà bút chì được tạo ra; trong kim cương dùng làm đá quý; ông chịu trách nhiệm về độ cứng của thép.

Lịch sử của nó đi liền với gỗ, thuốc súng, khí đốt thành phố, xe lửa và tàu thủy, bia, chất bôi trơn và các đồ vật thiết yếu khác cho sự tiến bộ của nhân loại.

Sự công nhận

Tại thời điểm nào các nhà khoa học có thể liên kết các dạng thù hình và khoáng chất của cacbon với cùng một nguyên tố? Than được xem như một loại khoáng chất, và nó không được coi là một nguyên tố hóa học xứng đáng trong bảng tuần hoàn. Bước đầu tiên cần phải chứng minh rằng tất cả các chất rắn này đều được biến đổi thành cùng một loại khí: cacbon đioxit, CO ₂ .

Antoine Lavoisier vào năm 1772, sử dụng khung gỗ với thấu kính lớn, tập trung tia nắng mặt trời vào các mẫu than củi và một viên kim cương. Ông nhận thấy rằng cả hai đều không tạo thành hơi nước mà là khí CO ₂ . Anh cũng làm như vậy với muội và cũng nhận được kết quả tương tự.

Carl Wilhelm Scheele năm 1779, đã tìm ra mối quan hệ hóa học giữa than củi và than chì; nghĩa là, cả hai chất rắn đều được cấu tạo từ các nguyên tử giống nhau.

Smithson Tennant và William Hyde Wollaston vào năm 1797 đã xác minh bằng phương pháp (thông qua các phản ứng) rằng kim cương thực sự được cấu tạo từ cacbon bằng cách tạo ra CO ₂ trong quá trình đốt cháy của nó.

Với những kết quả này, ánh sáng đã sớm chiếu vào than chì và kim cương, những chất rắn được tạo thành bởi cacbon, và do đó, có độ tinh khiết cao; không giống như chất rắn không tinh khiết của than đá và các khoáng chất cacbon khác.

Tính chất

Các đặc tính vật lý hoặc hóa học được tìm thấy trong chất rắn, khoáng chất hoặc vật liệu cacbon có thể phụ thuộc vào nhiều biến số. Trong số đó có: thành phần hoặc mức độ tạp chất, sự lai hóa của các nguyên tử cacbon, sự đa dạng của cấu trúc, và hình thái hoặc kích thước của lỗ xốp.

Khi mô tả các đặc tính của cacbon, hầu hết các văn bản hoặc nguồn thư mục đều dựa trên than chì và kim cương.

Tại sao? Vì chúng là dạng thù hình được biết đến nhiều nhất cho nguyên tố này và đại diện cho chất rắn hoặc vật liệu có độ tinh khiết cao; nghĩa là chúng thực tế được tạo ra từ không gì khác ngoài các nguyên tử cacbon (mặc dù có cấu trúc khác nhau, như sẽ được giải thích trong phần tiếp theo).

Các đặc tính của than củi và than khoáng khác nhau về nguồn gốc hoặc thành phần của chúng, tương ứng. Ví dụ, than non (cacbon thấp) làm nhiên liệu thu thập thông tin so với than antraxit (cacbon cao). Và những gì về các dạng thù hình khác: ống nano, fulleren, graphen, grafin, v.v.

Tuy nhiên, về mặt hóa học, chúng có một điểm chung: chúng oxy hóa với lượng dư oxy trong CO ₂ :

C + O ₂ => CO ₂

Bây giờ, tốc độ hoặc nhiệt độ mà chúng yêu cầu để oxy hóa là đặc trưng cho từng dạng thù hình này.

Graphite vs kim cương

Một nhận xét ngắn gọn cũng sẽ được thực hiện ở đây về các thuộc tính rất khác nhau của hai dạng thù hình này:

Bảng trong đó so sánh một số tính chất của hai dạng thù hình tinh thể của cacbon. Nguồn: Gabriel Bolívar.

Cấu trúc và cấu hình điện tử

Lai hóa

Mối quan hệ giữa các obitan lai hóa và các cấu trúc có thể có của cacbon. Nguồn: Gabriel Bolívar.

Cấu hình electron của nguyên tử cacbon là 1s ² 2s ² 2p ² , còn được viết là 2s ² 2p ² (hình trên). Biểu diễn này tương ứng với trạng thái cơ bản của nó: nguyên tử cacbon bị cô lập và lơ lửng trong chân không đến mức nó không thể tương tác với những nguyên tử khác.

Có thể thấy rằng một trong các obitan 2p của nó thiếu electron, nó nhận một electron từ obitan 2s có năng lượng thấp hơn thông qua xúc tiến điện tử; và do đó, nguyên tử có được khả năng hình thành tối đa bốn liên kết cộng hóa trị thông qua bốn obitan lai hóa sp ³ của nó .

Lưu ý rằng cả bốn obitan sp ³ đều suy biến năng lượng (sắp xếp trên cùng một mức). Các obitan p thuần túy có nhiều năng lượng hơn, đó là lý do tại sao chúng được đặt phía trên các obitan lai hóa khác (ở bên phải của hình ảnh).

Nếu có ba obitan lai hóa, đó là vì một obitan p không bị suy giảm; do đó, chúng là ba obitan sp ² . Và khi có hai trong số các obitan lai hóa này, hai obitan p có sẵn để tạo liên kết đôi hoặc liên kết ba, là sự lai hóa của cacbon sp.

Các khía cạnh điện tử như vậy là điều cần thiết để hiểu tại sao cacbon có thể được tìm thấy trong vô số dạng thù hình.

Số oxi hóa

Trước khi tiếp tục với các cấu trúc, cần nhắc lại rằng, với cấu hình electron của hóa trị 2s ² 2p ² , cacbon có thể có các số oxi hóa sau: +4, +2, 0, -2 và -4.

Tại sao? Những con số này tương ứng với giả định rằng có một liên kết ion để bạn tạo thành các ion với các điện tích tương ứng; nghĩa là, C ⁴⁺ , C ²⁺ , C ⁰ (trung tính), C ^2- và C ^4- .

Để cacbon có số oxi hóa dương thì nó phải mất electron; Và để làm như vậy, nó nhất thiết phải được liên kết với các nguyên tử rất âm điện (như oxy).

Trong khi đó, để cacbon có số oxi hóa âm, nó phải thu được electron bằng cách liên kết với nguyên tử kim loại hoặc có độ âm điện nhỏ hơn nó (chẳng hạn như hydro).

Số oxi hóa đầu tiên, +4, có nghĩa là cacbon đã mất tất cả các điện tử hóa trị của nó; các obitan 2s và 2p vẫn trống. Nếu obitan 2p mất đi hai electron thì cacbon sẽ có số oxi hóa +2; nếu bạn nhận được hai electron, bạn sẽ có -2; và nếu bạn nhận được thêm hai electron bằng cách hoàn thành octet hóa trị của bạn, -4.

Ví dụ

Ví dụ, đối với CO ₂ , số oxi hóa của cacbon là +4 (vì oxi có độ âm điện lớn hơn); còn đối với CH ₄ thì là -4 (vì hiđro kém âm điện hơn).

Đối với CH ₃ OH, số oxi hóa của cacbon là -2 (+1 đối với H và -2 đối với O); trong khi đối với HCOOH, nó là +2 (kiểm tra xem tổng bằng 0).

Các trạng thái oxy hóa khác, chẳng hạn như -3 và +3, cũng có khả năng xảy ra, đặc biệt là khi nói đến các phân tử hữu cơ; ví dụ, trong các nhóm metyl, -CH ₃ .

Hình học phân tử

Hình ảnh trên không chỉ cho thấy sự lai hóa của các obitan đối với nguyên tử cacbon, mà còn là kết quả hình học phân tử khi một số nguyên tử (quả cầu đen) được liên kết với một nguyên tử trung tâm. Nguyên tử trung tâm này để có một môi trường hình học cụ thể trong không gian, phải có sự lai hoá hoá học tương ứng cho phép nó.

Ví dụ, đối với tứ diện, cacbon trung tâm có lai hóa sp ³ ; bởi vì đó là cách sắp xếp ổn định nhất cho bốn obitan lai hóa sp ³ . Trong trường hợp sp ² nguyên tử , chúng có thể tạo liên kết đôi và có môi trường mặt phẳng tam giác; và do đó những hình tam giác này xác định một hình lục giác hoàn hảo. Và để lai hóa sp, các cacbon có dạng hình học tuyến tính.

Do đó, các hình học quan sát được trong cấu trúc của tất cả các dạng thù hình chỉ đơn giản được điều chỉnh bởi tứ diện (sp ³ ), lục giác hoặc ngũ giác (sp ² ), và đường (sp).

Khối tứ diện xác định cấu trúc 3D, trong khi hình lục giác, ngũ giác và đường thẳng, cấu trúc 3D hoặc 2D; Sau đó là các mặt phẳng hoặc tấm tương tự như các bức tường của tổ ong:

Bức tường với thiết kế hình lục giác của một tổ ong tương tự như các mặt phẳng cấu tạo từ cácbon sp2. Nguồn: Pixabay.

Và nếu chúng ta gấp bức tường lục giác này (ngũ giác hoặc hỗn hợp), chúng ta sẽ thu được một cái ống (ống nano) hoặc một quả bóng (fullerenes), hoặc một hình khác. Sự tương tác giữa các số liệu này làm phát sinh các hình thái khác nhau.

Chất rắn vô định hình hoặc tinh thể

Bỏ qua các dạng hình học, dạng lai hóa hoặc hình thái của các cấu trúc có thể có của cacbon, chất rắn của nó có thể được phân loại toàn cầu thành hai loại: vô định hình hoặc tinh thể. Và giữa hai cách phân loại này, các dạng thù hình của chúng được phân bố.

Cacbon vô định hình chỉ đơn giản là một trong những hỗn hợp tùy ý của tứ diện, hình lục giác hoặc đường thẳng, không thể thiết lập một dạng cấu trúc; chẳng hạn như trường hợp của than đá, than củi hoặc than hoạt tính, than cốc, bồ hóng, v.v.

Trong khi cacbon tinh thể bao gồm các mẫu cấu trúc được tạo thành từ bất kỳ dạng hình học nào được đề xuất; ví dụ, kim cương (mạng ba chiều của tứ diện) và than chì (các tấm lục giác xếp chồng lên nhau).

Thu được

Carbon có thể tinh khiết như than chì hoặc kim cương. Chúng được tìm thấy trong các mỏ khoáng vật học tương ứng của chúng, nằm rải rác trên toàn cầu và ở các quốc gia khác nhau. Đó là lý do tại sao một số quốc gia xuất khẩu một trong những loại khoáng sản này nhiều hơn những quốc gia khác. Nói tóm lại, "bạn phải đào đất" để lấy carbon.

Điều tương tự cũng áp dụng cho than khoáng và các loại của nó. Nhưng đây không phải là trường hợp của than củi, vì một cơ thể giàu carbon trước tiên phải "diệt vong", dưới lửa, hoặc một tia sét điện; tất nhiên, trong điều kiện không có oxy, nếu không CO ₂ sẽ được giải phóng .

Toàn bộ khu rừng là một nguồn carbon như than củi; không chỉ cho cây cối, mà còn cho hệ động vật của nó.

Nói chung, các mẫu chứa cacbon phải trải qua quá trình nhiệt phân (đốt trong điều kiện không có oxy) để giải phóng một số tạp chất dưới dạng khí; và do đó, chất rắn giàu cacbon (vô định hình hoặc tinh thể) vẫn còn ở dạng cặn.

Các ứng dụng

Một lần nữa, giống như đặc tính và cấu trúc, việc sử dụng hoặc ứng dụng phù hợp với các dạng thù hình hoặc dạng khoáng vật của cacbon. Tuy nhiên, có một số điểm khái quát nhất định có thể được đề cập, bên cạnh một số điểm đã biết. Đó là:

-Cacbon đã được sử dụng từ lâu như một chất khử khoáng để thu được kim loại nguyên chất; ví dụ, sắt, silic và phốt pho, trong số những thứ khác.

-Đó là nền tảng của sự sống, và hóa học hữu cơ và hóa sinh là những nghiên cứu về sự phản ánh này.

-Nó cũng là một loại nhiên liệu hóa thạch cho phép những cỗ máy đầu tiên khởi động bánh răng của chúng. Theo cách tương tự, khí carbon cho hệ thống chiếu sáng cũ cũng được lấy từ nó. Than đồng nghĩa với ánh sáng, nhiệt và năng lượng.

- Trộn như một chất phụ gia với sắt theo các tỷ lệ khác nhau cho phép phát minh và cải tiến thép.

-Màu đen của nó đã xuất hiện trong nghệ thuật, đặc biệt là than chì và tất cả các tác phẩm được làm bằng đường nét của nó.

Rủi ro và biện pháp phòng ngừa

Carbon và chất rắn của nó không gây ra bất kỳ nguy cơ nào đối với sức khỏe. Ai đã quan tâm đến một túi than? Chúng được bán thành từng đợt trong các lối đi của một số chợ, và miễn là không có lửa gần đó, các khối đen của chúng sẽ không cháy.

Mặt khác, than cốc có thể gây rủi ro nếu hàm lượng lưu huỳnh của nó cao. Khi cháy, nó sẽ giải phóng các khí sunfurơ, ngoài việc độc hại, nó góp phần tạo ra mưa axit. Và mặc dù CO ₂ với một lượng nhỏ không thể làm chúng ta ngạt thở, nhưng nó có tác động rất lớn đến môi trường như một khí nhà kính.

Từ quan điểm này, carbon là một mối nguy hiểm “lâu dài”, vì quá trình đốt cháy của nó làm thay đổi khí hậu của hành tinh chúng ta.

Và theo nghĩa vật lý hơn, các vật liệu rắn hoặc cacbon nếu chúng được nghiền thành bột sẽ dễ dàng vận chuyển bằng các dòng không khí; và do đó, chúng được đưa trực tiếp đến phổi, có thể gây tổn hại không thể sửa chữa được.

Đối với những người còn lại, việc tiêu thụ "than củi" khi một số thực phẩm được nấu chín là rất phổ biến.

Người giới thiệu

1. Morrison, RT và Boyd, R, N. (1987). Hóa học hữu cơ. Phiên bản thứ 5. Biên tập Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Hóa học hữu cơ. (Tái bản lần thứ sáu). Đồi Mc Graw.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Hóa học hữu cơ. Các amin. (Tái bản lần thứ 10.). Wiley Plus.
4. Andrew. (2019). Carbon, các dạng và cấu trúc của nó. Phục hồi từ: everyscience.com
5. Advameg, Inc. (2019). Than đá. Hóa học giải thích. Phục hồi từ: chemistryexplained.com
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (Ngày 11 tháng 7 năm 2018). 10 Sự thật về Carbon (Số nguyên tử 6 hoặc C). Phục hồi từ: thinkco.com
7. Tawnya Eash. (2019). Carbon là gì? - Sự kiện & Bài học Lịch sử cho Trẻ em. Học. Phục hồi từ: study.com
8. Föll. (sf). Lịch sử của Carbon. Được khôi phục từ: tf.uni-kiel.de