SGK Hóa Học 11 - Bài 15: Cacbon

Chương
\ J CACBON - SI LU
Vị trí của cacbon, siỉic trong bảng tuần hoàn có liên quan nhu thế nào với cấu tạo nguyên tứ của chúng ?
Các đơn chất và hợp chất của cacbon, siỉỉc có những tính chất cơ bản nào ? Giải thích những tính chắt đó như thế nào trên cơ sở lí thuyết đã học ?
Làm thê'nào điều chế được cacbon, silic và một sốhợp chất quan trọng của các nguyên tố này ?
CACBON
& Biết được tính chất của cacbon liên quan như thế nào với cấu hình electron nguyên tử của nó.
& Biết được trạng thái tự nhiên, điều chế và ứng dụng của cacbon.
- VỊ. TRÍ VÀ CẤU HÌNH ELECTRON NGUYÊN TỬ
Cacbon ở ô thứ 6, nhóm IVA, chu kì 2 của bảng tuần hoàn.
Cấu hình electron của nguyên tử cacbon là ls2 2s2 2p2, lớp ngoài cùng có 4 electron, nên trong các hợp chất nguyên tử cacbon có thể tạo được tối đa 4 liên kết cộng hoá trị với các nguyên tử khác.
Các số oxi hoá của cacbon là -4, 0, +2 và +4.
- TÍNH CHẤT VẬT LÍ
Nguyên tố cacbon có một số dạng thù hình là kim cưcmg, than chì, fuleren, ... Chúng khác nhau về tính chất vật lí.
Hình 3.1. Cấu trúc của tinh thê kim cương (a)
tinh thể than chì (b) và/uleren (c)
Kim cương
Kim cương là chất tinh thể trong suốt, không màu, không dẫn điện, dẫn nhiệt kém. Trong tinh thể kim cương (hình 3.la), mỗi nguyên tử cacbon liên kết với bốn nguyên tử cacbon lân cận nằm trên các đỉnh của hình tứ diện đều bằng bốn
liên kết cộng hoá trị bền. Mỗi nguyên tử cacbon nằm ở đỉnh lại liên kết với bốn nguyên tử cacbon khác. Do cấu trúc này mà kim cương rất cứng, là chất cứng nhất trong tất cả các chất.
Than chì
Than chì là chất tinh thể màu xám đen. Tinh thể than chì có cấu trúc lớp (hình 3.lb). Trong một lớp, mỗi nguyên tử cacbon liên kết cộng hoá trị với ba nguyên tử cacbon lân cận nằm ở đỉnh của một tam giác đều. Các lớp lân cận liên kết với nhau bằng tương tác yếu, nên các lớp dễ tách khỏi nhau. Do cấu trúc này mà than chì mềm, khi vạch trên giấy nó để lại vạch đen gồm nhiều lớp tinh thể.
Fuleren
Fuleren gồm các phân tử C60, Cyg, ... Phân tử C60 có cấu trúc hình cầu rỗng,
gồm 32 mặt, với 60 đỉnh là 60 nguyên tử cacbon. Fuleren được phát hiện năm 1985.
Các loại than điều chế nhân tạo như than gỗ, than xương, than muội, ... được gọi chung là cacbon vô định hình. Than gỗ, than xương có cấu tạo xốp, nên chúng có khả năng hấp phụ mạnh các chất khí và chất tan trong dung dịch.
Ill	- TÍNH CHẤT HOÁ HỌC
Trong các dạng tồn tại của cacbon, cacbon vô định hình hoạt động hơn cả về mặt hoá học. Tuy nhiên, ở nhiệt độ thường cacbon khá trơ, còn khi đun nóng nó phản ứng được với nhiều chất.
Trong các phản ứng oxi hoá - khử, đơn chất cacbon có thể tăng hoặc giảm số oxi hoá, nên nó thể hiện tính khử hoặc tính oxi hoá. Tuy nhiên, tính khử vẫn là tính chất chủ yếu của cacbon.
Tính khử
Tác dụng với oxỉ
Cacbon cháy được trong không khí, phản ứng toả nhiều nhiệt:
0	.0+4
c +02	—> co2
Ở nhiệt độ cao, cacbon lại khử được co2 theo phản ứng :
+4	2, t° +2
co2 + C —» 2g0
Do đó, sản phẩm khi đốt cacbon trong không khí, ngoài khí CO2 còn có một ít khí CO.
Tác dụng với hợp chất
Ở nhiệt độ cao, cacbon có thể khử được nhiều oxit, phản ứng với nhiều chất oxi hoá khác như HNO3, H2SO4 đặc, KCIO^...
0	 ,0	+4
Thídụ:	C + 4HNO3(đặc)~——» C02+4NO2 + 2H2O
Tính oxi hoá
Tác dụng với hiđro
Ở nhiệt độ cao và có chất xúc tác, c tác dụng với khí H2 tạo thành khí CH4 :
0	-4 •
c +2H2	{ ’xt > CH4
Tác dụng với kim loại
Ở nhiệt độ cao, c tác dụng được với một số kim loại tạo thành cacbua kim loại. . 0	,0	-4
Thí dụ :	4A1 +3C	—-—> A14C 3
nhôm cacbua
- ỨNG DỤNG
Kim cương được dùng làm đồ trang sức, chế tạo mũi khoan, dao cắt thuỷ tinh, làm bột mài.
Than chì được dùng làm điện cực, làm nồi để nấu chảy các hợp 'kim chịu nhiệt, chế tạo chất bôi trơn, làm bút chì đen.
Than cốc được dùng làm chất khử trong luyện kim, để luyện kim loại từ quặng. Than gỗ được dùng để chế tạo thuốc nổ đen, thuốc pháo, ...
Loại than có khả nàng hấp phụ mạnh được gọi là than hoạt tính. Than hoạt tính được dùng trong mặt nạ phòng độc và trong công nghiệp hoá chất. .
Than muội được dùng làm chất độn cao su. để sản xuất mực in, xi đánh giầy,...
- TRẠNG THÁI Tự NHIÊN
Trong tự nhiên, kim cương và than chì là cacbon tự do gần như tinh khiết. Ngoài ra, cacbon còn có trong các khoáng vật như canxit (đá vôi, đá phấn, đá hoa đều chứa CaCO3), magiezit (MgCO3), đolomit (CaCO3.MgCO3) (hình 3.2),... và là thành phần chính của các loại than mỏ (than antraxit, than mỡ, than nâu, than bùn, chúng khác nhau về tuổi địa chất và hàm lượng cacbon), dầu mỏ, khí thiên nhiên. Hợp chất của cacbon là thành phần cơ sở của các tế bào động vật và thực vật, nên cacbon có vai trò rất lớn đối với sự sống.
Nước ta có mỏ than antraxit lớn ở Quảng Ninh, một số mỏ than nhỏ hơn ở Thanh Hoá, Nghệ An, Quảng Nam, .. .
• a) Canxit	b) Đolomit	c) Magiezit
Hình Một số khoáng vật của cacbon
- ĐIỀU CHÊ
Kim cương nhân tạo được điều chế từ than chì, bằng cách nung than chì ở khoảng 2000 °C, dưới áp suất 50 đến 100 nghìn atmotphe với chất xúc tác là sắt, crom hay niken.
Than chì nhân tạo được điều chế bằng cách nung than cốc ở 2500 - 3000 °C trong lò điện, không có mặt không khí.
Than cốc được điều chế bằng cách nung than mỡ khoảng 1000 °C trong lò cốc, không có không khí.
Than mỏ được khai thác trực tiếp từ các vỉa than nằm ở các độ sâu khác nhau dưới mặt đất.
Than gỗ được tạo nên khi đốt gỗ trong điều kiện thiếu không khí.
Than muội được tạo nên khi nhiệt phân metan có chất xúc tác :
CH4 l°’xt > c + 2H2
BÀI TẬP
Tại sao hầu hết các hợp chất của cacbon lại là hợp chất cộng hoá trị ?
Tính oxi hoá của cacbon thể hiện ỏ phản ứng nào trong các phản ứng sau ?
A. c + O2 	> CO2
B. c + 2CuO
	> 2Cu + CO2
c. 3C + 4AI
> AI4C3
D. c + H2O 	> CO + H2
Tính khử của cacbon thể hiện ở phản ứng nào trong các phản ứng sau ? A. 2C + Ca 	> CaC2
B. c + 2H2
	> ch4
c. c + CO3
——> 2CO
D. 3C + 4AI 	> AI4C3
Lập phương trình hoá học của các phản ứng sau đây
H2SO4 (đặc) + c	—-—> SO2 + CO2 + ?
HNO3 (đặc) + c —NO2 + CO2 + ?
c) CaO + c
- 1 > CaC2 + CO
d) SiO2 + c
—Si + CO
Đốt một mẫu than đá (chứa tạp chất không cháy) có khối lượng 0,600 kg trong oxi dư, thu được 1,06 m3 (đktc) khí cacbonic. Tính thành phần phần trăm khối lượng của cacbon trong mẫu than đá trên.