CÁC DẠNG THÙ HÌNH CACBON

Mục lục
Contents

1


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
14
C.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.
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.

2

1.

PHẦN A: TỔNG QUAN CÁC DẠNG THÙ HÌNH CACBON
I.
KIM CƯƠNG (DIAMOND)
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
3


3.

bằng 10. Tuy nhiên kim cương lại giòn và có thể nghiền
Hình 1: kiến trúc tinh thể kim cương
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
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
4


I.

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
THAN CHÌ (GRAPHIT)
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:
5


•

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.

4.

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
Phân bố, khai thác, điều chế
6


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
CACBON VÔ ĐỊNH HÌNH
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.
•

II.

7


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 СО 2trên 1 giây, năng lượng
tỏa ra là 140-200 kJ/mol. Tốc độ phản ứng với О 2 (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

8


3.

4.

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:
• Than cốc được sử dụng để nung chảy gang (cốc lò
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.
• Được dùng nhiều trong công nghiệp luyện kim
 Than muội:
• Dùng làm mực in, giấy than, mực tàu
• Chủ yếu (đến 90%) làm chất độn cho cao su chế lốp
ô tô
•
Muội than cũng được sử dụng trong một số vật liệu
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
• Trong công nghiệp hóa học: làm chất xúc tác và
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 hóa dược-mỹ phẩm: sản xuất dược mỹ phẩm
• Trong xử lí nước: diệt khuẩn, khử mùi hiệu quả cao

Điều chế
• than gỗ: được tạo nên trong điều kiện đốt cháy

không khí

9


-

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 10001200 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

III.

CÁC DẠNG THÙ HÌNH KHÁC CỦA CACBON
10


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 C 60 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.

11


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↑
12

-

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

Tài liệu tham khảo:
1. Hóa học vô cơ- tập 2- Hoàng Nhâm
2. wikipedia.org
3. hoahocngaynay.com
13