Cacbon

Các thuộc tính đặc trưng

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 hai trong những chất cứng nhất (graphene và kim cương, hay fullerene -hợp chất rất cứng có thể nói là cứng nhất của carbon và các hợp chất khác) cũng như là chất bán dẫn tốt nhất, hơn cả silic (graphene). 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 cũng có điểm thăng hoa cao nhất trong tất cả các nguyên tố. Trong điều kiện áp suất khí quyển nó không có điểm nóng chảy vì điểm ba trạng thái của nó ở tại 10,8 ± 0,2 MPa và 4.600 ± 300 K (~4.330 °C hay 7.820 °F), do đó nhiệt độ thăng hoa của nó trong trường hợp này vào khoảng 3.900 K.

Sự phổ biến

Cacbon là nguyên tố phổ biến thứ 4 trong vũ trụ về khối lượng sau hydro, heli, và ôxy. Cacbon có rất nhiều trong Mặt Trời, các ngôi sao, sao chổi và bầu khí quyển của phần lớn các hành tinh. Một số thiên thạch chứa các kim cương vi tinh thể, loại được hình thành khi hệ Mặt Trời vẫn còn là một đĩa tiền hành tinh. Các kim cương vi tinh thể này có thể đã được tạo ra bằng áp lực rất mạnh và nhiệt độ cao tại những nơi mà thiên thạch đó va chạm.
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. Trong tổ hợp với các nguyên tố khác, cacbon được tìm thấy trong bầu khí quyển Trái Đất và hòa tan trong mọi 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; México; 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.

Chu trình cacbon

Trong những điều kiện của Trái Đất, sự chuyển hóa từ một đồng vị sang một đồng vị khác là rất hiếm. Vì thế, đối với các mục đích thực tiễn, khối lượng của cacbon trên Trái Đất có thể coi là một hằng số. Vì vậy các quá trình sử dụng cacbon phải thu nhận nó từ một nơi nào đó và giải phóng nó ở một nơi nào khác. Chu trình mà cacbon luân chuyển trong môi trường được gọi là chu trình cacbon. Ví dụ, thực vật lấy cacbon điôxít từ môi trường và sử dụng nó để tạo ra khối lượng sinh học. Một số trong khối lượng sinh học này được động vật ăn, ở đó một phần chúng cuối cùng lại được thải ra dưới dạng cacbon điôxít. Chu trình cacbon trong thực tế phức tạp hơn nhiều so với ví dụ nhỏ này; ví dụ, một phần cacbon điôxít bị hòa tan trong nước biển; các động thực vật chết có thể trở thành đá trầm tích v.v.

Đồng vị

Cacbon có 2 đồng vị ổn định, có nguồn gốc tự nhiên: cacbon-12, hay ¹²C, (98,89%) và cacbon-13, hay ¹³C, (1,11%), Năm 1961, Liên đoàn Quốc tế về Hoá học Thuần túy và Ứng dụng (IUPAC) đã chấp nhận đồng vị cacbon-12 làm cơ sở để đo khối lượng nguyên tử.
Một đồng vị không ổn định, cũng có nguồn gốc tự nhiên là đồng vị phóng xạ cacbon-14 hay ¹⁴C. Đồng vị ¹⁴C phát sinh do sự tương tác của neutron ¹n trong bức xạ vũ trụ với nitơ ¹⁴N trong khí quyển. Nó được thực vật hấp thụ bằng quá trình quang hợp như với mọi đồng vị carbon khác, và lan truyền vào mọi cơ thể sống theo chuỗi thức ăn. Khi sinh vật chết chúng lắng đọng trong các tầng đất, đặc biệt trong than bùn và các vật liệu hữu cơ khác. Đồng vị này phân rã bằng cách phát xạ hạt β⁻ có năng lượng 0,158 MeV. Do chu kỳ bán rã có 5730 năm, ¹⁴C hầu như không có mặt trong các đá cổ, Sự phong phú của ¹⁴C trong khí quyển và trong các cơ thể sống là một hằng số, nhưng chúng sẽ giảm sau khi sinh vật đó chết đi, và tỷ số đồng vị ¹⁴C/¹²C nói lên quãng thời gian chết của chúng. Nguyên tắc này được sử dụng trong phương pháp định tuổi bằng đồng vị cacbon cho mẫu vật, được Willard Libby phát minh năm 1949, và nay được sử dụng rộng rãi để xác định tuổi của các mẫu vật chứa cacbon với giới hạn lên đến khoảng 60.000 năm và được ứng dụng chủ yếu trong khảo cổ học.
Tỷ số đồng vị ¹³C/¹²C trong trầm tích cổ được sử dụng để nghiên cứu cổ khí hậu (Paleoclimate). Nó dựa trên hiện tượng thực vật thực hiện quang hợp với ¹²C dễ hơn. Do đó những sinh vật phù du ở biển như benthic foraminifera khi phát triển mạnh thì làm lệch tỷ số đồng vị. Nếu các tầng nước đại dương không bị đối lưu pha trộn, thì sự lệch tỷ số này xảy ra trong thời gian dài, và dấu hiệu này được lưu giữ trong các tầng trầm tích biển. (Lynch-Stieglitz et al., 1995)
Tổng số đồng vị carbon là 15, từ ⁸C đến ²²C, trong đó 12 đồng vị là nhân tạo. Đồng vị có tuổi ngắn nhất là ⁸C, nó phân rã theo bức xạ proton và phân rã alpha, có chu kỳ bán rã là 1,98739x10⁻²¹ s. Đồng vị kích thích ¹⁹C thể hiện tính chất của một hạt nhân halo, tức là bán kính của nó có thể lớn hơn đáng kể so với bán kính dự đoán nếu hạt nhân nguyên tử là một khối hình cầu có tỷ trọng không đổi.

Hình thành trong các ngôi sao

Cacbon đã không được tạo ra trong Vụ Nổ Lớn 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.

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).

Lịch sử

Ít ai nghĩ sợi carbon (Carbon fiber – CF) được sáng chế vào năm 1879 bởi Thomas Edison và được coi là loại sợi tổng hợp cổ nhất của loài người, lại có giá trị lớn lao đến thế đối với sự phát triển khoa học kỹ thuật hiện đại. Ban đầu, nhà phát minh này đã sử dụng sợi carbon làm dây tóc của bóng đèn. Mặc dù lúc đó sợi sợi carbon không giống như sợi carbon ngày nay, nhưng chúng lại có sức chịu đựng đáng kể với nhiệt độ, điều này khiến cho sợi carbon trở thành ý tưởng không tồi cho các loại sợi dẫn điện.
Edison chế tạo sợi carbon dựa trên chất xenluloza gồm có cotton hoặc tre, hoàn toàn không giống như sợi carbon ngày nay làm từ dầu mỏ. Sự carbon hóa được tiến hành từ việc đốt cháy các sợi tre ở nhiệt độ cao trong môi trường tiêu chuẩn dưới sự kiểm soát chặt chẽ. Thomas Edison đã mất 40 giờ đốt cháy liên tục vật chất trên nhằm loại bỏ oxy, nitơ, hydro và chỉ giữ lại carbon để tạo ra những sợi carbon đầu tiên trên thế giới. Phương pháp chế tạo trên được gọi là “nhiệt phân” và vẫn được dùng trong thời đại ngày nay. Kết quả là những sợi tre được “carbon hóa” có khả năng chịu lửa và nhiệt độ cao – điều kiện cần thiết cho sự cháy sáng của dây tóc bóng đèn.
Về sau, đến tận những năm 1950 khả năng kéo giãn của sợi carbon mới được khám phá. Người đầu tiên được cho là tạo ra sợi carbon ngày nay có tên là Rayon. Ngày nay, sợi carbon hiện đại được sản xuất bởi một vật liệu có tên là polyacrylonitrile (PAN), đây cũng là nguyên liệu được sử dụng để sản xuất hầu hết khối lượng sợi carbon hiện tại.

Hợp chất với kim loại

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.

Mạch cacbon

Các hiđrôcacbon là một mạch của các nguyên tử cacbon, được bão hòa bởi các nguyên tử hiđrô. Các loại xăng dầu có mạch cacbon ngắn. Các chất béo có mạch cacbon dài hơn, và các loại sáp có mạch cacbon cực dài.

Cảnh báo

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.