CACBON

I - TÍNH CHẤT VẬT LÍ
Cacbon tạo thành một số dạng thù hình, khác nhau về tính chất vật lí. Sau đây là một số dạng thù hình của cacbon.
Kim cương là chất tinh thể không màu, trong suốt, không dẫn điện, dẫn nhiệt kém, có khối lượng riêng là $3,51  g/cm^3$. Tinh thể kim cương thuộc loại tinh thể nguyên tử điển hình, trong đó mỗi nguyên tử cacbon tạo bốn liên kết cộng hóa trị bền với bốn nguyên tử cacbon lân cận nằm trên các đỉnh của hình tứ diện đều. Mỗi nguyên tử cacbon ở đỉnh lại liên kết với bốn nguyên tử cacbon khác. Độ dài của liên kết $C-C$ bằng $0,154 nm$. Do cấu trúc này nên kim cương là chất cứng nhất trong tất cả các chất.
Than chì là tinh thể màu xám đen, có ánh kim, dẫn điện tốt nhưng kém kim loại. Tinh thể than chì có cấu trúc lớp.
Trong một lớp, mỗi nguyên tử cacbon liên kết theo kiểu cộng hóa trị với ba nguyên tử cacbon lân cận nằm ở đỉnh của một tam giác đều. Độ dài của liên kết $C-C$ bằng $0,142  nm$. Khoảng cách giữa hai nguyên tử cacbon thuộc hai lớp lân cận nhau là $0,34  nm$. Các lớp liên kết với nhau bằng lực tương tác yếu, nên các lớp dễ tách khỏi nhau. Khi vạch than chì trên giấy, nó để lại vạch đen gồm nhiều lớp tinh thể than chì.
Fuleren gồm các phân tử $C_ {60}, C_{70}$,... Phân tử $C_{60}$ có cấu trúc hình cầu rỗng (hình $3.3$) gồm $32$ mặt với $60$ đỉnh là $60$ nguyên tử cacbon. Fuleten được phát hiện năm $1985$.
Than điều chế nhân tạo như than cốc , 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 thụ mạnh các chất khí và chất tan trong dung dịch.

II - TÍNH CHẤT HÓA CHẤT
Trong các dạng tồn tại của cacbon, cacbon vô định hình hoạt động hơn cả về mặt hóa học. Tuy nhiên, ở nhiệt độ thường cacbon khá trơ, còn khi đun nóng nó phản ứng được với nhiều chất.
Trong các hợp chất của cacbon với những nguyên tố có độ âm điện lớn hơn ($O, Cl, F, S,...$), nguyên tố cacbon có số oxi hóa $+2$ và $+4$. Còn trong các  hợp chất của cacbon với những nguyên tố có độ âm điện nhỏ hơn (hiđro, kim loại), nguyên tố cacbon có số oxi hóa hóa âm. Do đó, trong các phản ứng cacbon thể hiện tính khử và tính oxi hóa khử. Tuy nhiên, tính khử vẫn là tính chất chủ yếu của cacbon. 
$1.$ Tính khử
a) Tác dụng với oxi
Khi đốt cacbon cháy trong không khí, phản ứng tỏa nhiều nhiệt:
$$\mathop{C}\limits^{0}+O_2 \xrightarrow[{}]{{t^0}}\mathop{C}\limits^{+4}O_2    $$
Ở nhiệt độ cao, cacbon lại khử được $CO_2$ theo phản ứng:
$$\mathop{C}\limits^{+4}O_2+\mathop{C}\limits^{0}  \xrightarrow[{}]{{t^0}} 2\mathop{C}\limits^{+2}O      $$
Do đó, sản phẩm khi đốt cacbon trong không khí, ngoài khí $CO_2$ còn có một ít khí $CO$.
Cacbon không tác dụng trực tiếp với clo, brom và iot.
b) Tác dụng với hợp chất
Ở nhiệt độ cao, cacbon có thể khử được nhiều oxit, phản ứng với nhiều chất oxi hóa khác nhau như $HNO_3, H_2SO_4$ đặc, $KClO_3$,...
Thí dụ:     $\mathop{C}\limits^{0} + 4HNO_3 $(đặc)$ \xrightarrow[{}]{{t^0}} \mathop{C}\limits^{+4}O_2+4NO_2+2H_2O     $
$2$. Tính oxi hóa
a) Tác dụng với hiđro
Cacbon phản ứng khí hiđro ở nhiệt độ cao có chất xúc tác, tạo thành khí metan: $$\mathop{C}\limits^{0} +2H_2 \xrightarrow[{}]{{t^0, xt}}  \mathop{C}\limits^{-4}H_4   $$
b) Tác dụng với kim loại
Ở nhiệt độ cao, cacbon phản ứng với một số kim loại tạo thành cacbua kim loại
Thí dụ:        $4Al + 3\mathop{C}\limits^{0}  \xrightarrow[{}]{{t^0}} Al_4\mathop{C_3}\limits^{-4}   $
                                       nhôm cacbua
III - ỨNG DỤNG
Kim cương được sử dụng làm đồ trang sức. Trong kĩ thuật, kim cương được dùng để chế tạo mũi khoan, dao cắt thủy tinh và bột mài.
Than chì được dùng làm điện cực; làm nồi, chén 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 thuốc nổ đen, thuốc pháo, chất hấp thụ. Loại than có khả năng hấp thụ mạnh được gọi là than hoạt tính. Than hoạt tính được dùng nhiều trong mặt nạ phòng độc, trong công nghiệp hóa chất và trong y học.
Than muội được dùng làm chất độn khi lưu hóa cao su, để sản xuất mực in, xi đánh giày,...
IV - TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN, ĐIỀU CHẾ
$1$. 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 canxi (đá vôi, đá phấn, đá hoa, chúng đều chứa $CaCO_3$), magiezit ($MgCO_3$), đolomit ($CaCO_3. MgCO_3$) (hình $3.4$),...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 đốt thiên nhiên là hỗn hợp của các chất khác nhau chứa cacbon, chủ yếu là hiđrocacbon. Cơ thể thực vật và động vật chứa nhiều hợp chất của cacbon.
Nước ta có mỏ than antraxit lớn ở Quảng Ninh, một số mỏ than nhỏ hơn ở Thanh Hóa, Nghệ An, Quảng Nam,...
$2$. Điều chế
Kim cương nhân tạo được điều chế từ than chì, bằng cách nung than chì ở $2000^0C$, dưới áp suất $50 - 100$ nghìn atmotphe với chất xúc tác là sắt, crom hay niken.
Than chì nhân tạo được điều chế bằng cách nung than cốc ở $2500 - 3000^0C$ trong lò điện, không có không khí.
Than cốc được điều chế bằng cách nung than mỡ khoảng $1000^0C$ trong lò cốc, không có không khí.
Than gỗ được tạo nên khi đốt cháy gỗ trong điều kiện thiếu không khí.
Than muội được tạo nên khi nhiệt phân metan có chất xúc tác:$$CH_4 \xrightarrow[{}]{{t^0, xt}} C+2H_2 $$Than mỏ được khai thác trực tiếp từ các vỉa than nằm ở độ sâu khác nhau dưới mặt đất.