Thực đơn
Cacbon
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.[10] 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.[11][12]
Các thù hình của cacbon là khác nhau về cấu trúc mạng nguyên tử mà các nguyên tử tinh khiết có thể tạo ra. Ba dạng được biết nhiều nhất là cacbon vô định hình, graphit và kim cương. Một số thù hình kỳ dị khác cũng đã được tạo ra hay phát hiện ra, bao gồm các fullerene, cacbon ống nano, lonsdaleit và q-cacbon. Muội đèn bao gồm các bề mặt dạng graphit nhỏ. Các bề mặt này phân bổ ngẫu nhiên, vì thế cấu trúc tổng thể là đẳng hướng. Cacbon thủy tinh là đẳng hướng và có tỷ lệ độ xốp cao. Không giống như graphit thông thường, các lớp graphit không xếp lên nhau giống như các trang sách, mà chúng có sự sắp xếp ngẫu nhiên.
Ở dạng vô định hình, cacbon chủ yếu có cấu trúc tinh thể của graphit nhưng không liên kết lại trong dạng tinh thể lớn. Trái lại, chúng chủ yếu nằm ở dạng bột và là thành phần chính của than, muội, bồ hóng, nhọ nồi và than hoạt tính.
Ở áp suất bình thường cacbon có dạng của graphit, trong đó mỗi nguyên tử liên kết với 3 nguyên tử khác trong mặt phẳng tạo ra các vòng lục giác, giống như các vòng trong các hiđrôcacbon thơm. Có hai dạng của graphit đã biết, là alpha (lục giác) và beta (rhombohedral), cả hai có các thuộc tính vật lý giống nhau, ngoại trừ về cấu trúc tinh thể. Các loại graphit có nguồn gốc tự nhiên có thể chứa tới 30% dạng beta, trong khi graphit tổng hợp chỉ có dạng alpha. Dạng alpha có thể chuyển thành dạng beta thông qua xử lý cơ học và dạng beta chuyển ngược thành dạng alpha khi bị nung nóng trên 1000 °C.
Vì sự phi tập trung hóa của các đám mây pi, graphit có tính dẫn điện. Vật liệu vì thế là mềm và các lớp, thường xuyên bị tách ra bởi các nguyên tử khác, được giữ cùng nhau chỉ bằng các lực van der Waals, vì thế chúng dễ dàng trượt trên nhau.
Ở áp suất cực kỳ cao các nguyên tử cacbon tạo thành thù hình gọi là kim cương, trong đó mỗi nguyên tử được liên kết với 4 nguyên tử khác. Kim cương có cấu trúc lập phương như silic và gecmani và vì độ bền của các liên kết cacbon-cacbon, cùng với chất đẳng điện nitrua bo (BN) là những chất cứng nhất trong việc chống lại sự mài mòn. Sự chuyển hóa thành graphit ở nhiệt độ phòng là rất chậm và khong thể nhận thấy. Dưới các điều kiện khác, cacbon kết tinh như là Lonsdaleit, một dạng giống như kim cương nhưng có cấu trúc lục giác.
Các fulleren có cấu trúc giống như graphit, nhưng thay vì có cấu trúc lục giác thuần túy, chúng có thể chứa 5 (hay 7) nguyên tử cacbon, nó uốn cong các lớp thành các dạng hình cầu, elip hay hình trụ. Các thuộc tính của các fulleren vẫn chưa được phân tích đầy đủ. Tất cả các tên gọi của các fulleren lấy theo tên gọi của Buckminster Fuller, nhà phát triển của kiến trúc mái vòm, nó bắt chước cấu trúc của các "buckyball".
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.[13]
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.
Bài chính: 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.
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%),[14] 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.[15]
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.[16] 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,[17] 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[18][19] 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)[20]
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[21]. 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.[22]
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.
Trong các điều kiện trên Trái Đất, sự chuyển biến từ một nguyên tố này thành một nguyên tố khác là rất hiếm. Dù vậy, hàm lượng cacbon trên Trái Đất là không đổi. Do đó, các quá trình sử dụng cacbon phải tiêu thụ nó ở một nơi và thải ra ở một nơi khác. Những cách mà cacbon di chuyển trong môi trường tạo thành một chu trình gọi là chu trình cacbon. Một phần của sinh khối này được độn vật tiêu thụ, trong khi một lượng cacbon được động vật thảy ra ở dạng cacbon đi-ô-xít. Chu trình cacbon được xem là phức tạp hơn vòng tuần hoàn ngắn này; ví dụ như cacbon điôxít bị hòa tan trong các đại dương; thực vật chất hoặc xác động vật có thể hình thành nên dầu mỏ hoặc than, nếu đốt chúng sẽ thải ra cacbon.[23][24]
Thực đơn
CacbonLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: Cacbon