Tinh thể kim cương thuộc loại nguyên tử điển hình, trong đó mỗi nguyên tử cacbon tạo 4 liên kết cộng hóa trị bền với bốn nguyên tử cacbon lân cận nằm trên các đỉnh của hình tứ d[r]
Trang 1BÀI GIẢNG 1 CACBON
Biên tập : Phạm Duy Việt
A - LÝ THUYẾT
I – TÍNH CHẤT VẬT LÝ
- Cacbon tạo thành một số dạng thù hình , khác nhau về tính chất vật lý
- Cacbon hoạt động hóa học ở nhiệt độ cao , C vô định hình hoạt động hơn
1 Kim cương
- Kim cương là chất tinh thể không màu, trong suốt, không dẫn điện, dẫn nhiệt kém, có khối lượng riêng là Tinh thể kim cương thuộc loại nguyên tử điển hình, trong đó mỗi nguyên tử cacbon tạo 4 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 4 nguyên tử cacbon khác Độ dài của liên kết bằng 0,154nm Do cấu trúc này nên kim cương là chất cứng nhất trong tất các chất
2 Than chì
-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 3 nguyên tử cacbon lân cận nằm ở đỉnh của một tam giác đều Độ dài của liên kết bằng 0,142nm Khoảng cách giữa hai nguyên tử cacbon thuộc hai lớp lân cận nhau là 0,34nm 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
Trang 23.Fuleren
- Fuleren gồm các phân tử C60; C70 Phân tử C60 có cấu trúc hình rỗng gồm 32 mặt với 60 đỉnh
là 60 nguyên tử cacbon Fuleren được phát hiện năm 1985
4 Cacbon vô định hình
- 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 HOÁ HỌC
- 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
-Trongcác 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 hoặc +4 Còn trong trường hợp của cacbon với những nguyên tố có độ âm điện nhỏ hơn ( hiđro, kim loại), nguyên tố cacbon có số oxi hóa âm Do
đó, trong các phản ứng cacbon thể hiện tính khử và tính oxi hóa Tuy nhiên, tính khử vẫn là tính chất chủ yếu của cacbon
1 Tính khử của cacbon
a Tác dụng với oxi
Khi đốt cacbon trong không khí, phản ứng tỏa nhiều nhiệt:
C O C O
Ở nhiệt độ cao, cacbon lại khử được theo phản ứng:
C C O C O
Do đó sản phẩm khi đốt cacbon trong không khí, ngoài khí CO2 còn có một ít khí
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 như HNO3, KClO3, H2SO4 đặc…
Trang 30
Fe2O3 + 3C0 → 2Fe +3CO
CO2 + C → 2CO
SiO2 + 2C → Si + 2CO
2 Tính oxi hóa của cacbon
a Tác dụng với hiđro
Cacbon phản ứng với hiđro ở nhiệt độ cao có chất xúc tác, tạo thành khí metan:
C H2 t0,xtCH4
b Tác dụng với kim loại
Ở nhiệt độ cao, cacbon phản ứng với một số kim loại tạo thành cacbua kim loại:
4Al 3C t0 Al C4 3
III ỨNG DỤNG
-Kim cương được dùng làm đồ trang sức, đựơc dùng để chế tạo mũi khoan, dao cắt thủy tinh
và bột mài
-Than chì được dùng làm điện cực, làm nồi, chén để nấy 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, thuốc pháo, chất hấp thụ Loại than có khả năng hấp thụ mạnh được gọi là than hoạt tính Than này 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 giầy
IV ĐIỀU CHẾ VÀ TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN
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 canxit (đá vôi, đá phấn, đá hoa, chúng đều chứa CaCO3), magiezit MgCO3, đolomit CaCO3.MgCO3 và là thành phần chính của các kim 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
Trang 4-Nước ta có mỏ than antraxit lớn ở Quảng Ninh, một số mỏ than nhỏ 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 20000C, 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 cốcở 2500-30000C trong lò điện, không có không khí
- Than cốc được điều chế bằng cách nung than mỡ khoảng 10000C 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 xúc tác:
CH4 t0,xt C 2H2
-Than mỏ được khai thác trực tiếp từ các vỉa than nằm ở độ sâu khác nhau dưới mặt đất
B- TỔNG HỢP BÀI TẬP
I BÀI TẬP
Câu 1 Câu nào đúng trong các câu sau:
A.Kim cương là cacbon hoàn toàn tinh khiết, trong suốt, không màu, dẫn điện
B.Than chì mềm do có cấu trúc lớp, các lớp lân cận liên kết với nhau bằng lực tương tác yếu C.Than gỗ, than xương chỉ có khả năng hấp thụ các chất khí
D.Trong các hợp chất của cacbon, nguyên tố cacbon chỉ có các số oxi hóa -4 và +4
Câu 2 Để xác định hàm lượng % cacbon trong một mẫu gang trắng, người ta đốt gang trong
oxi dư Sau đó xác định hàm lượng khí CO2 tạo thành bằng cách dẫn khí qua nước vôi trong dư: lọc lấy kết tủa, rửa sạch, sấy khô rồi đem cân Với 1 mẫu gang khối lượng là 5 g và khối lượng kết tủa thu được là 1 g thì hàm lượng % cacbon trong mẫu gang là:
A 2 2 B 3,2 C 2,4 D 2,8
Câu 3 Cacbon phản ứng với tất cả các chất trong dãy nào sau đây ?
A Na2O, NaOH, HCl B Al,HNO3 đặc, KClO3
C Ba(OH)2,Na2CO3,CaCO3 D NH4Cl, KOH, AgNO3
Câu 4 Kim cương và than chì được tạo nên từ cùng nguyên tố cacbon nhưng kim
cương rất cứng, còn than chì lại mềm Đó là do :
A Liên kết trong kim cương là liên kết cộng hoá trị
B Trong than chì còn có electron linh động
C Kim cưng có cấu tạo tinh thể nguyên tử với mỗi nguyên tử C có trạng thái lai
hoá sp3 ở nút mạng, còn than chì có cấu trúc lớp
D Cả A và B
Câu 5 Kim cương và than chì là hai dạng thù hình của cacbon vì:
A Đều có cấu tạo mạng tinh thể nguyên tử
Trang 5
B Đều do nguyên tử cacbon tạo nên
C Có tính chất vật lý tương tự nhau
D Cả A và B
Câu 6 Tủ lạnh dùng lâu sẽ có mùi hôi, có thể cho vào tủ lạnh một ít cục than hoa để
khử mùi hôi này Đó là vì:
A Than hoa có thể hấp phụ mùi hôi
B Than hoa tác dụng với mùi hôi để biến thành chất khác
C Than hoa sinh ra chất hấp phụ mùi hôi
D Than hoa tạo ra mùi khác để át mùi hôi
Câu 7 Cặp chất nào sau đây tác dụng với nhau tạo ra sản phẩm đều là chất khí?
A C và CuO B CO2 và NaOH C CO và Fe2O3 D C và HNO3 đặc
Câu 9: Cho bột dư than vào hỗn hợp 2 oxit Fe2O3 và CuO đun nóng để phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được 2 gam hỗn hợp kim loại và 2,24 lít khí CO2 (đktc) Khối lượng hỗn hợp của 2 oxit ban đầu là:
A 5g B 5,1g C 5,2 g D 5,3g
Câu 10,11 Nung 4g hỗn hợp X gồm CuO và FeO với cacbon dư trong điều kiện không có
không khí và phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được 1,12 lít (đktc) hỗn hợp Y gồm CO và CO2
và chất rắn Z Dẫn khí Y qua bình đựng nước vôi trong dư thì thu được 0,5 g kết tủa
10)Khối lượng của Z(g) là:
11)Khối lượng của CuO và FeO lần lượt là :
A 0,4g và 3,6g B 3,6g và 0,4g
C 0,8g và 3,2g D 1,2g và 2,8g
Câu 12 Nung 3,2g hỗn hợp gồm CuO và Fe2O3 với Cacbon trong điều kiện không có không khí, phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được hỗn hợp gồm CO và CO2 có tỉ khối so với hiđro là 19,33 Thành phần theo khối lượng của CuO và Fe2O3 trong hỗn hợp đầu là :
A 50% và 50% B 66,66% và 33,34%
C 40% và 60% D 65% và 35%
Câu 13,14,15,16 Nung m(g) hỗn hợp X gồm CuO, Fe2O3, và MO với cacbon trong điều kiện không có không khí thu được 5,6 lít (đktc) hỗn hợp khí Y gồm CO, CO2 và 18,56g chất rắn Z gồm 3 kim loại Biết hỗn hợp khí Y có tỉ khối so với hiđro là 18,8 và trong hỗn hợp X
có nCuO : n Fe2O3 : nMO = 1 : 2 : 2
13)Thành phần của hỗn hợp Y là :
A 0,125 mol CO và 0,125 mol CO2
B 0,2 mol CO và 0,05 mol CO2
C 0,1 mol CO và 0,15 mol CO2
Trang 6D 0,15 mol CO và 0,1 mol CO2
14)m có giá trị là :
15)Công thức của oxit MO là :
16)Khối lượng gam mỗi oxit ( CuO, Fe2O3, MO) trong X lần lượt là :
A 3,552; 14,208; 7,1928 B 3,552; 14,20; 7,3
C 3,22; 14,2; 7,2 D 3,5; 14,2; 7,3
Câu 17 Để đề phòng nhiễm độc CO người ta sử dụng mặt nạ với chất hấp thụ nào sau đây?
A CuO và MnO2 B CuO và MgO C CuO và Fe2O3 D Than hoạt tính
Câu 18 Để sản xuất thép tư gang người ta có thể loại bỏ bớt C nhờ pư:
Fe2O3 + C → Fe + CO Muốn tạo bớt 180 Kg cacbon cần bao nhiêu kg Fe2O3
A 500 kg B 600 kg
Câu 19 Cacbon phản ứng được với nhóm các chất nào sau đây:
A Fe2O3, Ca, CO2, H2, HNO3 đ, H2SO4đ
B CO, Al2O3, K2O, Ca, CaO, HNO3đ, H2SO4đ
C Fe2O3, Al2O3, CO2, HNO3đ, H2SO4đ
D CO, Al2O3, K2O, Ca, CaO, HNO3đ, H2SO4đ, H2O
Câu 20 Cho 32g oxit sắt tác dụng hoàn toàn với khí cacbon oxit thì thu được 22,4 g chất rắn
Công thức oxit sắt là:
A FeO B Fe2O3
C Fe3O4 D Không xác định được
Câu 21 Nung một mẫu thép nặng 10g trong oxi dư thu được 0,1568 lít CO2 (đktc) Hàm lượng cacbon trong mẫu thép là :
C 5% D 7%
Câu 22 Kim cương và than chì là các dạng thù hình của nguyên tố cacbon nhưng lại có
nhiều tính chất khác nhau như độ cứng, khả năng dẫn điện, chúng có tính chất khác nhau là
do
A chúng có thành phần nguyên tố cấu tạo khác nhau
B kim cương là kim loại còn than chì là phi kim
C.chúng có kiến trúc cấu tạo khác nhau
Trang 7D kim cương cứng còn than chì thì mềm
II HƯỚNG DẪN GIẢI
Câu 9: Cho bột dư than vào hỗn hợp 2 oxit Fe2O3 và CuO đun nóng để phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được 2 gam hỗn hợp kim loại và 2,24 lít khí CO2(đktc) Khối lượng hỗn hợp của 2 oxit ban đầu là:
A 5g B 5,1g C 5,2 g D 5,3g
Hướng dẫn: Đáp án C
Số mol của C phản ứng = số mol khí = 0.1 (mol)
==> khối lượng C = 0.1 x 12 = 1.2 (g)
=> Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng,ta có:
Khồi lượng C + khối lượng oxit = khối lượng kim loại + khối lượng khí
=> khối lượng oxit = ( khối lượng kim loại +khối lượng khí) – khối lượng C
=> khối lượng oxit = 5.2 gam
Câu 18 Để sản xuất thép tư gang người ta có thể loại bỏ bớt C nhờ pư:
Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO Muốn tạo bớt 180 Kg cacbon cần bao nhiêu Kg Fe2O3
A 500 kg B 600 kg
Hướng dẫn: Đáp án C
Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO
160 36
x - 180
180.160
800 36
x
Câu 19 Cacbon phản ứng được với nhóm các chất nào sau đây:
B Fe2O3, Ca, CO2, H2, HNO3 đ, H2SO4đ
B CO, Al2O3, K2O, Ca, CaO, HNO3đ, H2SO4đ
C Fe2O3, Al2O3, CO2, HNO3đ, H2SO4đ
D CO, Al2O3, K2O, Ca, CaO, HNO3đ, H2SO4đ, H2O
Hướng dẫn: Cacbon có thể phản ứng với các chất ở đáp án A
Fe2O3 + 3C t0 → 2Fe + 3CO
2C + Ca t0 CaC2; C + CO2 t0 2CO
C + 2H2 t0,xtCH 4; C + 4HNO3đ → CO2 + 4NO2 + 2H2O
C + 4H2SO4đ → CO2 + 2SO2 + 2H2O
Trang 8Ở đáp án B , Cacbon không phản ứng với K2O và Al2O3
Ở đáp án C , Cacbon không phản ứng với Al2O3
Ở đáp án D , Cacbon không phản ứng với K2O
Chọn đáp án A
Câu 20 Cho 32g oxit sắt tác dụng hoàn toàn với khí cacbon oxit thì thu được 22,4 g chất rắn
Công thức oxit sắt là:
A FeO B Fe2O3 C Fe3O4 D Không xác định được
Hướng dẫn
nFe = 0,4 mol FexOy + y CO → xFe + y CO2
(56x+16y)g x mol 3,2g 0,4 mol
Ta có : 0,4(56x+16y) = 32x → 2
3
x
y CTPT là Fe2O3
Câu 21 Nung một mẫu thép nặng 10g trong oxi dư thu được 0,1568 lít CO2 (đktc) Hàm lượng cacbon trong mẫu thép là :
Hướng dẫn:
2
0,007 % 100 0,84%
Phương án lựa chọn A
Câu 22 Kim cương và than chì là các dạng thù hình của nguyên tố cacbon nhưng lại có
nhiều tính chất khác nhau như độ cứng, khả năng dẫn điện, chúng có tính chất khác nhau là
do
A chúng có thành phần nguyên tố cấu tạo khác nhau
B kim cương là kim loại còn than chì là phi kim
C.chúng có kiến trúc cấu tạo khác nhau
D kim cương cứng còn than chì thì mềm
Hướng dẫn:
*Tinh thể kim cương thuộc loại nguyên tử điển hình, trong đó mỗi nguyên tử cacbon tạo 4 liên kết cộng hóa trị bền với bốn nguyên tử cacbon lân cận nằm trên các đỉnh của hình tứ
Trang 9diện đều Mỗi nguyên tử cacbon ở đỉnh lại liên kết với 4 nguyên tử cacbon khác Độ dài của liên kết C-C bằng 0,154nm Do cấu trúc này nên kim cương là chất cứng nhất trong tất các chất
*Tinh thể than chì có cấu trúc lớp.Trong một lớp, mỗi nguyên tử cacbon liên kết theo kiểu cộng hóa trị với 3 nguyên tử cacbon lân cận nằm ở đỉnh của một tam giác đều Độ dài của liên kết C-C bằng 0,142nm Khoảng cách giữa hai nguyên tử cacbon thuộc hai lớp lân cận nhau là 0,34nm Các lớp liên kết với nhau bằng lực tương tác yếu, nên các lớp dễ tách khỏi nhau
Với kiến thức trên ta có thể khẳng định Kim cương và than chì chúng có tính chất khác nhau
là do chúng có kiến trúc cấu tạo khác nhau
Vậy C là đáp án đúng