Cacbon là gì? Các nghiên cứu khoa học về Cacbon

Cacbon là nguyên tố hóa học ký hiệu C, nguyên tử số 6, thuộc nhóm 14 bảng tuần hoàn, với cấu hình electron \[He]2s²2p² và khả năng tạo tối đa bốn liên kết cộng hóa trị. Cacbon tồn tại dưới các thù hình như kim cương, graphite, graphene và fullerenes với tính chất vật lý – hóa học đa dạng, là nền tảng của hóa học hữu cơ và chu trình cacbon toàn cầu.

Định nghĩa và vị trí trong bảng tuần hoàn

Cacbon (carbon) là nguyên tố hóa học có ký hiệu C và số nguyên tử 6, thuộc nhóm 14 (chalcogen hóa trị IV) trong bảng tuần hoàn IUPAC. Với cấu hình electron [He]2s22p2, cacbon có khả năng tạo tới bốn liên kết cộng hóa trị, là nền tảng cho hóa học hữu cơ và mọi phân tử sinh học.

Trong bảng tuần hoàn, cacbon nằm ở chu kỳ 2, khối p, giữa bo (B) và nitơ (N). Vị trí này cho phép cacbon thể hiện tính chất trung gian giữa kim loại và phi kim, linh hoạt trong việc nhận và cho electron trong nhiều phản ứng hóa học khác nhau.

Trữ lượng cacbon tự nhiên phân bố dưới nhiều dạng: cacbon vô cơ (CO2, CO, cacbonat) trong khí quyển và các khoáng vật; cacbon hữu cơ (polysaccharide, lignin, protein) trong sinh khối; cacbon dạng rắn (than đá, dầu mỏ, graphite, kim cương). Quá trình địa chất và sinh học liên tục chuyển hóa cacbon giữa khí quyển, thủy quyển và thạch quyển, gọi chung là chu trình cacbon (IPCC).

Đồng vị và các allotropic forms

Cacbon có ba đồng vị bền: ¹²C (~98.9%), ¹³C (~1.1%) và đồng vị phóng xạ ¹⁴C (vết). Tỷ lệ ¹⁴C/¹²C trong mẫu hữu cơ là cơ sở cho kỹ thuật xác định niên đại carbon (radiocarbon dating), ứng dụng trong khảo cổ và địa chất (Nature Sci Rep).

Allotrope (thù hình) của cacbon đa dạng, nổi bật nhất gồm:

  • Graphite: cấu trúc lớp hình lục giác, mỗi nguyên tử C liên kết ba cộng hóa trị, dẫn điện tốt theo mặt phẳng, ứng dụng làm điện cực và bôi trơn.
  • Diamond: mỗi nguyên tử C liên kết tứ diện với bốn nguyên tử C khác, cứng nhất tự nhiên (độ cứng Mohs 10), dẫn nhiệt tốt nhưng không dẫn điện, dùng trong công cụ cắt gọt và trang sức.
  • Graphene: tấm đơn lớp cacbon dày một nguyên tử với cấu trúc lục giác, độ bền cơ học và dẫn điện vượt trội, nghiên cứu rộng trong điện tử và vật liệu composite (Carbon Journal).
  • Fullerenes: phân tử dạng cầu (C₆₀, C₇₀…), có khả năng chứa nguyên tử khác bên trong (“endohedral fullerenes”), tiềm năng ứng dụng trong y sinh và lưu trữ hydrogen.

Các thù hình khác như cacbon đen (carbon black), nanotube (ống nano cacbon) và amorphous carbon cũng có tính chất vật lý - hóa học riêng, mở rộng ứng dụng từ lọc nước đến năng lượng tái tạo.

Tính chất vật lý

Cacbon thể hiện tính chất vật lý rất đa dạng tùy dạng thù hình:

  • Kim cương: mật độ 3.51 g/cm³, nhiệt độ nóng chảy >3.550 °C (ở áp suất cao), hệ số dẫn nhiệt 1000–2200 W/m·K, cách điện.
  • Graphite: mật độ 2.26 g/cm³, nhiệt độ nóng chảy ~3.650 °C, dẫn điện ngang mặt phẳng (~10⁴ S/cm) và dẫn nhiệt tốt, dễ dàng tách lớp.
  • Graphene: độ dày ~0.34 nm, trọng lượng riêng ~0.77 mg/m², độ bền kéo 130 GPa, dẫn điện suất >15.000 S/cm.

Cacbon vô định hình (amorphous carbon) và cacbon đen có cấu trúc thiếu trật tự, mật độ 1.8–2.1 g/cm³, dẫn điện kém hơn graphite nhưng có diện tích bề mặt lớn, thích hợp cho pin lithium-ion và siêu tụ điện.

Dạng Mật độ (g/cm³) Nhiệt độ nóng chảy (°C) Dẫn điện
Kim cương 3.51 >3550 (áp suất cao) Cách điện
Graphite 2.26 3650 Dẫn điện theo lớp
Graphene ~0.77 mg/m² Không có (phân tách) Dẫn điện suất cao

Tính chất hóa học

Cacbon có độ âm điện 2.55 theo thang Pauling, thể hiện tính chất ranh giới giữa khử và oxi hóa. Trong hợp chất vô cơ, cacbon thường ở các hóa trị +4 (CO₂, CH₄, CCl₄) và +2 (CO, C₂Cl₄). Cacbon dễ kết hợp với O₂ tạo CO₂ (đốt cháy hoàn toàn) hoặc CO (đốt cháy thiếu O₂):

C+O2  →  CO2C + O_{2} \;\rightarrow\; CO_{2}
2 C+O2  →  2 CO2\,C + O_{2} \;\rightarrow\; 2\,CO

Hợp chất hữu cơ của cacbon (hidrocacbon) là nền tảng của sinh học và công nghiệp hóa dược, nhựa, polymer. Ví dụ:

  • Alkanes: CH₄, C₂H₆ ổn định, tham gia phản ứng thế.
  • Alkenes: C=C linh hoạt cho phản ứng cộng và polymer hóa.
  • Aromatic: benzene, toluene chứa vòng π, dùng làm dung môi và nguyên liệu tổng hợp.

Cacbon vô cơ như cacbua (CaC₂), cacbonitride (C₃N₄) và cacbon composite ứng dụng trong vật liệu chịu nhiệt và xúc tác. Phản ứng cacbon với kim loại như Fe, Ni tạo hợp kim carbide (Fe₃C) tăng cứng trong thép.

Nguồn gốc và phân bố trong tự nhiên

Cacbon tồn tại rộng khắp trên Trái Đất dưới dạng khí CO₂ trong khí quyển (~415 ppm), cacbonat trong đá vôi (CaCO₃) và sinh khối (thực vật, động vật). Khoáng vật cacbon dạng rắn như than đá (anthracite, bituminous), dầu mỏ và đá vôi chiếm trữ lượng lớn dưới lòng đất.

Quặng graphite tự nhiên phân bố chủ yếu ở Brazil, Nga và Madagascar, trong khi kim cương thô tìm thấy tại mỏ kimberlite ở Châu Phi và Canada. Các nghiên cứu địa chất sử dụng tỷ lệ đồng vị δ¹³C để phân tích nguồn gốc cacbon và chu trình cacbon địa chất (USGS Graphite Assessment).

  • Khí quyển: CO₂ đóng góp bởi hô hấp và đốt nhiên liệu hóa thạch.
  • Thạch quyển: đá vôi, than đá, mỏ dầu khí chứa cacbon hóa thạch.
  • Sinh quyển: thực vật lưu giữ cacbon qua quang hợp, tạo mùn và than bùn.

Sản xuất và điều chế công nghiệp

Graphite tổng hợp sản xuất qua quá trình nung than coke ở 2.800–3.000 °C trong lò điện độ sạch cao, được ứng dụng cho điện cực lò hồ quang. Graphene hàng loạt chế tạo bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (Chemical Vapor Deposition – CVD) trên nền đồng hoặc nickel, cho tấm đơn lớp độ tinh khiết >99,9% (Nature Nanotech.).

Kim cương nhân tạo tạo ra bằng công nghệ HPHT (High Pressure High Temperature) hoặc CVD, tái lập điều kiện sâu trong vỏ Trái Đất, sản phẩm đạt độ tinh khiết và kích thước lớn đến vài cm, dùng trong công cụ cắt gọt và ứng dụng quang học.

Phương pháp Nhiệt độ/Áp suất Ứng dụng
Graphite tổng hợp 2.800–3.000 °C Điện cực lò hồ quang
Graphene CVD 1.000 °C, 1 atm Điện tử nano
Kim cương HPHT 1.500 °C, 5–6 GPa Công cụ cắt, quang học

Ứng dụng chính

  • Vật liệu composite: sợi cacbon (CFRP) kết hợp nhựa epoxy cho ngành hàng không, ô tô, thể thao, nhờ tỷ lệ bền trên khối lượng cao.
  • Thiết bị điện tử: graphene và cacbon nanotube dùng làm transistor, cảm biến sinh học và pin lithium-ion tăng hiệu suất sạc nhanh và độ bền chu kỳ (Adv. Energy Mater.).
  • Y sinh: fullerenes và graphene oxide ứng dụng trong vận chuyển thuốc, chẩn đoán hình ảnh và mô tái tạo nhờ tính tương hợp sinh học cao.

Vai trò sinh học và môi trường

Cacbon là thành phần cơ bản của tất cả sinh vật sống, tạo nên backbone của amino acids, nucleotide, carbohydrate và lipid. Chu trình cacbon sinh học điều hòa lưu chuyển cacbon giữa khí quyển, đại dương và sinh quyển, ảnh hưởng đến biến đổi khí hậu và khả năng hấp thụ CO₂ của rừng (IPCC AR6).

Carbon sequestration (lưu giữ cacbon) qua trồng rừng, kỹ thuật địa chất (CCS) và phục hồi đất ngập mặn được nghiên cứu nhằm giảm nồng độ khí nhà kính và thích ứng với biến đổi khí hậu.

Phương pháp phát hiện và phân tích

Phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) và quang phổ phát xạ plasma (ICP-OES) định lượng tổng cacbon trong mẫu địa chất. Phổ khối (GC–MS) phân tích các hợp chất hữu cơ tách từ mẫu môi trường.

Phổ Raman và FTIR xác định dạng thù hình và liên kết hóa học của cacbon, còn TEM/SEM quan sát cấu trúc nano của graphene, fullerenes và cacbon vô định hình ở độ phân giải <0,1 nm.

Tài liệu tham khảo

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề cacbon:

Phương pháp quỹ đạo phân tử tự nhất quán. XII. Phát triển bổ sung bộ cơ sở dạng Gaussian cho nghiên cứu quỹ đạo phân tử của các hợp chất hữu cơ Dịch bởi AI
Journal of Chemical Physics - Tập 56 Số 5 - Trang 2257-2261 - 1972
Hai bộ cơ sở mở rộng (được gọi là 5–31G và 6–31G) bao gồm các hàm sóng nguyên tử được biểu diễn dưới dạng kết hợp tuyến tính cố định của các hàm Gaussian được trình bày cho các nguyên tố hàng đầu từ cacbon đến flo. Những hàm cơ sở này tương tự như bộ 4–31G [J. Chem. Phys. 54, 724 (1971)] ở chỗ mỗi lớp vỏ hóa trị được chia thành các phần bên trong và ngoài được mô tả tương ứng bằng ba và mộ...... hiện toàn bộ
#quỹ đạo phân tử #hàm cơ sở Gaussian #cacbon #flo #năng lượng tổng #cân bằng hình học #phân tử đa nguyên tử
Hiệu chuẩn tuổi bức xạ cacbon Intcal04, 0–26 Cal Kyr BP Dịch bởi AI
Radiocarbon - Tập 46 Số 3 - Trang 1029-1058 - 2004
Một đường cong hiệu chuẩn mới để chuyển đổi độ tuổi bức xạ cacbon sang độ tuổi hiệu chuẩn (cal) đã được xây dựng và công nhận quốc tế để thay thế IntCal98, kéo dài từ 0–24 cal kyr BP (Trước Hiện Tại, 0 cal BP = AD 1950). Bộ dữ liệu hiệu chuẩn mới cho các mẫu đất liền kéo dài từ 0–26 cal kyr BP, nhưng với độ phân giải cao hơn nhiều so với IntCal98 từ 11.4 cal kyr BP trở đi. Các mẫu vòng cây...... hiện toàn bộ
Cacbon Nitride Graphitic Polymeric Như Một Chất Xúc Tác Dị Thể: Từ Quang Hóa Học Đến Hoá Học Bền Vững Dịch bởi AI
Angewandte Chemie - International Edition - Tập 51 Số 1 - Trang 68-89 - 2012
Tóm tắtCác vật liệu cacbon nitride graphitic polymeric (để đơn giản: g‐C3N4) đã thu hút rất nhiều sự chú ý trong những năm gần đây do sự tương đồng với graphene. Chúng chỉ bao gồm C, N và một chút hàm lượng H. Trái ngược với graphene, g‐C3N4 là một chất bán dẫn băng trung bình và tr...... hiện toàn bộ
#Cacbon Nitride Polymeric #Quang Hoá #Hóa Học Bền Vững #Xúc Tác Dị Thể #Graphene #Phân Tách Nước #Oxi Hoá #Hiđro Hoá #Chuyển Đổi Sinh Khối
Nghiên cứu hoạt tính và độ chọn lọc của chất xúc tác cacbon pha tạp kim loại-nitơ cho quá trình khử điện hóa CO2 Dịch bởi AI
Nature Communications - Tập 8 Số 1
Tóm tắtViệc khử điện hóa trực tiếp CO2 thành nhiên liệu và hóa chất bằng nguồn điện tái tạo đã thu hút sự chú ý đáng kể, một phần do những thách thức cơ bản liên quan đến khả năng phản ứng và độ chọn lọc, và một phần do tầm quan trọng của nó đối với các điện cực khuếch tán khí tiêu thụ CO2 trong công nghiệp. Trong nghiên cứ...... hiện toàn bộ
#khử điện hóa CO2 #chọn lọc điện hóa #cacbon pha tạp kim loại-nitơ #xúc tác M-N x #lý thuyết hàm mật độ
Sự Thay Thế Của Lưu Huỳnh, Cacbon, và Nitơ Trong Mô Của Cá Lưng Trắng Phát Triển (Coregonus nasus) Phản Ứng Với Sự Thay Đổi Trong Chế Độ Ăn Nhờ Dấu Hiệu δ34S, δ13C, và δ15N Dịch bởi AI
Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences - Tập 50 Số 10 - Trang 2071-2076 - 1993
Chúng tôi đã theo dõi sự thay đổi trong thành phần đồng vị của lưu huỳnh, cacbon và nitơ trong các mô của cá lưng trắng (Coregonus nasus) để phản ứng với sự thay đổi trong thành phần đồng vị của thức ăn của chúng. Một trong hai lô cá 2.5 tuổi được nuôi trong phòng thí nghiệm đã được cho một nguồn thức ăn mới với δ34S, δ13C và δ15... hiện toàn bộ
Hóa học tách chiết axit carboxylic sản phẩm lên men Dịch bởi AI
Biotechnology and Bioengineering - Tập 28 Số 2 - Trang 269-282 - 1986
Tóm tắtTrong khuôn khổ một chương trình nhằm cải thiện công nghệ thu hồi chiết xuất các sản phẩm từ quá trình lên men hiện có, trạng thái hiện nay của công nghệ được xem xét một cách phê bình. Các axit được xem xét bao gồm axit propionic, axit lactic, axit pyruvic, axit succinic, axit fumaric, axit maleic, axit malic, axit itaconic, axit tartaric, axit citric, và a...... hiện toàn bộ
#Axit carboxylic #Chiết xuất #Công nghệ #Lên men #Định luật Nernst #Axit đơn phân #Hydrocacbon #Cồn aliphatic #Ketone #Organophosphate #Amin bậc ba
TÍNH CHẤT VÀ CẤU TRÚC KHÁC THÔNG THƯỜNG CỦA ỐNG NANO CACBON Dịch bởi AI
Annual Review of Materials Research - Tập 34 Số 1 - Trang 247-278 - 2004
▪ Tóm tắt  Cấu trúc và tính chất khác thường của ống nano cacbon được trình bày, với sự tham khảo đặc biệt đến ống nano đơn (SWNTs) và những tính chất của ống nano khác với những vật liệu ở trạng thái khối. Cấu trúc nguyên tử; cấu trúc điện tử; và các tính chất giao động, quang học, cơ học, và nhiệt được thảo luận, với những tham chiếu đến các giao điểm của ống nano, sự lấp đầy ống nano, ...... hiện toàn bộ
#ống nano cacbon #tính chất vật liệu #ống nano đơn #ống nano đôi #cấu trúc nguyên tử #quang phổ Raman cộng hưởng
Khả năng hấp thụ vi sóng được cải thiện nhờ bao bọc ổn định trong môi trường của cấu trúc CoxNiy trong các lớp nano cacbon xốp xếp chồng Dịch bởi AI
Nano-Micro Letters - - 2020
Thông tóm tắtCác vật liệu hợp composites đồng thời có tính từ tính/khoảng cách điện@cacbon xốp, được tạo ra từ các khung hữu cơ kim loại (MOFs) với tỉ lệ thành phần có thể điều chỉnh, đã thu hút sự chú ý rộng rãi nhờ những đặc tính điện từ độc đáo của chúng. Bên cạnh đó, các vật liệu trên cơ sở cacbon xốp có nguồn gốc từ MOFs cũng đáp ứng được nhu cầu về đặc tính n...... hiện toàn bộ
#Cacbon xốp #cấu trúc MOFs #hấp thụ vi sóng #tổn thất điện từ #ổn định môi trường
Tổng quan về tính toán DFT của cacbon nitride dựa trên s-triazine Dịch bởi AI
Carbon Energy - Tập 1 Số 1 - Trang 32-56 - 2019
Tóm tắtĐể cải thiện hiệu suất quang xúc tác của quang xúc tác nguyên bản, các phương pháp phổ biến như pha tạp nguyên tố, xây dựng hợp chất và chế tạo cấu trúc nano mới đã được công nhận là các phương pháp điều chỉnh hiệu quả. Các phương pháp này đã được thực nghiệm xác nhận là có hiệu quả trong nhiều ứng dụng quang xúc tác trên các quang xúc tác khác nhau. Tính to...... hiện toàn bộ
#DFT #photocatalysis #g–C3N4 #doping #nanostructures #band structure #energy levels #charge transfer.
Tính phản ứng của gốc cacbonat với các dẫn xuất anilin Dịch bởi AI
Environmental Toxicology and Chemistry - Tập 7 Số 4 - Trang 265-274 - 1988
Tóm tắt Các gốc cacbonat được tạo ra bởi quá trình quang phân H2O2 ở bước sóng 313 nm trong dung dịch natri bicarbonat (pH 8,3) hoặc cacbonat (pH 11,6) đã phản ứng với các dẫn xuất anilin nhân thay thế. Những phản ứng nhanh đặc biệt (các hằng số tốc độ bậc hai từ 5 × 108 đến 2 × 109) đã được quan sát với các anilin mang nhóm thay thế cho electron, tr...... hiện toàn bộ
#gốc cacbonat #phản ứng #dẫn xuất anilin #quang phân #môi trường nước
Tổng số: 203   
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 10

Chủ đề khác

#trình độ giáo dục

Trình độ giáo dục là gì? Các nghiên cứu khoa học về Trình độ giáo dục

#mối hàn

Mối hàn là gì? Các nghiên cứu khoa học về Mối hàn

#chẩn đoán lâm sàng

Chẩn đoán lâm sàng là gì? Các nghiên cứu khoa học về Chẩn đoán lâm sàng

#lưu huỳnh

Lưu huỳnh là gì? Các nghiên cứu khoa học về Lưu huỳnh

#đánh giá tâm lý

Đánh giá tâm lý là gì? Các nghiên cứu khoa học về Đánh giá tâm lý

#men nở

Men nở là gì? Các nghiên cứu khoa học về Men nở

#tập đoàn đa quốc gia

Tập đoàn đa quốc gia là gì? Các nghiên cứu khoa học về Tập đoàn đa quốc gia

#biến động khí hậu

Biến động khí hậu là gì? Các nghiên cứu về Biến động khí hậu

#kim loại hàn

Kim loại hàn là gì? Các nghiên cứu khoa học về Kim loại hàn

#mô đun

Mô đun là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan về Mô đun


Xem thêm