Chuyên đề 7: Lý thuyết và các dạng bài tập trọng tâm về phi kim - Bài 7: Lý thuyết và bài tập về cacbon và hợp chất

 Khóa học LTĐH KIT-1: Môn Hóa học (Thầy Vũ Khắc Ngọc) Lý thuyết và bài tập về cacbon và hợp chất 
 Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng đài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 1 - 
I. KHÁI QUÁT VỀ CÁC NGUYÊN TỐ NHÓM IVA 
1. Giới thiệu các nguyên tố nhóm IVA 
 Cacbon Silic Gecmani Thiếc Chì 
Số hiệu nguyên tử 6 14 32 50 82 
Nguyên tử khối 12,01 28,09 72,64 118,69 207,20 
Cấu hình electron lớp ngoài cùng 2s22p2 3s23p2 4s24p2 5s25p2 6s26p2 
Bán kính nguyên tử (nm) 0,077 0,117 0,122 0,140 0,146 
Độ âm điện 2,55 1,90 2,01 1,96 2,33 
Năng lượng ion hoá thứ nhất (kJ/mol) 1086 786 762 709 716 
2. Đặc điểm 
a. Cấu hình electron của nguyên tử 
- Lớp electron ngoài cùng của nguyên tử (ns2 np2) có 4 electron : 
 ns
2
 np
2
- Ở trạng thái cơ bản, nguyên tử của các nguyên tố nhóm cacbon có hai electron độc thân, do đó trong các 
hợp chất chúng có thể tạo thành hai liên kết cộng hoá trị. 
- Khi được kích thích, một electron trong cặp electron của phân lớp ns có thể chuyển sang obitan p còn 
trống của phân lớp np. 
ns
2
 np
3
 ns
1
 np
3 
Do đó, nguyên tử của các nguyên tố nhóm cacbon có thể có 4 electron độc thân  trong các hợp chất 
chúng có thể tạo thành 4 liên kết cộng hoá trị. 
- Trong các hợp chất các nguyên tố có thể có các số oxi hoá +4, +2, -4 tuỳ thuộc vào độ âm điện của 
các nguyên tố liên kết với chúng. 
b. Sự biến thiên tính chất 
- Từ cacbon đến chì nên tính phi kim giảm dần, tính kim loại tăng dần vì độ âm điện tăng dần và bán kính 
nguyên tử tăng dần. 
- Các hợp chất 
+ Hợp chất với hiđro: có dạng AH4 như CH4 ; SiH4.... Độ bền nhiệt của các hiđrua giảm nhanh từ CH4 đến 
PbH4. 
+ Các oxit cao nhất: có dạng AO2 như CO2 và SiO2 là các oxit axit còn các oxit GeO2, PbO2, SnO2 là các 
hợp chất lưỡng tính. 
+ Các hiđroxit: H2CO3 (axit yếu), H2SiO3 (axit rất yếu), Ge(OH)2, Sn(OH)2 và Pb(OH)2 của chúng là các 
hợp chất lưỡng tính. 
+ Sự biến thiên của các hợp chất từ cacbon đến chì là tính axit giảm dần, tính bazơ tăng dần. 
II. CACBON VÀ HỢP CHẤT CỦA CACBON 
A. CACBON 
1. Các dạng thù hình - Tính chất vật lí 
a. Kim cương 
LÝ THUYẾT VÀ BÀI TẬP VỀ CACBON VÀ HỢP CHẤT 
(TÀI LIỆU BÀI GIẢNG) 
(Tài liệu dùng chung cho bài giảng số 11, 12 và 13 thuộc chuyên đề này) 
Giáo viên: VŨ KHẮC NGỌC 
Đây là tài liệu tóm lược các kiến thức đi kèm với bài giảng “Lý thuyết và bài tập về cacbon và hợp chất” thuộc 
Khóa học LTĐH KIT-1: Môn Hóa học (Thầy Vũ Khắc Ngọc) tại website Hocmai.vn. Để có thể nắm vững kiến 
thức phần “Lý thuyết và bài tập về cacbon và hợp chất”, Bạn cần kết hợp xem tài liệu cùng với bài giảng này. 
 Khóa học LTĐH KIT-1: Môn Hóa học (Thầy Vũ Khắc Ngọc) Lý thuyết và bài tập về cacbon và hợp chất 
 Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng đài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 2 - 
- 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, nên kim cương là chất cứng nhất trong tất cả 
các chất. 
b. 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. Các lớp liên kết với nhau bằng lực Van-đe-van 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. 
c.Fuleren 
Gồm các phân tử C60, C70,  có cấu trúc hình cầu rỗng được phát hiện năm 1985. 
d. 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 phụ mạnh các chất khí và chất tan 
trong dung dịch. 
2. Tính chất hoá học 
Trong ba dạng thù hình kể trên của cacbon, cacbon vô định hình hoạt động hơn cả về mặt hoá học. Tuy 
nhiên, ở nhiệt độ thường cacbon khá trơ, còn khi đun nóng nó phản ứng được với nhiều chất. 
Trong các phản ứng cacbon thể hiện tính khử và tính oxi hoá. Tuy nhiên, tính khử vẫn là tính chất chủ yếu 
của cacbon. 
a. Tính khử 
- Tác dụng với các phi kim (trừ halogen), điển hình là tác dụng với oxi: khi đốt cacbon trong không khí, 
phản ứng tỏa nhiều nhiệt: 
00 +4t
2 2C + O CO 
Ở nhiệt độ cao, cacbon lại khử được CO2 theo phản ứng: 
00 +4 +2t
2C + CO 2CO 
Do đó sản phẩm khi đốt cacbon trong không khí, ngoài khí CO2 còn có một ít khí CO. 
- Tác dụng với hợp chất: ở nhiệt độ cao, cacbon có thể khử được oxit kim loại sau Al, phản ứng với 
nhiều chất oxi hóa khác như HNO3, KClO3, H2SO4 đặc,  
0 2
2 3Fe O 3 C 2Fe 3CO

   
0 2
3 2 2 2C 4HNO (®Æc) CO 4NO 2H O

    
b. Tính oxi hoá 
- Tác dụng với hiđro 
0 4
2 4C 2H C H

  
- Tác dụng với kim loại 
Thí dụ : 
4Al + 
o
3C 
4
4 3Al C

 Nhôm cacbua 
3. 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 thuỷ 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 phụ. Loại than gỗ có khả năng hấp phụ 
mạnh được gọi là than hoạt tính. Than hoạt tính được dùng nhiều trong mặt nạ phòng độc, trong công 
nghiệp hoá chất và trong y học. 
- Than muội được dùng làm chất độn khi lưu hoá cao su, để sản xuất mực in, xi đánh giầy,... 
 Khóa học LTĐH KIT-1: Môn Hóa học (Thầy Vũ Khắc Ngọc) Lý thuyết và bài tập về cacbon và hợp chất 
 Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng đài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 3 - 
4. Trạng thái tự nhiên. Điều chế 
a. 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 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. Các 
cơ thể thực vật và động vật chứa nhiều chất, chủ yếu do cacbon tạo thành. 
b. Điều chế 
+ Kim cương nhân tạo: nung than chì ở 3000
0C dưới áp suất 70 - 100 nghìn atmotphe trong thời gian 
dài. 
+ Than chì nhân tạo: nung than cốc ở 2500 - 3000
0C trong lò điện, không có không khí. 
+ Than cốc: nung than mỡ ở 1000 - 1250
0C trong lò điện, không có không khí. 
+ Than gỗ: đốt cháy gỗ trong điều kiện thiếu không khí. 
+ Than muội: nhiệt phân metan có chất xúc tác : 
ot
4 2CH C 2H  
+ Than mỏ được khai thác trực tiếp từ các vỉa than nằm ở độ sâu khác nhau dưới mặt đất. 
B. CÁC HỢP CHẤT CỦA CACBON 
1. Cacbon monooxit: CO 
a. Công thức phân tử - Công thức cấu tạo 
- Công thức phân tử: CO (cacbon có số oxi hóa là +2) 
- Công thức cấu tạo: C O 
b. Tính chất vật lí 
- Là chất khí không màu, không mùi, hơi nhẹ hơn không khi, ít tan trong nước. 
- Hoá lỏng -191,50C, hoá rắn ở - 205,20C. 
- Rất bền với nhiệt . 
- Rất độc. 
c. Tính chất hoá học 
Trong phân tử CO có liên kết ba giống N2 nên CO rất kém hoạt động ở điều kiện thường, nó chỉ trở nên 
hoạt động hơn khi đun nóng. 
- Theo phản ứng trao đổi: CO là oxit không tạo muối (không thể hiện tính chất hoá học). 
- Theo phản ứng oxi hoá khử: CO là chất khử mạnh: Tác dụng với các chất oxi hoá. 
Thí dụ: 
+ Tác dụng với O2: CO cháy được trong không khí tạo thành CO2, cho ngọn lửa màu lam nhạt và tỏa nhiều 
nhiệt. Vì vậy, CO được dùng làm nhiên liệu khí. 
2CO (k) + O2 (k)  2CO2 (k). 
+ Tác dụng với Cl2: Khi có than hoạt tính làm xúc tác, COkết hợp với Clo theo phản ứng: 
CO + Cl2 
xt COCl2 ( photgen) 
+ Tác dụng với oxit kim loại sau nhôm 
CO + CuO 
ot
 Cu + CO2. 
d. Điều chế 
- Trong công nghiệp 
+ Cách 1: Cho hơi nước đi qua than nóng đỏ: 
C + H2O 
01050 C CO + H2. 
Hỗn hợp khí tạo thành là khí than ướt chứa 44% CO, 45% H2, 5% H2O, 6% N2. 
+ Cách 2: Thổi không khí qua than nung đỏ trong lò ga. 
C + O2  CO2. 
CO2 + C  2CO. 
Hỗn hợp khí thu được là khí lò ga (khí than khô) chứa trung bình 25% CO, 70% N2, 4% CO2, 1% các khí 
khác. 
Khí than ướt, khí lò gas đều được dùng làm nhiên liệu khí. 
- Trong phòng thí nghiệm: Cho H2SO4 đặc vào axit fomic và đun nóng: 
 Khóa học LTĐH KIT-1: Môn Hóa học (Thầy Vũ Khắc Ngọc) Lý thuyết và bài tập về cacbon và hợp chất 
 Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng đài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 4 - 
HCOOH 2 4
H SO (®Æc) CO + H2O. 
2. Cacbon đioxit 
a. Công thức phân tử - Công thức cấu tạo 
- Công thức phân tử: CO2 
- Công thức cấu tạo: O = C = O 
Các liên kết C – O trong phân tử CO2 là liên kết cộng hóa trị có cực nhưng do có cấu tạo thẳng nên CO2 là 
phân tử không có cực. 
b. Tính chất vật lí 
- CO2 là chất khí không màu, nặng gấp 1,5 lần không khí, tan không nhiều trong nước : ở điều kiện thường 
1 lít nước hoà tan 1 lít khí CO2. 
- Ở nhiệt độ thường khi được nén dưới áp suất 60 atm, khí CO2 sẽ hoá lỏng. Khi làm lạnh đột ngột ở -
76
0
C, khí CO2 hoá thành khối rắn, trắng, gọi là "nước đá khô". Nước đá khô không nóng chảy mà thăng 
hoa, nên được dùng để tạo môi trường lạnh và khô, rất tiện lợi cho việc bảo quản thực phẩm. 
c. Tính chất hoá học 
- Theo phản ứng trao đổi: 
Mang tính chất của oxit axit: Tác dụng với oxit bazơ hoặc bazơ và tan trong nước thành dung dịch axit 
cacbonic. 
Thí dụ: 
 CO2 + H2O  H2CO3 
- Theo phản ứng oxi hoá khử: có tính oxi hoá yếu. 
Ví dụ: 
CO2 + C 
ot
 2CO 
Khí CO2 không cháy và không duy trì sự cháy của nhiều chất nên người ta dùng nó để dập tắt các đám 
cháy. Tuy nhiên, kim loại có tính khử mạnh, thí dụ Mg, Al ...có thể cháy được trong khí CO2: 
+4 0 +2 0
2CO + 2Mg 2MgO + C 
Do đó, không dùng CO2 để dập tắt các đám cháy Mg , Al. 
*Đặc biệt: Tác dụng với NH3 tạo thành ure 
CO2 + 2NH3 
ot
 (NH2)2CO + H2O 
d. Điều chế 
- Trong phòng thí nghiệm, khí CO2 được điều chế bằng cách cho dung dịch axit clohiđric tác dụng với đá 
vôi: 
CaCO3 + 2HCl  CaCl2 + CO2 + H2O 
- Trong công nghiệp, khí CO2 được sản xuất bằng cách đốt cháy hoàn toàn than hoặc dầu mỏ, khí thiên 
nhiên trong oxi hay không khí. Khí CO2 cũng là sản phẩm phụ của quá trình nung vôi, lên men rượu từ 
glucozơ. 
3. Axit cacbonic H2CO3 
Axit cacbonic là axit rất yếu và kém bền, chỉ tồn tại trong dung dịch loãng, dễ bị phân huỷ thành CO2 và 
H2O. 
Trong dung dịch, axit cacbonic phân li theo 2 nấc với các hằng số phân li axit ở 250C như sau: 
H2CO3  
-
3HCO + H
+
 K = 4,5.10
-7 
-
3HCO  
2-
3CO + H
+ 
 K = 4,8.10
-11 
Axit cacbonic tạo ra hai muối: muối cacbonat chứa ion 2-3CO , ví dụ Na2CO3, CaCO3, (NH4)2CO3,  và 
muối hiđrocacbonat chứa ion -3HCO , ví dụ NaHCO3, Ca(HCO3)2, NH4HCO3,  
4. Muối cacbonat 
a. Tính chất vật lý 
- Đều là chất rắn. 
- Tính tan: Các muối cacbonat trung hoà của kim loại kiềm (trừ Li2CO3), amoni, các muối hiđro cacbonat 
(trừ NaHCO3 hơi ít tan) đều tan. 
- Các muối cacbonat trung hoà của các kim loại khác không tan hoặc ít tan trong nước. 
 Khóa học LTĐH KIT-1: Môn Hóa học (Thầy Vũ Khắc Ngọc) Lý thuyết và bài tập về cacbon và hợp chất 
 Hocmai.vn – Ngôi trường chung của học trò Việt Tổng đài tư vấn: 1900 58-58-12 - Trang | 5 - 
b. Tính chất hoá học 
Với các dung dịch muối: Mang đủ các tính chất của muối tan. 
- Tác dụng với dung dịch axit: giải phóng khí CO2 
Thí dụ: 
NaHCO3 + HCl  NaCl + CO2 + H2O 
-
3HCO + H
+
  CO2 + H2O 
Na2CO3 + 2HCl  2NaCl + CO2 + H2O 
2-
3CO + 2H
+
  CO2 + H2O 
- Tác dụng với dung dịch kiềm: các muối hiđrocacbonat dễ tác dụng với dung dịch kiềm. 
Thí dụ: 
NaHCO3 + NaOH  Na2CO3 + H2O 
-
3HCO + OH
-
  2
3
CO  + H2O 
- Phản ứng nhiệt phân của các muối ở dạng khan 
+ Các muối cacbonat trung hoà tan (của kim loại kiềm) bền với nhiệt, không bị phân huỷ. 
+ Các muối cacbonat của kim loại khác, muối hiđrocacbonat, đều bị phân huỷ. 
Đặc biệt muối -3HCO rất dễ bị nhiệt phân tích ngay khi chỉ đun nóng dung dịch 
Thí dụ: 
MgCO3 
ot
 MgO + CO2 
2NaHCO3 
ot
 Na2CO3 + CO2 + H2O 
Ca(HCO3)2 
ot
 CaCO3 + CO2 + H2O 
c. Ứng dụng của một số muối cacbonat 
- Canxi cacbonat (CaCO3) tinh khiết là chất bột nhẹ, màu trắng, được dùng làm chất độn trong cao su và 
một số ngành công nghiệp. 
- Natri cacbonat khan (Na2CO3, còn gọi là sođa khan) là chất bột màu trắng, tan nhiều trong nước. Khi kết tinh 
từ dung dịch nó tách ra ở dạng tinh thể Na2CO3.10H2O. Sođa được dùng trong công nghiệp thuỷ tinh, đồ gốm, 
bột giặt,... 
- Natri hiđrocacbonat (NaHCO3) là chất tinh thể màu trắng, hơi ít tan trong nước, được dùng trong công 
nghiệp thực phẩm. Trong y học, natri hiđrocacbonat được dùng làm thuốc để chữa bệnh đau dạ dày (thuốc 
muối nabica). 
Giáo viên: Vũ Khắc Ngọc 
 Nguồn: Hocmai.vn