Nguyên tố carbon

Số nguyên tử: 6
Trọng lượng nguyên tử: 12,0107
Màu sắc: trong suốt (kim cương) và đen (graphite)
Pha: rắn
Phân loại: phi kim
Điểm nóng chảy: không rõ – biến thành hơi (thăng hoa) trước khi tan chảy
Điểm thăng hoa: 3.642^oC
Cấu trúc tinh thể: lục giác (graphite) và lập phương tâm diện (kim cương)

Carbon là một trong những nguyên tố quan trọng nhất trong bảng tuần hoàn – ít nhất là đối với loài người trên Trái đất; phổ hợp chất phong phú của nó khiến nó là trụ cột của sự sống trên hành tinh chúng ta. Carbon giúp khơi nguồn các phản ứng hạt nhân trên Mặt trời mang lại cho chúng ta ánh sáng và sự ấm áp, và đồng thời nó là một thành phần chủ chốt của công nghệ của chúng ta – nó là thành phần thiết yếu cho các nhiên liệu cung cấp năng lượng cho nền văn minh nhân loại, cho các vật liệu trong nhà cửa của chúng ta, và cả vải vóc trên người chúng ta nữa.

Carbon là một nguyên tố cổ xưa, đã được người Ai Cập và người Sumeri biết tới hồi tận năm 3750 trước Công nguyên; họ đã dùng carbon để xử lí quặng trong sản xuất đồng thau. Sau này, carbon còn được tìm thấy một ứng dụng nữa trong lĩnh vực luyện kim, người ta dùng nó để biến sắt thô thành hợp kim siêu bền: thép. Tên gọi “carbon” có xuất xứ Latin carbo, có nghĩa là “than”.

Một vài dạng hình khác nhau của carbon đã được người cổ xưa biết đến – ví dụ như than củi, than đá và graphite – nhưng họ không rõ những chất này có là những bộ mặt khác nhau của cùng một thứ hay không. Vấn đề được làm sáng tỏ vào thế kỉ 18. Vào năm 1779, nhà hóa học người Đức-Thụy Điển Carl Wilhelm Scheele cho biết rằng graphite có chứa carbon. Bảy năm sau đó, một đội khoa học người Pháp đã chứng minh rằng graphite, thật ra, chủ yếu là carbon.

Hai dạng carbon: thỏi graphite và kim cương công nghiệp

Carbon là nguyên tố dồi dào thứ 15 trong lớp vỏ Trái đất; chỉ riêng sinh quyển của chúng ta đã chứa hơn 2000 tỉ tấn carbon. Carbon là nguyên tử hóa trị bốn, có khả năng liên kết với bốn nguyên tử khác đồng thời, cho phép nó tạo ra hơn 20 triệu hợp chất hóa học khác nhau – sự đa dạng này là điều cốt lõi cho vai trò thiết yếu của carbon đối với sự sống trên Trái đất. Vai trò này được mô tả phần nào bởi “chu trình carbon” chi phối cách thức carbon được cây xanh hấp thu (thông qua quang hợp) từ carbon dioxide trong khí quyển, sau đó được động vật tiêu hóa, trước khi trở lại khí quyển khi những dạng sống này cuối cùng chết đi.

Các quan ngại môi trường hiện nay chủ yếu là vì có rất nhiều carbon được bổ sung vào chu trình trên bởi sự khai thác và đốt các nhiên liệu hóa thạch. Carbon trong những chất này – ví dụ như than đá và dầu mỏ – khi đốt cháy thì biến thành carbon dioxide. Trong khí quyển, chất khí này có tác dụng bẫy nhiệt từ Mặt trời đến, làm ấm hành tinh.

Carbon có nhiều công dụng. Ngoài việc dùng trong sản xuất thép, nó còn là cơ sở của plastic, cotton và vải lanh. Carbon (ở dạng muội than của nó) còn là thành phần chủ yếu trong loại chất gây nổ thực tiễn đầu tiên: thuốc súng.

Carbon có nhiều dạng thù hình khác nhau, về căn bản chúng là những chất khác nhau được tạo ra bởi các nguyên tử carbon sắp xếp theo những kiểu khác nhau. Graphite là dạng thù hình được cấu tạo bởi những tấm carbon liên kết. Tuy nhiên, kim cương có cấu trúc mạng tinh thể rắn chắc, được tạo ra ở nhiệt độ cao và áp suất lớn. Mới đây nhất, một dạng carbon kì lạ gọi là fullerene đã được người ta khám phá. Fullerene có cấu trúc graphite cuộn lại thành ống trụ (ống nano) hoặc quả cầu (gọi là bóng bucky). Chúng bền hơn thép hàng trăm lần.