Các hợp chất carbon là các chất hóa học có chứa các nguyên tử carbon liên kết với bất kỳ nguyên tố nào khác. Carbon là nguyên tử có nhiều hợp chất hơn bất cứ nguyên tố nào khác trong bảng tuần hoàn ngoại trừ hydro. Phần lớn các phân tử này là các hợp chất carbon hữu cơ (ví dụ, benzen, sucrose), ngoài ra trong khí quyển còn có một số lượng lớn các hợp chất carbon vô cơ cũng tồn tại (ví dụ, carbon dioxide ). Một đặc tính quan trọng của carbon là catenation, đó là khả năng tạo thành chuỗi dài hoặc polyme . Các chuỗi này có thể ở dạng chuỗi thẳng hoặc tạo thành các vòng.
Carbon là nguyên tử có nhiều hợp chất hơn bất cứ nguyên tố nào khác trong bảng tuần hoàn ngoại trừ hydro
Các loại liên kết hóa học được hình thành bởi carbon
Carbon thường hình thành liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử khác. Carbon hình thành liên kết cộng hóa trị không cực khi liên kết với các nguyên tử carbon khác và liên kết cộng hóa trị có cực với phi kim và kim loại. Trong một số trường hợp, carbon hình thành liên kết ion. Một ví dụ là liên kết giữa canxi và carbon trong canxi cacbua, CaC2 .
Carbon thường ở dạng hóa trị 4 (trạng thái oxy hóa +4 hoặc -4). Tuy nhiên, các trạng thái oxy hóa khác cũng được biết đến, bao gồm +3, +2, +1, 0, -1, -2 và -3. Thậm chí carbon còn có thể hình thành sáu liên kết, như trong hexamethylbenzene.
Mặc dù chúng ta thường phân loại các hợp chất carbon thành 2 nhóm chính là hữu cơ và vô cơ, nhưng bên cạnh đó còn có rất nhiều hợp chất carbon khác nhau mà chúng ta còn có thể chia nhỏ hơn nữa.
Các thù hình của carbon
Thù hình là các hình thức tồn tại khác nhau của cùng một nguyên tố. Về mặt lý thuyết, thù hình không phải là một hợp chất (chúng là các đơn chất), tuy nhiên chúng lại thường được gọi bằng tên của chính các hợp chất đó. Các thù hình quan trọng của carbon bao gồm carbon vô định hình, kim cương , than chì, graphene và fullerene. Ngoài ra carbon còn có nhiều thù hình khác nhưng ít được biết đến. Mặc dù thù hình là các hình thức tồn tại của cùng một nguyên tố nhưng chúng có các thuộc tính rất khác nhau, nhất là các thuộc tính vật lý, ví dụ như kim cương và than chì!
Hợp chất carbon hữu cơ
Các hợp chất carbon hữu cơ từng được định nghĩa là bất kỳ hợp chất carbon nào được hình thành hoàn toàn bởi một sinh vật sống. Ngày nay, nhiều hợp chất trong số này có thể được tổng hợp trong phòng thí nghiệm hoặc đã được tìm thấy nhưng không phải có nguồn gốc từ các sinh vật, vì vậy định nghĩa đã được sửa đổi (mặc dù điều này chưa được thống nhất). Một hợp chất carbon hữu cơ đương nhiên là phải chứa carbon, Ngoài ra, hầu hết các nhà hóa học đồng ý hydro cũng phải có mặt. Mặc dù vậy, việc phân loại một số hợp chất hiện vẫn chưa đi đến thống nhất. Các nhóm hợp chất hữu cơ chính bao gồm carbohydrate , lipid , protein và axit nucleic . Ví dụ về các hợp chất hữu cơ bao gồm benzen, toluene, sucrose và heptane.
Hợp chất carbon vô cơ
Các hợp chất vô cơ có thể được tìm thấy trong các khoáng chất và các nguồn tự nhiên khác hoặc có thể được tạo ra trong phòng thí nghiệm. Ví dụ bao gồm các oxit carbon (CO và CO2 ), carbonate (ví dụ CaCO3 ), oxalat (ví dụ BaC2O4 ), carbon sulfide (ví dụ, carbon disulfide, CS2 ), các hợp chất nitơ-carbon (ví dụ, hydro xyanua, HCN), halogenua carbon và carboran.
Hợp chất Organometallic
Các hợp chất organometallic chứa ít nhất một liên kết carbon-kim loại. Các ví dụ bao gồm chì tetraethyl, ferrocene và muối Zeise.
Hợp kim carbon
Một số hợp kim có chứa carbon, bao gồm thép và gang. Kim loại “nguyên chất” có thể được nấu chảy bằng than cốc, khiến chúng cũng chứa carbon. Ví dụ như nhôm, crom và kẽm.
Tên của hợp chất carbon
Một số loại hợp chất có tên nói lên thành phần của chúng như:
- Cacbua (Carbides): Cacbua là các hợp chất nhị phân được hình thành bởi carbon và một nguyên tố khác có độ âm điện thấp hơn. Ví dụ bao gồm Al4C3, CaC2, SiC, TiC, WC.
- Carbon halogenua : Carbon halogen bao gồm carbon liên kết với một halogen. Các ví dụ bao gồm carbon tetrachloride (CCl4 ) và carbon tetraiodide (CI4 ).
- Carboran: Carboran là các cụm phân tử có chứa cả nguyên tử carbon và boron. Một ví dụ điển hình là H2C2B10H10.
Tính chất của hợp chất carbon
Các hợp chất carbon đều có chung một số đặc điểm như:
- Hầu hết các hợp chất carbon có độ phản ứng thấp ở nhiệt độ thường nhưng có thể phản ứng mạnh khi ở nhiệt độ cao. Ví dụ, cellulose trong gỗ ổn định ở nhiệt độ phòng, nhưng lại cháy khi được nung nóng.
- Do đó, các hợp chất carbon hữu cơ được coi là dễ cháy và có thể được sử dụng làm nhiên liệu. Ví dụ bao gồm nhựa đường, chất thực vật, khí đốt tự nhiên, dầu và than. Sau quá trình đốt cháy, dư lượng còn lại chủ yếu là carbon nguyên tố.
- Nhiều hợp chất carbon không phân cực và có độ hòa tan thấp trong nước. Vì lý do này, một mình nước là không đủ để loại bỏ dầu hoặc mỡ.
- Các hợp chất của carbon và nitơ thường tạo ra chất nổ tốt. Liên kết giữa 2 nguyên tử trên có thể không ổn định và có khả năng giải phóng năng lượng đáng kể khi bị phá vỡ.
- Các hợp chất chứa carbon và nitơ thường có mùi riêng biệt và khó chịu khi ở dạng lỏng. Dạng rắn có thể không mùi. Một ví dụ dễ thấy là nylon, bình thường nó không có mùi nhưng nó sẽ có mùi khét khi bị đốt cháy thành dạng lỏng.
Công dụng của hợp chất carbon
Việc sử dụng các hợp chất carbon là vô hạn. Có thể nói cuộc sống của chúng ta phần lớn dựa vào carbon. Hầu hết các sản phẩm có chứa carbon, bao gồm nhựa, hợp kim và bột màu. Nhiên liệu và thực phẩm cũng cần có carbon.
