Các dạng thù hình và sự phổ biến của Cacbon

Các thù hình của cacbon là khác nhau về cấu trúc mạng nguyên tử mà các nguyên tử tinh khiết có thể tạo ra.

Ba dạng được biết nhiều nhất là cacbon vô định hình, graphit và kim cương. Một số thù hình kỳ dị khác cũng đã được tạo ra hay phát hiện ra, bao gồm các fulleren, cacbon ống nano và lonsdaleit.

Trong dạng vô định hình, cacbon chủ yếu có cấu trúc tinh thể của graphit nhưng không liên kết lại trong dạng tinh thể lớn. Trái lại, chúng chủ yếu nằm ở dạng bột và là thành phần chính của than, muội, bồ hóng, nhọ nồi và than hoạt tính.

Biểu đồ pha cơ bản của cacbon, chỉ ra trạng thái của vật chất đối với các mức nhiệt độ và áp suất. Phần gạch chéo là các điều kiện mà cacbon có thể ở trạng thái đa ổn định, khi đó hai pha có thể cùng tồn tại

Ở áp suất bình thường cacbon có dạng của graphit, trong đó mỗi nguyên tử liên kết với 3 nguyên tử khác trong mặt phẳng tạo ra các vòng lục giác, giống như các vòng trong các hiđrôcacbon thơm. Có hai dạng của graphit đã biết, là alpha (lục giác) và beta (rhombohedral), cả hai có các thuộc tính vật lý giống nhau, ngoại trừ về cấu trúc tinh thể. Các loại graphit có nguồn gốc tự nhiên có thể chứa tới 30% dạng beta, trong khi graphit tổng hợp chỉ có dạng alpha. Dạng alpha có thể chuyển thành dạng beta thông qua xử lý cơ học và dạng beta chuyển ngược thành dạng alpha khi bị nung nóng trên 1000 °C.

Vì sự phi tập trung hóa của các đám mây pi, graphit có tính dẫn điện. Vật liệu vì thế là mềm và các lớp, thường xuyên bị tách ra bởi các nguyên tử khác, được giữ cùng nhau chỉ bằng các lực van der Waals, vì thế chúng dễ dàng trượt trên nhau.

Ở áp suất cực kỳ cao các nguyên tử cacbon tạo thành thù hình gọi là kim cương, trong đó mỗi nguyên tử được liên kết với 4 nguyên tử khác. Kim cương có cấu trúc lập phương như silic và gecmani và vì độ bền của các liên kết cacbon-cacbon, cùng với chất đẳng điện nitrua bo (BN) là những chất cứng nhất trong việc chống lại sự mài mòn. Sự chuyển hóa thành graphit ở nhiệt độ phòng là rất chậm và khong thể nhận thấy. Dưới các điều kiện khác, cacbon kết tinh như là Lonsdaleit, một dạng giống như kim cương nhưng có cấu trúc lục giác.

Các fulleren có cấu trúc giống như graphit, nhưng thay vì có cấu trúc lục giác thuần túy, chúng có thể chứa 5 (hay 7) nguyên tử cacbon, nó uốn cong các lớp thành các dạng hình cầu, elip hay hình trụ. Các thuộc tính của các fulleren vẫn chưa được phân tích đầy đủ. Tất cả các tên gọi của các fulleren lấy theo tên gọi của Buckminster Fuller, nhà phát triển của kiến trúc mái vòm, nó bắt chước cấu trúc của các "buckyball".

Thù hình xốp nano đã được phát hiện và nó là một vật liệu sắt từ.

Các thù hình của cacbon bao gồm:

• Cacbon vô định hình
• Cacbon xốp nano (phát hiện năm 1997)
• Cacbon ống nano
• Kim cương
• Fulleren
• Graphit
• Lonsdaleit
• Ceraphit

Các dạng thù hình của cacbon là rất khác nhau về nhiều thuộc tính.

Giữa kim cương và graphit:

• Kim cương là cứng nhất, nhưng graphit là một trong những vật liệu mềm nhất.
• Kim cương là chất mài mòn siêu hạng, nhưng graphit là chất bôi trơn rất tốt.
• Kim cương là chất cách điện tuyệt hảo, nhưng graphit là vật liệu dẫn điện.
• Kim cương thông thường là trong suốt, nhưng graphit là mờ.
• Kim cương kết tinh trong hệ lập phương nhưng graphit kết tinh trong hệ lục giác.

Giữa cacbon vô định hình và cacbon ống nano:

• Cacbon vô định hình là một trong những chất dễ tổng hợp nhất, nhưng cacbon ống nano thì cực kỳ khó tạo ra và rất đắt tiền.
• Cacbon vô định hình là hoàn toàn đẳng hướng, nhưng cacbon ống nano thì lại là một trong số các vật liệu phi đẳng hướng nhất mà con người đã tạo ra.

Có khoảng 10 triệu hợp chất khác nhau của cacbon mà khoa học đã biết và hàng nghìn trong số đó là tối quan trọng cho các quá trình của sự sống và cho các phản ứng trên cơ sở hữu cơ rất quan trọng về kinh tế. Nguyên tố này phổ biến trong Mặt Trời, các ngôi sao, sao chổi, và trong khí quyển của phần lớn các hành tinh. Một số thiên thạch chứa kim cương vi tinh thể được tạo ra khi hệ Mặt Trời vẫn còn là một đĩa mẫu hành tinh. Trong tổ hợp với các nguyên tố khác, cacbon được tìm thấy trong bầu khí quyển Trái Đất và hòa tan trong mọi thực thể có chứa nước. Với một lượng nhỏ hơn của canxi, magiê và sắt, nó tạo ra thành phần chủ yếu của một lượng rất lớn đá cacbonat (đá vôi, đôlômit, đá cẩm thạch v.v.). Khi tổ hợp với hiđrô, cacbon tạo thành than, dầu mỏ và khí tự nhiên, còn được gọi là các hiđrôcacbon.

Graphit được tìm thấy với một số lượng lớn ở các bang New York và Texas (Mỹ); Nga; Mexico; Greenland và Ấn Độ.

Kim cương tự nhiên có trong khoáng chất kimberlit tìm thấy trong các "cổ" hay "ống" núi lửa cổ đại. Phần lớn các mỏ kim cương nằm ở châu Phi, chủ yếu là Nam Phi, Namibia, Botswana, Cộng hòa Congo và Sierra Leone. Cũng có các mỏ ở Arkansas, Canada, vùng Bắc cực nước Nga, Brasil và ở miền bắc và tây nước Úc.