Bài tập về Cacbon

Kiến thức cần nhớ

Vị trí, cấu hình electron và tính chất vật lý

1. Vị trí và cấu hình electron nguyên tử

Hình 1: Ô nguyên tố C

- Cacbon ở ô thứ 6, chu kỳ 2, nhóm IVA của bảng tuần hoàn.

- Cấu hình e: 1s²2s²2p² ⇒ C có 4 electron lớp ngoài cùng. Vì vậy C có thể tạo được tối đa 4 liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử khác.

- Các số oxi hóa của C là: -4, 0, +2 và +4.

2. Tính chất vật lý

- C có ba dạng thù hình chính: Kim cương, than chì và fuleren.

Hình 2: Một số thù hình của cacbon

+  Kim cương là chất tinh thể trong suốt, không màu, không dẫn điện, dẫn nhiệt kém. Kim cương có cấu trúc tinh thể nguyên tử và cứng nhất trong tất cả các chất.

Hình 3: Mô hình cấu trúc tinh thể kim cương

+ Than chì là tinh thể màu xám đen, dẫn điện tốt nhưng kém kim loại. Tinh thể than chì có cấu trúc lớp.

Hình 4: Tinh thể than chì

+ Fuleren gồm các phân tử C₆₀, C₇₀, … Phân tử C₆₀ có cấu trúc rỗng, gồm 32 mặt, với 60 đỉnh là 60 nguyên tử C.

Hình 5: Phân tử fuleren C₆₀.

- Ngoài ra, các than được điều chế nhân tạo (than gỗ, than xương,…) được gọi là cacbon vô định hình.

Tính chất hóa học

- Trong các dạng tồn tại của cacbon, cacbon vô định hình hoạt động hơn cả về mặt hóa học. Tuy nhiên, ở nhiệt độ thường cacbon khá trơ.

- Trong các phản ứng hóa học, cacbon thể hiện hai tính chất: Tính oxi hóa và tính khử. Tuy nhiên tính khử vẫn là chủ yếu của cacbon.

1. Tính khử

a) Tác dụng với oxi

$\stackrel{0}{\mathrm{C}}+{\mathrm{O}}_2\stackrel{\mathrm{t}°}{\to }\stackrel{+4}{\mathrm{C}}{\mathrm{O}}_2$

Ở nhiệt độ cao, cacbon lại khử CO₂ theo phản ứng:

$\stackrel{0}{\mathrm{C}}+\stackrel{+4}{\mathrm{C}}{\mathrm{O}}_2\stackrel{\mathrm{t}°}{\to }2\stackrel{+2}{\mathrm{C}}\mathrm{O}$

b) Tác dụng với oxit kim loại

- C khử được oxit của các kim loại đứng sau Al trong dãy hoạt động hóa học của kim loại:

CuO + C$\stackrel{\mathrm{t}°}{\to }$Cu + CO

Fe₂O₃ + 3C$\stackrel{\mathrm{t}°}{\to }$2Fe + 3CO

- Với CaO và Al₂O₃:

CaO + 3C→CaC₂ + CO (trong lò điện)

2Al₂O₃ + 9C$\stackrel{2000°\mathrm{C}}{\to }$Al₄C₃ + 6CO

c) Tác dụng với các chất oxi hóa mạnh

- Cacbon tác dụng được với H₂SO₄ đặc, HNO₃, KClO₃, K₂Cr₂O₇, ... trong các phản ứng này, C bị oxi hóa đến mức +4 (CO₂).

C + 2H₂SO₄ đặc$\stackrel{\mathrm{t}°}{\to }$CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O

C + 4HNO₃ đặc$\stackrel{\mathrm{t}°}{\to }$CO₂ + 4NO₂ + 2H₂O

d) Khi nhiệt độ cao, C tác dụng được với hơi nước:

C + H₂O CO + H₂ 

2. Tính oxi hóa

a) Tác dụng với hiđro

$\stackrel{0}{\mathrm{C}}+2{\mathrm{H}}_2\stackrel{\mathrm{t}°, \mathrm{xt}}{\to }\stackrel{-4}{\mathrm{C}}{\mathrm{H}}_4$

b) Tác dụng với kim loại

$3\stackrel{0}{\mathrm{C}}+4\mathrm{Al}\stackrel{\mathrm{t}°}{\to }{\mathrm{Al}}_4\stackrel{-4}{{\mathrm{C}}_3}$ (nhôm cacbua)

Trạng thái tự nhiên

- Kim cương và than chì là cacbon ở dạng tự do gần như tinh khiết.

- Cacbon còn có trong các khoáng vật như canxit (đá vôi, đá hoa, đá phấn đều chứa CaCO₃), magiezit (MgCO₃), đolomit (CaCO₃.MgCO₃).

Hình 6: Một số khoáng vật chứa cacbon

- Dầu mỏ, khí thiên nhiên là hỗn hợp của các chất khác nhau chứa cacbon.

- Cơ thể động thực vật cũng chứa nhiều hợp chất của cacbon.

Ứng dụng và điều chế

1. Ứng dụng

- Kim cương được dùng làm đồ trang sức. Trong kĩ thuật, kim cương được dùng làm mũi khoan, dao cắt thuỷ tinh, bột mài.

Hình 7: Một số ứng dụng của kim cương

- 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.

Hình 8: Một số ứng dụng của than chì

- Than cốc được dùng làm chất khử trong luyện kim để luyện kim loại từ quặng.

Hình 9: Than cốc

- Than gỗ được dùng để chế thuốc nổ đen, thuốc pháo,...

Hình 10: Than gỗ (than củi)

- Than hoạt tính là than có tính hấp phụ mạnh, được dùng trong mặt nạ phòng độc và công nghiệp hóa chất.

Hình 11: Than hoạt tính

- Than muội được dùng làm chất độn khi lưu hoá cao su, để sản xuất mực in, xi đánh giày.

Hình 12: Than muội

2. Điều chế

- Kim cương nhân tạo được điều chế bằng cách nung than chì ở 2000^oC, áp suất từ 50 đến 100 nghìn atm, xúc tác là Fe, Cr, Ni.

- Than chì nhân tạo được điều chế bằng cách nung than cốc ở 2500 - 3000^oC trong lò điện, không có không khí.

- Than cốc được điều chế bằng cách nung than mỡ khoảng 1000^oC trong lò cốc, không có không khí.

- Than gỗ được tạo nên khi đốt cháy gỗ trong điều kiện thiếu không khí.

- Than mỏ được khai thác trực tiếp từ các vỉa than nằm sâu dưới mặt đất.

- Than muội được tạo nên khi nhiệt phân metan có chất xúc tác:

CH₄$\stackrel{\mathrm{t}°, \mathrm{xt}}{\to }$C + 2H₂↑

Các dạng bài tập về cacbon

Dạng 1: Bài tập lí thuyết về tính chất vật lí, hóa học cacbon

Dạng 2: Bài tập tính thành phần phần trăm khối lượng cacbon

Phương pháp giải

Ta có phương trình tổng quát:

nC + M₂O_n →  nCO + 2M

Trong đó M là những kim loại có mức độ hoạt động trung bình, đứng sau Al

Để làm được dạng bài tập này, ta cần áp dụng định luật bảo toàn khối lượng, bảo toàn nguyên tố và bảo toàn electron để giải

Bài tập tự luyện

Câu 1: Kim cương, fuleren và than chì là các dạng:

A. đồng hình của cacbon.           

B. đồng vị của cacbon.   

C. thù hình của cacbon.     

D. đồng phân của cacbon.

Hướng dẫn giải chi tiết:

Kim cương, fuleren và than chì là các dạng thù hình của cacbon.

Đáp án C

Câu 2: Thuốc nổ đen là hỗn hợp

A. KNO₃, C và S. 

B. KNO₃ và S. 

C. KClO₃, C và S.     

D. KClO₃ và S.

Hướng dẫn giải chi tiết:

Thuốc nổ đen là hỗn hợp gồm KNO₃, C và S.

Đáp án A

Câu 3: Cho các chất: O₂ (1), CO₂ (2), H₂ (3), Fe₂O₃ (4), SiO₂ (5), HCl (6), CaO (7), H₂SO_{4 đặc} (8), HNO₃ (9), H₂O (10), KCl (11). Cacbon  phản ứng trực tiếp được với bao nhiêu chất?

A. 8

B. 9

C. 7

D. 10

Hướng dẫn giải chi tiết:

C phản ứng trực tiếp được với các chất: O₂, CO₂, H₂, Fe₂O₃, H₂SO_{4 đặc}, HNO₃, H₂O

Đáp án C

Câu 4: Tính khử của cacbon thể hiện ở phản ứng nào trong các phản ứng sau:

A. $C+ZnO\stackrel{t^0}{\to }Zn+CO$

B. $C+2H_2\stackrel{t,xt}{\to }C{H}_4$

C. $2C+Ca\stackrel{t^0}{\to }Ca{C}_2$

D. $3C+4Al\stackrel{t^0}{\to }A{l}_4{C}_3$

Hướng dẫn giải chi tiết:

C thể hiện tính khử khi tác dụng với các chất có tính oxi hóa như : CO₂; ZnO (các oxit sau Al); HNO₃ (đặc); H₂SO₄ (đặc)

Đáp án A

Câu 5: Đốt cháy hỗn hợp lưu huỳnh và cacbon (thể tích không đáng kể) trong bình kín đựng oxi dư, thu được hỗn hợp ba khí (CO₂, SO₂, O₂). Sau đó đưa bình về nhiệt độ ban đầu thì áp suất trong bình so với trước khi đốt sẽ thay đổi như thế nào?

A. Tăng

B. Gỉam

C. Có thể tăng hoặc giảm (phụ thuộc vào lượng S, C)

D. Không đổi

Hướng dẫn giải chi tiết:

S(rắn) + O₂ $\stackrel{t^0}{\to }$ SO₂

C(rắn) + O₂  $\stackrel{t^0}{\to }$ CO₂

Từ 2 phương trình trên ta thấy số mol khí của chất tham gia phản ứng và sau phản ứng bằng nhau và không phụ thuộc vào lượng C, S => do vậy áp suất của bình sẽ không thay đổi khi ta đưa về nhiệt độ ban đầu

Đáp án D

Câu 6: Cho 3,60 gam cacbon tác dụng với 8,10 gam nhôm. Khối lượng nhôm cacbua tạo thành nếu hiệu suất của phản ứng 70% là

A. 5,76 gam

B. 7,56 gam

C. 10,08 gam

D. 10,80 gam

Hướng dẫn giải chi tiết:

n_C = 0,3 mol;  n_Al = 0,3 mol

3C  +  4Al  $\stackrel{t^o}{\to }$  Al₄C₃

Xét tỉ lệ : $\frac{n_C}{3}=\frac{0,3}{3}=0,1>\frac{n_{Al}}{4}=\frac{0,3}{4}=0,075$ => phản ứng tính theo Al

n_{Al4C3 lí thuyết}  = n_Al / 4 = 0,075 mol

H = 70% => n_{Al4C3 thực tế} = 0,075.70/100 = 0,0525 mol => m_Al4C3 = 7,56 gam

Đáp án B

Câu 7: Thể tích khí NO₂ thoát ra ở đktc khi cho 0,12 gam cacbon tác dụng hết với HNO₃ đặc nguội (coi phản ứng xảy ra hoàn toàn) là

A. 0,896 lít

B. 0,672 lít

C. 0,448 lít

D. 0.336 lít

Hướng dẫn giải chi tiết:

Quá trình cho – nhận e:

$C\to \stackrel{+4}{C}+4e\stackrel{+5}{N}+1e\to \stackrel{+4}{N}$

0,01      →       0,04                              0,04   →   0,04

=> V_NO2 = 0,04.22,4 = 0,896 lít

Đáp án A

Câu 8: Dẫn 0,55 mol hỗn hợp X (gồm hơi nước và khí CO₂) qua cacbon nung đỏ thu được 0,95 mol hỗn hợp Y gồm CO, H₂ và CO₂. Cho Y hấp thụ vào dung dịch chứa 0,1 mol Ba(OH)₂ sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được m gam kết tủa. Giá trị của m là

A. 9,85

B. 19,7

C. 29,55

D. 15,76

Hướng dẫn giải chi tiết:

Ta thấy n_C = n_Y - n_X = 0,95 - 0,55 = 0,4 mol

Oxi hóa hoàn toàn hỗn hợp Y thì:

Áp dụng bảo toàn e cho toàn bộ quá trình thì: 4n_C = 2n_O → n_O = 0,8 mol

Mà n_O = ∑n_{CO(Y), H2(Y)} = 0,8 mol ⟹ n_CO2(Y) = 0,95 - 0,8 = 0,15 mol

Khi cho Y phản ứng với Ba(OH)₂ tức là 0,15 mol CO₂ phản ứng với 0,1 mol Ba(OH)₂:

Tỉ lệ: 1 < n_OH-/n_CO2 = 0,2/0,15 = 1,33 < 2 → tạo CO₃^2- (a) và HCO₃^- (b)

Giải hệ: $\{\begin{array}{l}{n}_{C{O}_2}=a+b=0,15\\ n_{O{H}^{-}}=2\mathrm{a}+b=0,2\end{array}\to \{\begin{array}{l}a=0,05\\ b=0,1\end{array}$

Ba²⁺ + CO₃^2- → BaCO₃

0,05 ← 0,05 →    0,05

→ m_↓ = 0,05.197 = 9,85 gam

Đáp án A

Câu 9: Trộn 20 gam bột CuO và một lượng C rồi đem nung nóng, sau một thời gian phản ứng thấy có 3,36 lít khí thoát ra khỏi bình. Khối lượng chất rắn thu được là

A. 17,6

B. 8

C. 9,6

D. 15,6

Hướng dẫn giải chi tiết:

CuO + C $\stackrel{t^o}{\to }$ Cu + CO

n_CO = 3,36 / 22,4 = 0,15 mol

=> n_{CuO phản ứng} = 0,15 mol

=> m_{CuO dư} = 20 – 0,15.80 = 8 gam

n_{Cu tạo thành} = n_{CuO phản ứng} = 0,15 mol

=> m_Cu = 0,15.64 = 9,6 gam

=> m_{chất rắn sau phản ứng} = 8 + 9,6 = 17,6 gam

Đáp án A

Xem thêm các dạng câu hỏi và bài tập liên quan khác:

30 Bài tập về Cân bằng trong dung dịch nước (2024) có đáp án chi tiết nhất

30 Bài tập về Nitrogen (2024) có đáp án chi tiết nhất

30 Bài tập về dẫn xuất halogen của hiđrocacbon (2024) có đáp án chi tiết nhất

30 bài tập về Ammonia. Muối ammonium (2024) có đáp án chi tiết nhất

30 bài tập về Sulfuric acid và muối sulfate (2024) có đáp án chi tiết nhất