碳和碳的氧化物

 

课题1  金刚石、石墨和C₆₀

 

自主性探究

探究示例

我国古代的书法家、画家用墨书写或绘制的字画，虽年深日久仍不变色，这是为什么呢？请从本质上加以分析。

●思路与方法

要解释这个问题先要弄清楚写字、绘画用的墨的成分是什么，具有怎样的特性。我们知道墨主要用碳黑等制成，它在常温下化学性质是　　　，所以古代字画虽年深日久仍不变色。从本质上分析：元素的化学性质与该原子的核外电子排布特别是最外层电子数目有密切关系。碳原子的结构示意图为 ，由此可看出，其核外电子分层排布，最外层电子数为　  个，因而碳原子既不容易　 电子，也不容易　电子。因此常温下碳的化学性质　　。

●点评

处处留心皆学问。善于用化学的“眼光”分析我们周围的事物，能使我们明晰事理，知道学化学有用，化学就在身边。

自主探究

【问题一】单质是由同种元素组成的物质，由同种元素组成的物质一定是单质吗？举例说明。

 

 

 

【问题二】金刚石、石墨和C₆₀都是由碳元素组成的单质，它们的物理性质差异却很大，为什么？化学性质呢？

 

 

 

【问题三】在常温下，碳化学性质不活泼。如果温度升高，碳的活动性又如何呢？举例说明。（结合教材中“碳跟氧气的反应”以及“碳跟某些氧化物的反应”说明。）

 

 

【问题四】在生活和生产实际中，当燃烧碳单质等含碳的可燃物时，为什么要力求供给充足的氧气？试从节省原料、环境保护和获取热能等方面加以分析。

 

 

 

 

知识整理

　　　　　　常见用途                   

常见的　　　　　　　　常见用途                   

碳单质　　　　　　　　常见用途                   

碳单质　　　　　　常温时　　　　（　　性）

化学性质　点燃时　　　　化学方程式　　　　　　　　（　　性）

高温时　　　　化学方程式　　　　　　　　（　　性）

 

开放性作业

巩固练习

1．碳的下列单质中常用作电极材料的是（　　）

A．金刚石　　 B．石墨     C．活性炭　　　D．焦炭

2．下列各组物质属于碳元素组成的不同单质的是（　　）

A．水和冰　　B．红磷和白磷　　C．金刚石和石墨　　D．O₂和O₃

3．近年来，科学家研制出一种新的分子，它具有空心的类似足球状结构，化学式为C₆₀，下列说法正确的是（　　）

A．它是一种新型的化合物             B．它与金刚石、石墨都是碳的单质

C．该物质是由金刚石和石墨构成的     D．该物质的相对分子质量为60

4．下列关于碳的几种单质的组成和用途的说法错误的是（　　）

A．璀璨夺目的xx钻石是由碳元素组成的

B．长期未用而难开启的铁锁，可在锁孔中加入少量铅笔芯粉便易于开启

C．活性炭可用作防毒面具的滤毒剂

D．铅笔芯主要是用铅和少量碳粉制成的

5．只含有碳元素的物质（　　）

A．一定是纯净物                     B．一定是金刚石

C．可能是纯净物，也可能是混合物     D．一定是炭黑

6．为除去氧化铜中混入的杂质碳，而又不增加新的杂质，可采取的措施是（　　）

A．在氧气流中加热混合物             B．在密闭容器中灼热混合物

C．在CO₂气流中加热混合物           D．在氢气流中加热混合物

7．在2000℃、压强为5×10⁶~1×10⁷kPa,并有催化剂的条件下，石墨可以转化为金刚石，下列有关说法不正确的是（　　）

A．金刚石和石墨都是单质           B．金刚石和石墨的化学性质xx相同

C．金刚石和石墨是不同的物质       D．该变化是物理变化

8．金刚石、石墨在氧气中充分燃烧都生成{wy}的产物是        ，且这一产物里所含氧的质量等于参加反应的氧气的质量，由此证明它们是由        元素组成的不同单质．

9．在石墨、活性炭和金刚石等碳的单质中，硬度{zd0}的是________；软而滑腻的是________；导电性能好的是________；能使集气瓶中红棕色的二氧化氮颜色消失的是________，发生的变化是________变化(填“物理”或“化学”)。

10．科学家证实了一种具有空心球状结构的分子N₆₀，以下判断不正确的是（　）

A．N₆₀和N₂都是氮元素的单质      B．N₆₀与N₂应具有不xx相同的性质

C．N₆₀的相对分子质量是840       D．N₆₀中含有30个氮分子

11．在书写档案时，规定必须使用含有单质碳的墨水，其理由是（　）

A．单质碳不跟其他物质反应

B．常温下，碳的化学性质不活泼

C．碳易与纸张反应生成化学性质稳定的物质

D．这种墨水是经过加工的性质稳定的化合物

12．试管里盛有黑色粉末，加热后有红色固体生成，同时产生没有颜色、没有气味的气体，此气体能使澄清的石灰水变浑浊，这种黑色粉末可能是（　）

A．氧化铜　　　　　　　　　　　B．氧化铜和木炭粉的混合物

C．木炭粉和铜的混合物　　　　　D．木炭粉

13．有二氧化氮气体(呈红棕色)的集气瓶里投入几块木炭，为什么红棕色会消失而漏斗中液面会上升？为什么用漏斗而不用导管直接插入水中？

 

 

 

方法演练

14.通过学习我们知道，碳和氧气反应生成两种不同的产物——CO和CO₂，由此我们可以得出结论：反应物相同，条件不同，则产物有可能不同。在科学研究领域中，科学家常常通过控制反应条件来控制生成的产物。

（1）你知道的反应条件有那些？请一一列举出来。

 

 

（2）根据你学过的化学知识，结合生活中实际经验，你能举出反应物相同，反应条件不同，产物却不相同的例子吗？

 

 

15．向红热的木炭中通入硫的蒸气，能发生反应生成一种叫二硫化碳的物质。写出这个反应的化学方程式                                

16.具体填写(1)～(3)组物质性质不同的原因.并以此为例,另写两组实例.

⑴金刚石、石墨、C₆₀：碳原子                                  不同；

⑵H₂O和H₂O₂：分子                                          不同；

⑶钠原子和氯原子：原子的                                    不同；

⑷                                                           不同；

⑸                                                           不同。

拓展性学习

碳单质研究的新进展

目前，化学界和物理学界的C₆₀热方兴未艾。1991年以后，科学家又发现了布基管(buckytubes)和布基洋葱(buckyonions)。

1991年，日本电气公司基础研究室的饭岛利用与产生C₆₀分子相类似的电弧放电技术，在石墨电极的负极上收集到一种管状结构的碳原子簇，他称之为布基管。在高分辨电子显微镜下观察布基管，可以观察到布基管可以有单层的和多层的，多层的布基管由一些同轴的圆柱形管状碳原子层叠套而成，碳原子在管壁上形成六边形结构并沿管壁方向呈螺旋状，这种螺旋结构有助于布基管的生长。布基管的直径量级为纳米级，因此它又被称为碳纳米管。

饭岛进一步观察到，如果这种管状分子上全部都是六边形的碳环，管子是不会封闭的，还可向两边继续生长。如果在管子的两端包含五边形环，则可将布基管封闭起来，而且布基管不会再生长。

单、多层布基管                 两端封闭的布基管                   布基洋葱

1992年，瑞士洛桑xx综合工科大学的电子显微镜专家乌加特(D.Ugarte)采用高强度电子束对碳棒进行长时间的照射，并仔细调节高分辨率电子显微镜电子束的强度，以观察电子束照射对碳粒子产生的影响，他们发现电子束会引起布基管中碳原子的移动，管状分子结构发生分裂并重新组合成同心球面结构，{zh1}形成了一层套一层的类似洋葱状的同心球面结构，有的可包括多达70层的同心球面结构，分子直径可达47nm。这种同心球面结构类似洋葱，因此称为布基洋葱。它的最中心的球十分接近C₆₀，因此，布基洋葱是以C₆₀为核心生成的同心多层球面套叠结构的分子，层与层之间存在着范德华力，层与层之间的距离约为3.34×10^-10m。

【思考与实践】⑴请你推测碳纳米管和布基洋葱的物理性质与金刚石、石墨和C₆₀的物理性质是否相同？化学性质是否相同？分别简述理由。⑵请你设计一个方案证明碳纳米管和布基洋葱都是由碳元素组成的。