(定稿、不分层)金刚石、石墨和C60 知识讲解

金刚石、石墨和C60
【学习目标】
1.了解金刚石和石墨的物理性质和主要用途；知道木炭、活性炭的吸附性。

2.知道碳单质的化学性质，掌握碳跟氧气、氧化铜的反应。

3.知道不同元素可以组成不同的物质，同一种元素也可以组成不同物质。

【要点梳理】
要点一、碳的单质
1.同一种元素可以组成不同的单质：
金刚石、石墨和C60都是由碳元素组成的单质，但是由于碳原子排列方式不同，即结构不同，因此它们的性质存在着差异。

金刚石的结构石墨的结构 C60的结构
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2.金刚石、石墨和C60的比较：（专题课堂《金刚石、石墨和C
3.木炭、活性炭的吸附性：
木炭、活性炭、焦炭、炭黑等物质都是由石墨的微小晶粒和少量杂质构成的，所以从严格的意义上来说它们还不是碳的单质（被称为无定形碳）。

由于木炭和活性炭均具有疏松多孔的结构，因此它们具有较强的吸附能力，可以吸附毒气、色素以及有异味的物质等。

木炭和活性炭有吸附性，所以它们在制糖工业、食品工业、防毒面具制作等方面有重要的应用。

【要点诠释】
1.金刚石和石墨在一定条件下可以相互转化，这个转化过程发生了化学变化。

2.物质的组成和结构决定物质的性质，物质的性质决定物质的用途。

3.由于木炭疏松多孔，有很大的表面积，因此它具有吸附性，活性炭的吸附性比木炭更强。

吸附作用是将气体或溶液里的微小粒子吸附在固体表面，没有生成新物质，属于物理变化。

4.“碳”和“炭”的区别：“碳”是元素的名称，是核电荷数为6的一类原子的总称。

比如碳元素、碳单质、含碳化合物、一氧化碳等，这儿不能用“炭”。

而“炭”指的是具体物质，它表示由碳元素组成的某种单质——木炭、活性炭、焦炭等。

一般在未指明具体单质时，习惯上用碳，如“炽热的碳”、“当碳燃烧时”。

要点二、碳的化学性质
1.稳定性：在常温下，碳的化学性质不活泼。

在高温下，碳能够与很多物质起反应。

2.可燃性（碳与氧气反应）：
（1）当氧气充足时，碳完全燃烧，生成二氧化碳，同时放出大量的热。

实验现象：木炭在氧气中剧烈燃烧，发出白光，放热，生成无色无味能使澄清石灰水变浑浊的气体。

C+O2CO2
（2）当氧气不足时，碳不完全燃烧，生成一氧化碳，同时放出热量。

2C+O22CO
3.还原性（碳与某些氧化物反应）：高温下碳能跟某些氧化物反应，夺取某些氧化物中的氧元素，使这些氧化物失去氧而发生还原反应。

木炭还原氧化铜实验：（专题课堂《金刚石、石墨和C60》）
（1）药品：木炭粉（黑色）、氧化铜（黑色粉末）。

（2）实验现象：黑色粉末逐渐变红，澄清石灰水变浑浊。

（3）实验结论：2CuO＋C高温2Cu＋CO2↑
（4）几点说明：
①酒精灯加网罩可使火焰集中并提高温度；
②试管口要略向下倾斜；
③装置的气密性要良好；
④实验结束时，先撤出导气管，然后再熄灭酒精灯（防止澄清石灰水倒流入热的试管致使试管破裂），待试管冷却后再把试管内的粉末倒在纸上（防止生成的铜再被氧化成氧化铜）。

【要点诠释】
1．碳单质的化学性质都相同。

如金刚石、石墨和C60以及木炭等都是由碳元素组成的，其碳原子的最外层电子的数目一样多（都是4个），因此，不同碳单质的化学性质相同。

2．碳单质的化学性质在常温下稳定。

但随着温度的升高，能和许多物质发生化学反应；反应的条件不同，产物也不同。

如：碳和氧气在点燃条件下反应，氧气充足时生成的是CO2，而氧气不充足时主要生成CO。

3．性质决定用途：
（1）碳在常温下具有稳定性，所以古代用墨写的字经久不褪色。

（2）碳具有可燃性，可用作燃料。

（3）碳具有还原性，可用作还原剂，可用来冶炼金属。

如2Fe2O3＋3C高温4Fe＋3CO2↑，在该反应中，碳得到氧、被氧化生成二氧化碳，碳是还原剂。

氧化铁失去氧、被还原成铁，是氧化剂。

4.碳的还原性还体现在反应CO2＋C高温2CO中，该反应是吸热反应。

【典型例题】
类型一、考查碳单质的性质和用途
1.（2015•衡阳中考）在书写档案文书时，最好使用（）
A．铅笔B．纯蓝墨水笔C．碳素墨水笔D．圆珠笔
【思路点拨】碳在常温下化学性质不活泼，很难与其它物质发生反应，据此进行分析判断。

【答案】C
【解析】碳素墨水中含有碳，碳在常温下化学性质不活泼，很难与其它物质发生反应，保存的时间较长，重要文件资料书写时最好使用碳素墨水笔。

A、重要文件资料需要长期保存，书写时最好使用碳素墨水笔，而不是铅笔，因为铅笔书写的字能用橡皮擦去，故选项错误；
B、重要文件资料需要长期保存，书写时最好使用碳素墨水笔，而不是纯蓝墨水笔，故选项错误；
C、重要文件资料需要长期保存，书写时最好使用碳素墨水笔，故选项正确；
D、重要文件资料需要长期保存，书写时最好使用碳素墨水笔，而不是圆珠笔，故选项错误。

故选C。

【总结升华】掌握常温下碳的化学性质不活泼并能灵活应用是正确解答本题的关键。

2．“轻轨电车”（如右图）是近年来新兴的城市高架交通工具，
具有污染小的特点。

当轻轨电车开动时，轻轨电车上裸露的“电刷”
沿架空电线滑动。

电刷材料中含有石墨。

选择石墨作电刷材料是因为
其具有下列性质：
①；②；③。

【答案】①导电②润滑③耐高温（或不易氧化；或化学性质不活泼）
【解析】电刷沿架空电线长时间滑动，因摩擦产生大量的热，这就要求电刷材料具有润滑、导电和耐高温的性能。

而石墨恰好具有润滑、导电和耐高温的性质，因此石墨是制作电刷的理想材料。

【总结升华】解答本题可从石墨的优良性能和轻轨电车对电刷的要求两方面综合考虑。

3．碳单质中，C60的分子结构形似足球（如下图所示）。

关于C60的说法中，错误的是（）A．它是一种单质
B．每个C60 分子由60个碳原子构成
C．它与金刚石是同一种物质
D．它完全燃烧后的产物是CO2
【答案】C
【解析】C60是由碳元素组成的一种单质，一个C60分子由60个
碳原子构成；碳的单质有金刚石、石墨、C60等，它们是由碳元素组成的不同单质，完全燃烧都生成二氧化碳，故选C。

【总结升华】由于构成碳单质的碳原子排列方式不同，导致几种碳单质的物理性质不同，但碳单质的化学性质相同。

4．金刚石、石墨、木炭和C60都是由碳元素组成的单质，下列关于碳的单质的叙述正确的是（）
A. 都是黑色固体B．在氧气中充分燃烧时都生成二氧化碳
C. 碳原子的排列方式相同D．一定条件下，石墨转化成金刚石是物理变化
【答案】B
【解析】金刚石是无色透明的，故A错；由于它们都是由碳元素组成的，所以燃烧产物相同，都是二氧化碳，故B正确；金刚石是正八面体结构，而石墨是层状结构，故碳原子的排列方式不同，C错；石墨转化为金刚石生成了新的物质，发生的是化学变化，故D错。

【总结升华】金刚石、石墨、木炭、和C60属于碳的同素异形体（即相同的元素组成的不同单质），它们的化学性质相同，但物理性质相差很大。

举一反三：
【变式1】（2014·盐城中考）2013年3月，我国研制出世界上最轻、吸油力最强的固体——碳海绵。

碳海绵由碳元素组成，具有疏松多孔的结构。

下列关于碳海绵的说法不正确的是（）
A．常温下化学性质不活泼B．是一种新型的化合物
C．具有较强的吸附性D．可处理海上泄漏的石油
【答案】B
【解析】碳海绵是由碳元素组成的单质，常温下碳的化学性质不活泼，A正确，B不正确；碳海绵是吸油力最强的固体，说明碳海绵具有较强的吸附性，C正确；碳海绵能吸油，可处理海上泄漏的石油，D 正确。

【变式2】金刚石可装在钻探机的钻头上，是由于。

石墨可作铅笔芯，是利用了和颜色为深灰色的性质，刻画时容易留下痕迹；石墨可作润滑剂，是由于；石墨可作电极，是由于。

活性炭可作防毒面具的滤毒剂，是由于。

【答案】金刚石硬度大石墨很软石墨具有润滑性石墨具有导电性
活性炭具有吸附性
石墨作铅笔芯，是利用了石墨很软和颜色为深灰色的性质，刻画时容易留下痕迹
类型二、考查木炭还原氧化铜的实验
5．用木炭还原氧化铜的实验如下图所示。

(1)酒精灯加灯罩的目的；
(2)刚开始加热时，试管②中立即产生气泡，但石灰水不变浑浊，原因是；
(3)继续加热，观察到石灰水逐渐变浑浊，黑色粉末中出现红色物质。

请你写出①中发生反应的化学方程式；
(4)停止加热时，应先将导管从试管②中撤出，待试管①冷却后再把试管里的粉末倒出。

这样操作的原因是。

【答案】
(1)提高酒精灯火焰的温度
(2)开始排出的是装置内的空气
(3)C+2CuO 高温2Cu+CO2↑
(4)防止试管②中的液体倒流入试管①，防止生成的铜再被氧化成氧化铜
【解析】木炭还原氧化铜的化学方程式为：C+2CuO 高温
2Cu+CO 2↑，其反应条件是高温，所以酒精灯
要加网罩以提高火焰的温度。

刚开始加热时，装置中的空气会首先逸出，所以看到试管②中立即产生气
泡，但石灰水不变浑浊。

停止加热时，应先将导管从试管②中撤出，否则试管①内温度降低，其压强会
减小，外界大气压会把试管②中的液体压进试管①内，致使试管①破裂。

待试管①冷却后再把试管里的
粉末倒出，是防止新生成的铜在较高温度下又被氧化成氧化铜。

【总结升华】本题考查木炭的还原性实验。

碳单质的化学性质有三条：还原性、可燃性、常温下的稳定
性。

举一反三：
【变式】下列关于碳的化学性质叙述正确的是( )
A.碳的化学性质不活泼
B.碳的化学性质很活泼
C.碳具有可燃性，碳在空气中燃烧的产物只有CO 2
D.碳在高温下能和氧化铜等金属氧化物反应
【答案】D
【巩固练习】
一、选择题 (每小题只有一个选项符合题意)
1.我国古代一些书法家、画家用墨（用炭黑等制成）书写或绘制的字画能够保存很长时间而不变色，这
是因为单质碳具有（ ）
A ．可燃性
B ．还原性
C ．在常温下，化学性质不活泼
D ．吸附性
2.下图所示是甲、乙两种物质的结构示意图（图中小圆圈均代表碳原子）。

这两种物质在氧气中完全燃
烧后的产物都是二氧化碳，但它们的物理性质却明显不同，如导电性、硬度等。

下列说法错误的是（
）
甲 乙
A ．甲乙两种物质中的碳原子大小相同
B ．甲乙两种物质都是碳单质
C ．甲乙两种物质中原子的空间排列方式不同
D ．将甲乙两种物质混合后得到的是纯净物
3.下列物质的性质与所对应的用途没有关系的是（ ）
A.氧气助燃——焊接金属
B.稀有气体的性质稳定——作保护气
C.石墨导电——可作电极
D.金刚石不导电——可作刻刀
4.下图是金刚石、石墨、C 60的结构示意图，它们的化学性质相似，物理性质却有很大差异。

其原因是（ ）
A ．构成它们的原子大小不同
B ．构成它们的原子数目不同
C ．金刚石、石墨、C 60由不同种原子构成
D ．金刚石、石墨、C
60里碳原子的排列不同
金刚石的结构石墨的结构 C60的结构
5.下列叙述中，发生化学变化的是（）
A.用石墨做电极
B.用金刚石切割玻璃
C.金刚石在氧气中燃烧
D.用铅笔把字迹留在纸上
6．（2015·柳北区二模）模拟考实行网上阅卷，考生答题时必须用2B铅笔填涂答题卡。

2B铅笔芯的主要成分是（）
A．木炭B．石墨C．焦炭D．铅
7．（2015·东胜区二模）单层石墨称为石墨烯，这种“只有一个碳原子厚的碳薄片”被公认为是目前世界上最薄、最坚硬、传导电子速度最快的新型材料。

下列关于石墨烯的叙述中正确的是（）
A．石墨烯的化学式为C B．石墨烯的硬度小于金刚石
C．石墨烯属于化合物D．石墨烯中碳元素的化合价为+4
8.实验测得某物质中只含有碳元素，则这种物质（）
A．一定是金刚石或石墨中的一种
B．一定是无定形碳中的一种
C．一定是碳元素的一种单质
D．可能是一种碳单质，也可能是几种碳单质组成的混合物
9.“钻石恒久远，一颗永流传”这句广告词被美国《广告时代》评为20世纪的经典广告之一，该广告能体现的钻石的性质是（）
A．硬度大 B．不能导电 C．化学性质稳定D．无色透明
10.某物质只含有一种元素，该物质不可能是( )
A．混合物 B．纯净物 C．单质 D．化合物
11.试管内盛有黑色粉末，高温加热后，可变为红色固体，同时产生的无色气体可使澄清石灰水变浑浊，此黑色粉末可能是（）
A. MnO2和C
B. CuO和C
C. Fe3O4和C
D. Fe2O3和C
二、填空题
12.使碳和氧气在一定条件下反应，当两者的质量比为________时恰好全部反应生成CO2，当两者的质量比为________时恰好全部反应生成CO，当两者的质量比介于______和_______之间时，则生成的气体为CO2和CO的混合物。

13.（2015秋•吉林月考）碳在地壳中含量不高，但它的化合物数量众多，而且分布极广。

根据所学知识回答：
（1）图①为碳原子的结构示意图，常温下碳的化学性质（填“活泼”或“不活泼”）；
（2）图②、③、④对应三种碳单质：图②单质的名称
是，图③单质的名称是，图④
单质的化学式是。

14．如右图所示，向盛有红棕色二氧化氮气体的广口瓶中
投入若干小木炭，连接好装置，稍等片刻，最终观察到的现象是：（1）（2）。

其原因为木炭具有，使得瓶中的气体压强
外界大气压。

15.木炭与氧化铜反应的实验如右下图所示。

该装置①类似
于实验室_______(填“用高锰酸钾制氧气”或“制CO2”)
的发生装置；酒精灯加上一个网罩的目的是_____________；
该实验结束时，为了防止②中溶液倒流炸裂试管，应先
____________，再_____________，该实验证明了碳具有
______________性；实验过程中可观察到①、②处分别出现
的现象为______________、_____________________；写出
①中发生反应的化学方程式___ 。

【答案与解析】
1.【答案】C
【解析】在常温下，碳的化学性质稳定；在高温下，碳能与许多物质起反应。

2.【答案】D
【解析】甲是金刚石，乙是石墨，二者混合后的物质是混合物。

3.【答案】D
【解析】金刚石作刻刀是因为金刚石非常坚硬，与导电性无关。

4.【答案】D
【解析】物质的结构决定了物质的性质。

由图可知，金刚石、石墨、C60都是由碳原子构成的单质，但碳原子的排列方式不同。

5.【答案】C
【解析】金刚石在氧气中燃烧有新的物质二氧化碳生成，发生了化学变化。

A、B、D选项均发生的是物理变化。

6．【答案】B
【解析】铅笔芯是用不同比率的石墨粉末和黏土粉末混合而制成的，故应选B。

7．【答案】A
【解析】石墨烯是由碳原子直接构成的，A正确；石墨烯是最坚硬的新型材料，其硬度比金刚石还大，B错误；石墨烯是由碳元素组成的纯净物，属于单质，C错误；单质中，元素的化合价为0，D错误。

8．【答案】D
9.【答案】C
10.【答案】D
【解析】例如金刚石和石墨都是由碳元素组成的单质，把金刚石和石墨混合在一起，就得到了由
同种元素组成的混合物。

化合物中至少含两种元素，所以选D。

11.【答案】B
12.【答案】3：83：43：83：4
13.【答案】（1）不活泼（2）金刚石石墨C60
【解析】
（1）在常温下碳的化学性质不活泼，碳受日光照射或与空气、水分接触，都不容易其变化；
（2）由碳单质的结构可知，图②的碳原子的排列是空间网状结构，具有这种结构的单质的名称是金刚石；图③的碳原子的排列是层状结构，具有这种结构的单质的名称是石墨；图④由60个原子构成的分子，形似足球，具有这种结构的单质的化学式是C60。

14.【答案】(1)广口瓶中气体由红棕色变成无色
(2)漏斗中液面上升吸附小于
【解析】活性炭或木炭的吸附性是常考的知识点，本题主要考查吸附后造成压强的变化等，有一定难度。

15.【答案】用高锰酸钾制氧气提高火焰的温度将导管从②中取出熄灭酒精灯
还原黑色粉末逐渐变成红色澄清石灰水变浑浊
C+2CuO2Cu+CO2↑。