三-1-碳的多样性知识点

碳的多样性
一、多种多样的碳单质
知识回顾：初中已讲过碳元素有金刚石、石墨两种单质，氧元素有O2、O3两种单质，磷元素有白磷、红磷两种单质。

一种元素组成几种不同单质的现象叫同素异形现象。

1、同素异形体
(1)概念：同种元素组成的性质不同的几种单质互称同素异形体。

(2)与同位素的比较：
2、碳元素的同素异形体：金刚石、石墨、C60。

(1)金刚石：正四面体结构。

每个碳原子与另外4个C原子形成正四面体结构。

碳原子都以这种方式一直排列，形成具有空间网状结构的原子晶体。

该方式决定了金刚石的硬度相当大。

(2)石墨：层状结构。

石墨中的碳原子呈片层结构，每一层内碳原子都形成正六边形结构，每个C原子能形成3个正六边形，碳原子一直以这种方式排列，决定了石墨的熔点、沸点相当高，但层与层之间的作用较弱，易被破坏，故石墨的硬度不大。

(3)C60：球形结构，每60个C原子构成一个C60分子，C60分子形似足球，又名“足球烯”或“富勒烯”。

60个C 原子位于球的表面，呈正五边形和正六边形排列，C60的式量为720。

总结：金刚石、石墨、C60的结构不同，晶体类型也不同，前两个为原子晶体(石墨结构又稍特殊，有时又叫混合晶体)，C60为分子晶体。

可知，它们是由于碳原子排列方式不同，形成了三种性质不同的碳的同素异形体。

碳元素之所以在自然界有稳定存在的碳单质，主要是因为C原子最外层4个电子，得失电子都不容易，在自然界中能稳定存在，不过，碳元素在自然界中还主要是以化合态的形式存在。

二、广泛存在的含碳化合物
1、含碳元素的矿石
大理石或石灰石或方解石(CaCO3)、菱锌矿(ZnCO3)、菱镁矿(MgCO3)、菱铁矿(FeCO3)、白云石(CaMg(CO3)2) 等，这些矿石是自然界中的典型无机物。

自然界中的有机物都含有碳元素，以后再专门分析有机物。

下面主要以Na2 CO3、NaHCO3为代表物，分析含碳无机化合物的性质。

2、Na2CO
3、NaHCO3性质
预测一：CaCO3与HCl反应放出CO2，Na2CO3、NaHCO3也应与HCl反应，生成CO2气体。

验证：Na2CO3、NaHCO3分别溶于水配成溶液，然后各取少许于两支试管中，分别滴加盐酸，两试管均能产生无色无味气体，把气体分别通入澄清石灰水中，石灰水都变浑浊。

结论：Na2CO3、NaHCO3都能与盐酸反应生成CO2。

反应的离子方程式分别为：
CO32-＋2H+＝H2O＋CO2↑，HCO3-＋H+＝H2O＋CO2↑
故用该法可检验碳酸盐或碳酸氢盐。

利用上述预测及验证得到Na2CO3、NaHCO3的性质：
(1)Na2CO3、NaHCO与盐酸反应
Na2CO3＋2HCl＝2NaCl＋H2O＋CO2↑
NaHCO3＋HCl＝NaCl＋H2O＋CO2↑
由上述方程可知，1molNa2CO3消耗2molHCl，1molNaHCO3消耗1molHCl。

1molNa2CO3消耗2molHCl，可以理解为1molNa2CO3先消耗1molHCl生成1molNaHCO3，1molNaHCO3再消耗1molHCl生成CO2。

预测二：Na2CO3滴加少量盐酸放不出CO2
实验验证：在Na2CO3溶液中逐滴滴入盐酸,现象为：开始无气泡生成，后来产生气泡，在盐酸中逐滴滴入Na2CO3溶液，立即产生气泡。

现象分析：Na2CO3溶液中逐滴滴入少量盐酸，开始无气泡，说明先生成NaHCO3，反应为：CO32-＋H+＝HCO3-，后来产生气泡，反应为：HCO3-＋H+＝H2O＋CO2↑；盐酸中滴入Na2CO3溶液，立即产生气泡,是因为酸的量多，反应为：CO32-＋2H+＝H2O＋CO2↑
结论：①Na2CO3与少量盐酸反应不放出CO2，生成NaHCO3。

化学方程式为：Na2CO3＋HCl(少量)＝NaCl
＋NaHCO3
②利用Na2CO3与盐酸相互滴加产生的现象不同，可鉴别二者。

预测三：根据CaCO3难溶而Ca(HCO3)2可溶，推测Na2CO3应能与可溶性钙盐发生复分解反应，而NaHCO3不反应。

实验验证：Na2CO3、NaHCO3溶液中分别滴加CaCl2溶液，Na2CO3溶液中产生白色浑浊，NaHCO3溶液中无现象。

结论：Na2CO3与CaCl2生成CaCO3沉淀，NaHCO3与CaCl2不反应。

利用上述预测及验证得到Na2CO3、NaHCO3的性质：
(2)Na2CO3、NaHCO3与可溶性盐的反应
Na2CO3＋CaCl2＝CaCO3↓＋2NaCl
Na2CO3＋Ba(NO3)2＝BaCO3↓＋2NaNO3
利用该性质可鉴别Na2CO3、NaHCO3。

预测四：NaHCO3为酸式盐，NaHCO3应能与碱反应生成正盐。

实验验证：在上述NaHCO3、CaCl2的混合溶液中加入NaOH 溶液，产生白色沉淀。

现象分析：产生的白色沉淀应为CaCO3，反应原理是HCO3-与OH-结合生成CO32-、H2O，
CO32-与Ca2+生成CaCO3沉淀，离子方程式为：
HCO3-＋OH-＋Ca2+＝CaCO3↓＋H2O，该反应相当于在NaHCO3溶液中滴加Ca(OH)2溶液。

结论：NaHCO3能与碱反应
利用上述预测及验证得到Na2CO3、NaHCO3的性质：
(3)NaHCO3与可溶性碱的反应
2NaHCO3＋Ca(OH)2＝CaCO3↓＋Na2CO3＋2H2O(NaHCO3足量)
或NaHCO3＋Ca(OH)2＝CaCO3↓＋NaOH＋H2O(NaHCO3少量)
利用NaOH可实现NaHCO3与Na2CO3的转化，即NaHCO3和NaOH反应生成Na3CO3和水。

预测五：Ca(HCO3)2受热可分解为CaCO3；NaHCO3受热也应能分解。

实验验证：取NaHCO3固体少许于试管中，加热，导气管通入石灰水，可看到石灰水变浑浊，证明生成了CO2，试管壁上有水滴出现，证明生成了H2O，反应后的固体溶于水，滴加CaCl2溶液，生成白色沉淀,说明NaHCO3变成为Na2CO3。

结论：NaHCO3固体受热可分解。

利用上述预测及验证得到Na2CO3、NaHCO3的性质：
(4)NaHCO3的不稳定性
2NaHCO3Na2CO3＋H2O＋CO2↑
该反应可把NaHCO3固体变为Na2CO3固体，而且该反应在差量计算中经常用到，反应前后用固体质量的差值为NaHCO3生成的H2O、CO2的质量和。

总结：Na2CO3与NaHCO3的相互转化：
二者的相互转化常用于除杂，如除去Na2CO3中的少量NaHCO3，若为固体，可加热，若为溶液，可加入适
量的NaOH，除去NaHCO3中的少量Na2CO3，可往溶液中通入过量的CO2。

除了在实验室能进行Na2CO3、NaHCO3的相互转化外，自然界及日常生活中还存在着很多含碳物质间的转化。

三、碳及其化合物间的转化
1、自然界中碳及其化合物间的转化
自然中的上述转化使碳及其化合物的转化处于平衡状态，但由于人类活动的加剧，破坏了上述平衡，出现“温室效应”等问题。

[活动·探究]模拟溶洞形成的实验
问题：Na2CO3、NaHCO3能相互转化，自然界中也在进行着CaCO3、Ca(HCO3)2之间的相互转化。

实验：澄清石灰水中先通入适量的CO2，观察现象，然后再通入过量CO2，再观察现象，最后加热，再观察。

现象分析：适量CO2使澄清石灰水变浑浊，反应为：Ca(OH)2＋CO2＝CaCO3↓＋H2O。

CO2过量时，浑浊又变澄清，难溶的CaCO3转变为可溶的Ca(HCO3)2，反应为：CaCO3＋CO2＋H2O＝Ca(HCO3)2。

加热后又变浑浊，
反应为：Ca(HCO3)2CaCO3↓＋CO2↑＋H2O
应用：自然界正是因为发生了上述转化，才形成了溶洞、石笋、石柱等。

岩石中的CaCO3长时间受CO2、H2O的作用转化为可溶性的Ca(HCO3)2，岩石被侵蚀形成溶洞。

溶洞中溶有Ca(HCO3)2的水下滴的过程中，受条件的影响，有些Ca(HCO3)2可分解出CaCO3形成钟乳石等。

CaCO3、Ca(HCO3)2的转化在日常生活中也有许多体现，如自来水中含Ca2+、Mg2+，其中Ca2+主要以Ca(HCO3)2的形成存在。

Ca2+、Mg2+含量高的水为硬水，需对硬水进行软化(即降低水中Ca2+、Mg2+的含量)，其中一种简易有效的转化方法是把水加热煮沸，即在烧水的过程中Ca(HCO3)2分解得到CaCO3沉淀，故水垢的成分中含CaCO3，这是生活中含碳物质间转化的典型实例，下面再看其他转化。

2、生产和生活中的碳及其化合物间的转化
[交流研讨]：高炉炼铁中碳的转化
原理：碳的化合物还原铁矿石得到Fe单质。

原料：焦炭、铁矿石(Fe2O3或Fe3O4)、石灰石。

反应：
①还原剂的生成：C＋O2CO2，CO2＋C2CO 。

②Fe2O3被还原：
3Fe2O3＋CO2Fe3O4＋CO2Fe3O4＋CO3FeO＋CO2，FeO＋CO Fe＋CO2
三个反应合并得总反应：Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2
平时写Fe2O3被还原的方程式就是该总反应方程式。

③辅助反应：SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑。

该反应可以除去矿石中的SiO2杂质，因SiO2的熔点很高，转化为CaSiO3后熔点降低，从而使SiO2变为CaSiO3炉渣而除去。

总结：C、CO2、CO之间的相互转化
上述转化中涉及到的典型反应有：
(1)C→CO：
2C＋O22CO C＋H2O(气)CO＋H2(工业制水煤气) 2C＋SiO2Si＋2CO(工业制硅)
(2)C→CO2：C＋O2CO2 C＋2CuO2Cu＋CO2
(3)CO2→C：CO2＋2Mg2MgO＋C(镁条在CO2中燃烧的反应)
(4)CO→CO2：2CO＋O22CO23CO＋Fe2O32Fe＋3CO2
(5)CO2→CO：CO2＋C2CO
【知识展望】
德国化学家维勒用无机化合物氰酸铵(NH4CNO)合成出了有机化合物尿素(CO(NH2)2)，打破了有机化合物是有生命的不能被人工合成的神话，开创了有机合成的先例，以后学习有机化合物，再分析有机化合物这些含碳元素物质的相互转化。

【参考答案】
1、A；
2、C；
3、D；
4、D；
5、C；
6、C；
7、C；
8、A中石灰水不变浑浊，B中石灰水变浑浊；2NaHCO3Na2CO3＋H2O＋CO2↑；
NaHCO3受热易分解，Na2CO3稳定性比Na2CO3强。

9、NaHCO3；
Na2CO3＋2HCl＝2NaCl＋H2O＋CO2↑
NaHCO3＋HCl＝NaCl＋H2O＋CO2↑
10、(1)加热，2NaHCO3Na2CO3＋H2O＋CO2↑
(2)加适量NaOH 溶液：HCO3-＋OH-＝CO32-＋H2O
例1、在一干燥的试管里放入1g左右的NaHCO3粉末。

用带有导管的塞子塞紧试管口，并将试管固定在铁架台上，使试管口略向下倾斜。

导管的另一端浸入盛有澄清的石灰水的烧杯里(如图)。

(1)给试管中的NaHCO3加热。

观察发生的现象，当从导管口逸出的气体减少时，先将导管从液体中移出，再熄灭酒精灯。

请填写以下内容：
实验现象：__________ 实验结论：__________ 有关反应：__________
(2)实验探究
①NaHCO3受热分解装置组装时应注意什么？为什么？
②NaHCO3受热分解完成时，为什么要先将导管移出烧杯，然后再熄灭酒精灯？
(3)若1g为Na2CO3、NaHCO3的混合物，充分加热后，冷却称量试管中固体的质量为0.69g，则混合物中NaHCO3的质量分数为多少？
解析：该题主要考查NaHCO3的不稳定性，以及利用此性质进行差量计算。

同时应该能联想到该装置与制O2的装置类似。

答案：(1)实验现象：试管口处有水滴出现，澄清石灰水变浑浊。

实验结论：说明NaHCO3加热分解生成了新物质，即NaHCO3具有不稳定性。

有关反应：2NaHCO3Na2CO3＋H2O＋CO2↑
CO2＋Ca(OH)2＝CaCO3↓＋H2O
(2)实验探究：
①试管口应稍向下倾斜，防止生成的水在试管口冷凝后倒流而引起试管炸裂。

②若先熄灭酒精灯，由于试管内不再产生气体，冷却后气体压强变小，易引起烧杯中的溶液倒吸入试管中。

(3)反应后固体质量减少了1g－0.69g＝0.31g
设混合物中NaHCO3的质量为x
2NaHCO3Na2CO3＋H2O＋CO2↑ 固体减少
2×84 106 1844 62
x 0.31g
x＝＝0.84g
故混合物中的NaHCO3的质量分数为
例2、(1)图瓦卢是由珊瑚形成的岛国。

由于大气中CO2含量的剧增，大量珊瑚礁(主要成分是碳酸钙)被海水侵蚀，其原因是(用化学方程式表示)__________。

(2)温室效应导致海平面上升，引起温室效应的人为原因主要是：__________。

(3)为了控制温室效应。

各国科学家提出了不少方法和设想。

有人根据液态CO2密度大于海水密度的事实，设想将CO2液化后，送入深海海底。

以减小大气中CO2的浓度。

为使CO2液化，可采用的措施是（）。

A、减压、升温
B、增压、升温
C、减压、降温
D、增压、降温
(4)科学家研究发现，用“汽水”(一种能释放CO2的弱酸性溶液)浇灌植物能促进植物的生长。

原因是它能：①加强呼吸作用；②加强光合作用；③改良碱性土壤、调节pH；④加强植物蒸腾作用。

（）
A、①②
B、②③
C、③④
D、②③④
(5) 快速、有效地减缓大气中CO2大量增加的生态学措施是（）
A、使用天然气等燃料
B、控制全球人口增长
C、植树造林，保护森林
D、立即减少煤和石油的燃烧
解析：该题涉及到CO2与CaCO3生成Ca(HCO3)2的转化，同时涉及对温室效应的分析。

答案：(1)CaCO3＋CO2＋H2O＝Ca(HCO3)2
(2)大量燃烧化石燃料，生成大量的CO2，超过了自然界调节CO2的能力。

(3)D(4)B(5)C 。

例3、自然界存在的碳酸类铜矿(如孔雀石、石青等)的化学组成为：aCuCO3·bCu(OH)2(a、b正整数，且a≤2，b≤2)。

(1)将孔雀石、石青矿样分别加盐酸至完全溶解，耗用HCl的物质的量与产生CO2物质的量之比：孔雀石为4：1，石青为3∶1。

则它们的化学式为：
孔雀石：________________ 石青：________________
(2)今有一份碳酸盐类铜矿样品，将其等分为A、B两份。

然后，加盐酸使A 样品完全溶解，产生CO23.36L(标准状况)，加热B样品使其完全分解，得到20gCuO。

试计算并确定该矿石的化学组成。

解析：本题是以碳酸盐为基础进行的计算，涉及到碳酸盐的重要化学性质：与酸反应放出CO2。

答案：
(1)CuCO3＋2HCl＝CuCl2＋H2O＋CO2↑
1mol 2mol 1mol
a 2a a
Cu(OH)2＋2HCl＝CuCl2＋2H2O
1mol2mol
b 2b
孔雀石中，即，整理得：即孔雀石的化学组成为CuCO3·Cu(OH)2
石青中，则，整理得：
即石青的化学组成为2CuCO3·Cu(OH)2
(2)已知n(CO2)＝, 故n(CuCO3)＝0.15mol
由铜元素原子个数守恒知，0.15molCuCO3加热分解生成0.15molCuO
质量为：0.15mol×80g/mol＝12g
故Cu(OH)2受热分解生成的CuO的物质的量为：
即n(Cu(OH)2)＝0.1mol，可知矿石中n(CuCO3)＝n(Cu(OH)2)＝0.15mol∶0.1mol＝3∶2
该比例介于孔雀石和石青中间，应为二者的混合物。

即该矿石的化学组成为CuCO3·Cu(OH)2和2CuCO3·Cu(OH)2的混合物。

【参考练习】
1、当今化学界关注的热点之一的C60，它可以看成金刚石的（）
A、同素异形体
B、同分异构体
C、同位素
D、同系物
2、石墨炸弹爆炸时能在方圆几百米范围内撒下大量石墨纤维，造成输电线、电厂设备损坏,这是由于石墨（）
A、有放射性
B、易燃、易爆
C、能导电
D、有剧毒
3、纯净的碳酸氢钙试样在高温下分解，当剩余的固体质量为原试样质量的一半时，碳酸氢钙的分解率是（）
A、50％
B、75％
C、92.7％
D、100％
4、把下列物质分别滴入盐酸，会产生相同气体的是（）
①大理石；②钟乳石；③锅垢；④贝壳；⑤蛋壳。

A、①②
B、③④
C、①②③
D、全部
5、用足量CO还原48.0g 某种氧化物，将生成的气体通入足量澄清石灰水中得60.0g沉淀则该氧化物为（）
A、FeO
B、Fe2O3
C、CuO
D、Cu2O
6、将空气与CO2按5∶1体积比混合，跟足量的赤热焦炭充分反应后，若反应前后的温度相同，则在所得气体中，CO的体积分数为(假设空气中氮气、氧气的体积比为4∶1，其他成分可忽略不计) （）
A、29％
B、43％
C、50％
D、100％
7、纯碱和小苏打是厨房中两种常见的用品，它们都是白色固体。

下列区分这两种物质的方法正确的是（）
A、分别用炒锅加热两种样品，全部分解挥发，没有残留物的是小苏打。

B、用洁净铁丝蘸取两种样品在火焰上灼烧，使火焰颜色发生明显变化的是小苏打。

C、用两只小玻璃杯，分别加入少量的两种样品，再加入等量的食醋，产生气泡快的是小苏打。

D、先将两种样品配制成溶液，分别加入石灰水，无白色沉淀生成的是小苏打。

8、如下图所示，加热一段时间后，在烧杯A、B中看到的现象为________，有关化学方程式为_______，此实验得出的结论为________。

9、在两支试管中中分别加入3mL稀盐酸，将两个各装有0.3gNa2CO3或NaHCO3粉末的小气球分别套在两支试管口(如图所示)将气球内的Na2CO3和NaHCO3同时倒入试管中，则放出CO2的速度_______较快，两支试管中发生反应的化学方程式分别为_______。

10、(1)如何除去Na2CO3固体中的NaHCO3，写出化学方程式。

(2)如何除去Na2CO3溶液中的NaHCO3，写出离子方程式。