碳和碳的化合物.doc

碳和碳的化合物碳和碳的化合物是化学世界最庞大的家庭，也是与国民经济和人们日常生活联系最为紧密的家庭。通过本章的学习，我们可以由浅入深、由简到繁地依次对碳元素的单质、碳的氧化物及其他化合物的性质得到系统的认识，同时，我们可以初次由无机世界走入有机世界，如，碳单质与一氧化碳的还原性与可燃性与前面所学的氢气性质有一定的相似性，二氧化碳的实验室制法的装置也与氢气极为相似，在学习二氧化碳时可将其与前面学过的氢气、氧气进行归纳比较，能够很好地达到复习的效果；二氧化碳的实验室制法的原理属于复分解反应，二氧化碳的化学性质中许多转化都属于酸、碱、盐反应的范畴，这就能为后面的酸、碱、盐的学习埋下伏笔。第一节 碳的几种单质碳真可谓一种变幻莫测的元素，仅其单质就有数种，它们的形态各异，性质、用途也相去甚远。通过对碳的单质的学习，我们可以初步了解这种差异的原因，即结构决定性质，性质决定用途。基础知识建构：重难点辨析1、几种碳单质的特性和用途碳单质色态特性用途制法金刚石无色透明，正八面形状的晶体天然最硬的物质，加工琢磨后有耀眼的光泽磨料、钻探机钻头、刻刀、装饰品天然矿物石墨深灰色不透明细鳞片状固体，有金属光泽最软的矿物之一，具有优良的导电性，有滑腻感做铅笔芯、润滑剂、电极、坩埚等天然矿物无定形碳木炭灰黑色多孔状固体有吸附性黑火药、制活性炭、制炭笔、吸附色素木材隔绝空气加强热活性碳黑色粉末或颗粒吸附能力最强净化多种气体和液体，做防毒面具，使溶液脱色木炭经过水蒸气高温处理炭黑黑色粉末有纯正的黑色、耐磨制造油墨、油漆、鞋油、颜料、墨汁及橡胶制品的填料天然气隔绝空气高温分解焦炭浅灰色多孔状固体、质地坚硬还原性燃料，冶金工业还原剂煤隔绝空气加强热例1 根据用途选用恰当的碳单质，并定出选用该物质的性质依据。用途做电极做铅笔芯做冰箱除臭剂做钻探机钻头冶炼金属选用物质性质依据答案：用途做电极做铅笔芯做冰箱除臭剂做钻探机钻头冶炼金属选用物质石墨石墨活性炭金刚石焦炭性质依据能导电质软有强吸附性硬度大还原性解析：解答此题首先要根据用途确定所需材料必须具备的性质特点，如，做电极必须具备导电性，然后再根据性质特点选取具备该性质的碳单质，碳单质中只有石墨具有导电性，所以使用石墨做电极材料。2、金刚石与石墨的物理性质有很大差异的原因是碳原子的排列不同 金刚石中的每个碳原子跟相邻的4个碳原子结合，成为正四面体结构，这些正四面体结构向空间发展，构成一种彼此联结的空间网状结构，非常坚固，所以金刚石异常坚硬。而石墨中的碳原子形成的是平面层状结构，在每一层内，碳原子排列成正六边形，每个碳原子都跟周围3个碳原子相结合，多个正六边形排列成蜂窝状的平面网状结构，层与层之间的作用力较弱，所以层与层之间容易滑动，因此石墨质软且有润滑性。正是这种碳原子的排列方式不同，造成了金刚石与石墨物理性质上的差异。除了原子的排列方式不同之外，还有两种原因可能造成同种元素形成不同单质：一种是由于分子的排列方式不同，如白磷和红磷；另一种是由于组成分子的原子数不同，如臭氧和氧气。例2 金刚石和石墨的物理性质有很大差异的原因是( ) A金刚石和石墨是由不同元素组成的B构成金刚石和石墨的原子内部不同C金刚石不含杂质，而石墨含有杂质D金刚石和石墨里碳原子的排列方式不同答案：(D)解析：金刚石和石墨是碳元素组成的不同单质，A项错误；它们都是纯净物，不含杂质，C项错误；构成它们的原子都是碳原子，内部结构是相同的，B项错误。但是构成它们的碳原子的排列方式不同，这是造成它们的物理性质上差异的原因，D项正确。3、木炭与活性炭的吸附作用(1) 吸附作用 气体和溶液里的物质(有色液体、有毒气体等)被吸附到固体表面的作用叫吸附作用。(2)木炭、活性炭具有吸附作用的原因 木炭是由木材经干馏制得的，具有疏松多孔的结构，跟气体或溶液接触的表面积大，能把大量的气体或染料等微小粒子吸附在它的表面，因此具有很好的吸附性。 表面积越大，吸附能力越强。活性炭是木炭经过水蒸气的高温处理而得到的。具有更大的表面积，因此，活性炭的吸附能力更强。(3)木炭、活性炭吸附杂质的过程是将吸附物分子吸附在表面，没有生成新的物质，属于物理变化。例3 如图所示，向盛有红棕色二氧化氮气体的集气瓶中投入几块木炭，轻轻摇动集气瓶，(1) 可观察到的现象是 ；(2) 上述实验可证明 。答案：1、集气瓶中红棕色逐渐变浅，导管中有水进入，且液面不断上升。 2、木炭具有吸附性解析：木炭具有疏松多孔的结构，能把大量的气体微粒吸附在它的表面，二氧化氮气体不断地被吸附，红棕色会逐渐变浅。二氧化氮被吸附后，集气瓶中的气体减少，压强变小，所以，水会进入导管，导管中液面不断上升。常见思路误区误区一：金刚石与石墨在一定条件下可相互转化，如下式所示。虽然金刚石与石墨都是碳元素组成的单质，所以这一转化属于物理变化。解析：判断一个变化是物理变化不是化学变化的依据是看是否有新物质生成，金刚石与石墨都是由碳元素组成的单质，但是组成它们的碳原子排列方式不同，因此二者属于不同的物质，所以金刚石与石墨的相互转化属于化学变化。例4 下列变化属于化学变化的是( )A 用石墨电极导电 B 用石墨制金刚石C 用石墨制铅笔芯 D 用活性炭除去冰箱中异味答案：B解析：判断一个变化是物理变化不是化学变化的依据是看是否有新物质生成，用石墨电极导电只是石墨中存在自由电子的定向移动，用石墨制铅笔芯只是使石墨的形状发生了变化，用活性炭除异味只是带有异味的微粒被吸附到活性炭表面,这三个过程中都无新物质生成，属于物理变化。石墨与金刚石中的碳原子排列方式不同，属于不同的物质，因此用石墨制金刚石属于化学变化。误区二：金刚石与石墨是碳元素组成的不同单质，它们的物理性质有很大差异，化学性质也不同。金刚石与石墨由于组成单质时碳原子的排列不同，所以物理性质会有很大差异，但是由于它们的组成元素相同，因此化学性质是相同的。例5证明金刚石和石墨都是碳元素组成的不同单质的最有力证据是（ ）A金刚石和石墨都具有较高的熔点B石墨和金刚石在一定温度、一定压强和催化剂存在的条件下，可以相互转化C金刚石和石墨完全燃烧后产物只有二氧化碳D相同质量的金刚石和石墨在充满氧气的密闭容器中点燃，生成相同质量的二氧化碳气体答案：（D）解析：熔点自身不能证明两者的元素组成，（A）项错误。石墨与金刚石可相互转化，只能证明它们的元素组成相同，但是不能证明组成元素是碳元素，（B）项证据不够有力。根据物质守恒原理，（C）、（D）两项都可证明金刚石和石墨都是碳元素组成的单质，但是相比之下，（D）项从量的角度给出了最有力的证据。误区三：同种元素组成的物质一定是单质。同种元素可能形成多种单质，如，金刚石和石墨混合在一起也是“同种元素组成的物质”，但不是单质，而是同种元素组成的混合物。正确的说法应为“同种元素组成的纯净物一定是单质”。思维拓展创新例6最近科学家制得了一种新分子，它具有空心类似足球状的结构，化学式为C60，下列说法不下确的是（ ）A它是一种新型化合物B它的化学性质和金刚石相同C它和石墨、金刚石都是由碳元素组成的不同单质D它的式量是720答案：（A）解析：这是一道现有知识与科技前沿相结合的信息给予题，即考查学生接受信息的能力，又考查学生结合新信息运用已有知识分析、解决问题的能力。C60中下标60表示该物质分子由60个碳原子构成，它的式量=1260=720，（D）项正确；该物质的组成元素只有碳元素一种，因此是碳元素的一种新的单质，不是化合物，（A）项错误，（C）项正确；它与金刚石的元素组成相同，因此化学性质也相同，（B）项正确。例7化学上把同种元素组成的不同单质互称为同素异形体，例如金刚石与石墨，下列各组物质中互为同素异形体的是（ ）A氧气和臭氧 B氧气与液氧 C冰和干冰D白磷和红磷 答案：（A）、（D）解析：本题考查理解新概念、应用新概念进行判断的能力。氧气与液氧是同种单质的不同形态；冰的组成元素为氢和氧，干冰的组成元素为碳和氧，不是同种元素组成的，且都不是单质；氧气和臭氧，白磷和红磷都是同种元素组成的不同单质，可互称为同素异形体，（A）、（D）两项正确。中考专题指导 中考命题规律 本节内容的主要考点为同种元素可形成不同单质的观点，碳的各种单质的物理性质及其应用，金刚石与石墨的物理性质差异的原因。其中以碳的各种单质的应用为出题热点，题目内容紧密联系日常生活、工业生产、军事以及化学学科的科研最新成果，出题思想强调“物质的性质决定用途”这一重要观念，形式上多以选择题为主，少数开放性题目也可能以考生自主设计应用的形式出现。 真题荟萃（1） 碳元素的各种单质的性质与用途例8铅笔为什么有软和硬的差别呢？这是由于石墨太软，光用石墨做笔芯，既易断又易磨损，因此，生产上常在石墨粉末中掺进一些黏土粉末以增加硬度。黏土掺得越多，铅笔越硬。下表为部分普通铅笔的标号及笔芯原料的配比：标号原料配比2HHHB2B石墨(质量分数)/%74.075.281.385.5黏土(质量分数)/%26.024.818.714.5试回答下列问题：(1)上表中硬度最大的铅笔是(填标号)；(2) 请列举石墨的另的种用途。答案：(1)2H (2)做电极、润滑剂、坩埚(答出任意一种即可)考点：石墨的性质与用途。解析：本题是一道信息给予题。题中提到“黏土掺得越多，铅笔就越硬”，硬度最大的铅笔就是黏土分数最大的那种。例9商店出售的黑底橡胶运动鞋，其鞋底具有良好的耐磨性能。这是因为在橡胶中加入了一种耐磨的填料，这种填料是( )A 石墨粉 B 活性炭 C 木炭粉 D 炭黑答案：D考点：碳的几种单质的性质与用途。解析：石墨质软，活性炭、木炭结构疏松，只有碳黑具有耐磨的性能，添加到橡胶里能够增加轮胎等制品的耐磨性。 (2) 同种元素组成不同单质的可能性例10 某物质中只含有一种元素，该物质不可能是下列的( )A混合物 B 单质 C 纯净物 D 化合物答案：D考点：单质与化合物的概念，同种元素组成不同单质的可能性。解析：单质是由同种元素组成的纯净物，但一种元素组成的物质不一定是单质，因为有些元素(如碳、磷、氧)能形成多种不同的单质，这些不同的单质混合在一起，仍然是“只含有一种元素”，但属于混合物。因此，若某物质中只含有一种元素，可能是纯净物，这种纯净物称为单质；也可能是几种单质的混合物，但是不可能是化合物，因为化合物是由不同元素组成的纯净物，D项正确。例11中国科学技术大学钱逸泰教授等以CCL4和金属钠为原料，在70000C制造出纳米级金刚石粉末。该成果发表在世界最权威的科学杂志上，立即被科学家们高度评价为“稻草变黄金”。同学们对此的一些“理解”中，不正确的是( )A 金刚石属于金属单质 B 制造金刚石过程中发生了化学变化C CCL4是一种化合物 D 这个反应是转换反应 答案：A考点：金刚石的元素组成，单质、化合物、转换反应的概念，化学变化的判断。解析：金刚石是碳元素组成的单质，属于非金属单质，A项不正确；在制造金刚石的过程中，生成了新物质，属于化学变化，B项正确；CCL4是两种元素组成的纯净物，是化合物，C项正确，反应以CCL4和金属钠为原料，生成金刚石与氯化钠，是一种单质与一种化合物生成另一种单质与另一种化合物的反应，为转换反应，D项正确。科技前沿富勒烯及其应用前景富勒烯是一类只含有碳原子的笼状物，具有独特的空间立体结构。富勒烯的碳原子数由Euler规则决定，含有“2(10+M)”个碳原子，由12个五边形及相应的六边形组成三维笼状结构。两种主要的富勒烯是：C60和C70。作为新发现的碳的第三种结构，富勒烯结构奇特新颖，具有许多激动人心的物理特性和化学性质。富勒烯材料应用前景非常广泛，包括新型材料、超导、激光、红外、电化学、新型能源、天体物理、地质，甚至医学(艾滋病的防治)等各个方面。以C60为例，它是一个很好的超导体：M3C60(M = K，Rb,Cs) 均为超导体；具有很好的电化学性质 (用于制作高容量的锂电池)；总之，很少有像富烯材料这样自问世以后，研究工作发展这么迅速，波及领域这么广泛、应用前景这么远大、成功信息传来如此频繁。在新的世纪，富勒烯的研究必将开出更绚丽的花朵。第二节 单质碳的化学性质从上节中我们认识到碳的几种不同单质的物理性质相关甚远，但是“本是同根生”的它们的化学性质是相同的。碳单质的还原性与前面所学的氢气的性质遥相呼应；碳的燃烧产生一氧化碳、二氧化碳，为后面碳的化合物的学习提供前提。同时，在本节的许多反应中，涉及到明显的吸放热，从而初步引发了对于化学反应中能量变化的关注。基础知识建构重难点辨析1、碳在常温下的稳定性 在常温下，碳的化学性质不活性。碳受日光照射或跟空气、水分接触，不容易起变化。但随着温度的升高，其化学活泼性就大大增加，在加热、高温的条件下，碳能够跟多种物质发生反应。例1 把木制杆子的下端埋入地下之前，表面要用微火烤焦，其原因是( )A 烤死木桩表面的害虫，防止虫蛀B 使木杆变硬C 烘干木材D 使表现碳化，单质碳在常温下化学性质稳定，可以延长保存时间。答案：D解析：木材埋入地下后，易受到腐蚀。而单质碳在常温下的化学性质不活泼，受曝光照射或跟空气、水分接触时，不容易起变化。将木杆表面烤焦使其碳化，是为了在木杆表面形成一层单质碳的保护层，从而延长其保存时间。2、碳的可燃性(1)在氮气充足的条件下，碳燃烧生成二氧化碳，同时放出大量的热，这叫做碳的完全燃烧或充分燃烧。C + O2 = CO2碳与氧的质量比为3：8。(2) 在氧气不充足的条件下，碳燃烧生成一氧化碳，同时也放热，这叫做碳的不完全燃烧或不充分燃烧。2C + O2 = 2CO碳与氧的质量比为3：4。讨论：3：8和3：4构成一个讨论范围的两个极值点，当碳与氧的质量比在3：8和3：4之间时，燃烧产物为一氧化碳和二氧化碳的混合物。3：8和3：4分别是CO2和CO中碳、氧元素的质量比，所以可根据化学式的计算分析碳、氧两种元素所组成的气体中可能的成分。结论：1当反应物中m碳/m氧气3/8时，生成物只有CO2。2当反应物中m碳/m氧气3/4时，生成物只有CO。3当反应物中3/8m碳/m氧气3 / 4，排除掉这种情况，符合题意的范围应为a / b 3 / 4。3、碳的还原性在较高温下，碳与氢气一样具有还原性，能跟某些氧化物反应，夺取含氧化合物中的氧，使其他元素被还原。(1) 碳与金属氧化物反应 实验：木炭还原氧化铜 实验装置：如下图页所示。实验现象：黑色物质中有红色物质出现，澄清的石灰水变浑浊。 结论：证明有铜和二氧化碳生成。化学方程式：2CuO + C = 2Cu + CO2 分析：从方程式来看，在这个反应中木炭夺取了氧化铜中的氧生成了二氧化碳，木炭是使氧化铜还原为铜的物质，是还原剂；而氧化铜是使木炭氧化为二氧化碳的物质，是氧化剂。这个反应与氢气还原氧化铜的反应类似，证明木炭和氢气同样具有还原性。 应用：可应用于冶金工业，如，Fe3O4 + 2C = 3Fe + 2CO2(2) 碳与非金属氧化物反应 实验：木炭与二氧化碳的反应。 化学方程式：CO2 + C = 2CO。 分析：在此反应中，碳从二氧化碳中夺取氧生成一氧化碳，验证了碳的还原性，同时也说明二氧化碳具有氧化性。 实例：在烧得很旺的炉膛里，突然封住进气口，炉膛外围燃烧出现蓝色火焰，证明此时二氧化碳与碳反应生成一氧化碳。 特点：吸热反应。例3 当氧化铜中混有少量木炭粉时，提纯氧化铜可采用的方法时( )A 加热混合物 B 在氧气流中加热混合物C 在氢气流中加热混合物 D 加入足量盐酸，待反应终止后过滤答案：（D）解析：采用（A）法，二者发生应 ，氧化铜被碳还原为铜质；采用（C）法，氢气将氧化铜还原为铜；采用（D）法，盐酸将氧化铜转化氯化铜，以上皆不能达到提纯要求。只有采用（B）法，在氧气流中，木炭被氧化为二氧化碳气体而除去，可达到提纯的目的。 化学反应中的吸热与放热注意：在化学反应中的放热与吸热现象是反应开始后的现象，是反应过程中的能量变化，并不是指反应条件。 一个反应虽然反应开始时需要加热，但反应开始会放出热量，这就是一个放热反应。应用：化学反应中放出的热能是一种重要的能源，可以直接供给人们取暖、加热，也可以转变为电能、动能等。常见思路误区误区：用碳还原金属氧化物的时候，生成的气体产物一定是二氧化碳。解析：用碳还原金属氧化物的时候，产物中除了二氧化碳，同时可能存在一氧化碳，在高温之下，二氧化碳会被炽热的还原。因此只要有固态碳存在，而且温度超过100的时候，气体里存在一氧化碳。例如：工业上冶炼锌，生成的产物完全是一氧化碳。在实验室条件下，用碳还原氧化铜，温度往往达不到1000，生成的气体主要是二氧化碳思维拓展创新例4人类很早就发现，孔雀石在熊熊燃烧的树木中灼烧后，余烬里有一种红色光亮的金属显露出来，试用化学方程式表示孔石主要成分是 Cu2(OH)2CO3变化的两个主要反应答案：解析： 此题考查应用化学反应原理解释自然界某种现象的能力。Cu2(OH)2CO3热稳定性差，受热易分解生成CuO，树木燃烧的余烬中有木炭的余烬中在木炭生成，CuO被木炭还原生成单质铜，所以会有红色光亮的金属显露出来。例5纳米材料被誉为21世纪最有前途的新型材料，纳米碳管是一种由碳原子构成的直径为几个纳米（1纳米=10-9米）的空心管，下列说法中错误的是（ ）A纳米碳管是一种新型的有机化合物B纳米碳管材料如果完全燃烧，生成物是二氧化碳C纳米碳管材料孔隙多，表面积大，吸附能力强D 纳米碳管在常温下化学性质稳定答案：（A）解析：这是一道现有知识与科技前沿相结合的考题。纳米碳管只是由碳原子构成，是碳元素形成的一种新型单质，不是化合物，（A）项错误；纳米碳管属于碳单质，具备碳单质的物理性质和化学性质，故（B）、（C）、（D）项是正确的。例6在烧得旺的煤炉里，添上大量的新煤后，温度会明显降低，同时会有煤气主要成分CO产生。据此说明碳及氧化物之间的转化规律。答案：解析：本题考查应用化学反应是理解释生活中现象的能力。在燃烧得很旺的煤炉里，氧气是充足的，碳与氧气充分燃烧生成二氧化碳，同时放出大量的热。加入大量新煤后，氧气变得不足量，煤的主要成分碳与生成的二氧化碳又反应生成一氧化碳，这个反应会吸收大量的热，因此温度会明显降低。这个反应生成的一氧化碳又会被点燃，因此在煤炉上方会看到有淡蓝色的火焰产生，同时炉内温度又会升高。这一过程很好地反映了碳与其氧化物之间的转化规律，如右上图所示。中考命题指导中考命题规律 本节中重要的考点为碳单质在常温下的稳定性、可燃性及高温下的还原性。其中，对于稳定性的考查多联系日常生活和生产中的应用，如字画的保存等；对于可燃性地考查，则侧重于对反应物两个质量比值极限的考查，多以计算题的形式出现；对于还原性的考查则常结合氧化剂与还原剂、氧化性与还原性对比判断，偶尔也涉及碳还原氧化铜反应的实验装置。2、真题荟萃（1） 碳在常温下的稳定性例7用墨书写或绘制的字画年深日久不变色，这是因为碳在常温下具有（ ） A稳定性 B可燃性 C还原性 D氧化性答案：（A）考点：碳在常温下稳定性的应用。解析：用金刚石切割大理石，应用的是金刚石是最硬的天然物质这一性质；用石墨制铅笔芯，应用的是石墨质软的特性；用活性炭脱色应用的是活性炭的吸附性。这三种特性都是碳的不同单质的不同物理性质。用碳素笔书写重要文件资料应用的则是碳单质在常温下的化学稳定性，在常温下，碳在日照下或跟空气中的氧气、水分接触都不易起变化，因此，用碳素笔书写的字迹可保存很长时间。（2） 碳的可燃性例9某校化学课外活动小组对碳与氧气反应时氧气用量与产物成分的关系进行研究时，取12g碳与给定质量的氧气在密闭容器中燃烧，测得以下数据：氧气的质量/g816243240产物的成分COCOCO和CO2CO2CO2产物的质量/g1428364444从上表数据的变化中，你得出碳与氧气反应时，产物成分与氧气用量的关系是(1) ；(2) 。答案：(1)氧气不足时生成一氧化碳或一氧化碳与二氧化碳的混合物。(2)氧气充足时生成二氧化碳。考点：碳与氧气的反应，反应物比例与生成物的关系。解析：碳与氧气发生反应时，生成物与氧气的浓度密切相关。根据化学方程式：可知，碳与氧气质量比大于3/4时，生成一氧化碳，小于3/8时，生成二氧化碳，介于3/8与3/4之间时，生成一氧化碳与二氧化碳的混合物。(3)碳的还原性例10 硅是一种良好的半导体材料。工业上用碳在高温下还原二氧化硅的方法可制得硅，同时还有一氧化碳生成。下列说法中正确的是( )工业上制硅的反应方程式为：上述反应属置换反应碳在反应中表现出还原性；碳的非金属活泼性比硅强A 仅 B 仅 C仅 D答案：D考点：化学方程式的书写，反应类型、氧化性与还原性的判断，反应活泼性的比较。解析：判断一个方程式的书写是否正确，要从反应物、生成物、反应条件及配平系数几个方面进行检查，根据题中所说的反应物与生成物及反应条件，再检查系数。1中所示方程式正确；该反应为一种单质与一种化合物生成另一种单质与一种化合物的反应，为置换反应；2正确，在该反应中，碳从SiO2中夺取氧，自身被氧化，做还原剂。3正确，碳可将硅从其氧化物中还原出来，可见碳的非金属活泼性比硅强。4正确。因此应选择D项。例11碳和氢气都具有的化学性质是：1,常温下都较稳定；2,常温下都能和氧化铜反应；3,高温下都能夺取某些金属氧化物中的氧；4,在反应中常作为氧化剂；5,都是一次能源，正确的是下列的( )A 1,2,3 B1,3 C 1,2,3,5 D 1,4,5答案：B考点：碳和氢气的化学性质。解析：碳和氢气在常温下都较稳定，在高温下能夺取某些金属氧化物中的氧，做还原剂；在常温下不能和氧化铜反应，在高温下可以反应；碳是一次能源，不可再生，但是氢气可以通过电解水再生，不是一次能源。因此只有1,3两项正确。科技前沿神奇的碳纳米管 碳纳米管是由类似石墨结构的六边形网格卷绕而成、中空的“微管”，分为单层管和多层管。多层管由若干个层间距约为0.34纳米的同轴圆柱面套构而成。碳纳米管的径向尺寸较小，管的外径一般在几纳米到几十纳米；管的内径更小，有的只有1纳米左右。而碳米管的长度一般在微米量级，相对其直径而言是比较长的，因此，碳纳米管被认为是一种典型的一维纳米材料。碳纳米管具有与富勒烯分子相似的性质。由于它独特的电子结构及物理化学特性，它在各个领域中的应用已引起各国科学家的普遍关注。决定增强型纤维强度的一个关键是长度和直径之比。目前材料工程师希望得到的长度直径比至少是20：1。然而，即使在现在能得到的以纳米计算的长度中，纳米管的长度也是直径的几千倍，因而号称“超级纤维”。它们的强度比钢高100倍，但质量只有钢的六分之一。它们非常微小，5万个碳纳米管并排起来才有人的一根头发那么宽。碳纳米管复合材料的基体可用树脂、炭、金属和无机材料等。用碳纳米管材料增强的塑料，不仅力学性能优良，而且抗疲劳、材料尺寸稳定；由于摩擦系数小，故滑动性能好，此外，它们还具有导电、耐蚀、屏蔽电波和X射线透过性好等优点。由它制成的构件尺寸稳定，同时还具有较高强度，机械冲击性能、热冲击性能都得以改善，断裂韧性也大幅度提高。理论计算表明，碳纳米管的电导取决于它们的直径和晶体结构。某些管径的碳纳米管是良好的导体，而另外一些管径的碳纳米管则可能是半导体。现在日本NEC公司的研究人员证实巴基管具有比普通石墨材料更好的导电性，因此碳纳米管不仅可用于制造纳米导线的模具，而且还能够用来制造导线本身。它还可以作为锂离子电池的正极和负极，使电池寿命增长，充放电性能好。此外碳纳米管被认为是制造新一代平面屏极有希望的材料。第三节 二氧化碳的性质二氧化碳与自然界的生命活动、人类的生产生活以及生存环境有着密切的关系。二氧化碳是一种典型的酸性氧公物，它的性质既反映出酸性氧化物的通性，又独具自己的特性，它的物理性质与化学性质在日常生产生活中都具有广泛的应用价值。基础知识建重难点辨析1、二氧化碳的物理性质(1) 在通常情况下，二氧化碳是无色无味气体。(2) 二氧化碳贩密度比空气大。在标准状况下，二氧化碳的密度是1.997g/L，约是空气的1.5倍。(3) 二氧化碳可以溶于水。通常1体积水约能溶解1体积的二氧化碳，增加压强还可以溶解得更多。平时饮用的汽水是在加压的状态下溶解了较多的二氧化碳，在打开瓶盖时，压强减小，二氧化碳的溶解度减小，不能溶解的二氧化碳就冒出来。(4) 在加压和降温的情况下，二氧化碳气体可以变成固态，这种固体二氧化碳叫做“干冰”。干冰是一种半透明的白色固体，在温度为-78.50C。在常压条件下，直接变为二氧化碳气体，这种直接由固体变为气体的过程叫做升华，如，日常生活中使用的樟脑球可直接由固态变为气态。例1 下列关于二氧化碳的物理性质的说法中正确的是( )A 难溶于水，密度比空气大 B 它在空气中含量是0.03%C 通常为无色无味的气体 D 可以使澄清的石灰水变浑浊答案：C解析：二氧化碳可以溶于水，A项错误；二氧化碳在空气中的体积分数约为0.03%，B项只说“含量”是不够明确的；D项中可以使澄清的石灰水浑浊是二氧化碳的化学性质；C项的描述是正确的。2、二氧化碳的化学性质(1) 二氧化碳不能燃烧，也不支持燃烧。不能燃烧指的是二氧化碳不能和氧气发生剧烈的氧化反应；支持燃烧是指可燃物在二氧化碳中不能发生剧烈的氧化反应，但是这一点不是绝对的。二氧化碳不能支持燃烧是指不支持普通燃料或可燃物而言的，有些较为活泼的金属，如镁条，点燃后放入二氧化碳中能够继续燃烧而生成氧化镁和碳；(2) 二氧化碳不能供给呼吸二氧化碳不能供给呼吸，质量分数为1%时就有害处，达到10%时即可使人窒息死亡。因此，在进入久未开启的地窖之前，要先做灯火试验，防止因二氧化碳浓度过高造成危险。虽然二氧化碳不能供给呼吸，且在含量过高时会使人窒息死亡，但是二氧化碳本身是无毒的。(3) 二氧化碳与水反应生成碳酸化学方程式：碳酸能使紫色石蕊试液变红。碳酸不稳定，很容易分解成水和二氧化碳：注意：二氧化碳溶于水后，只有其中的1%与水化合生成碳酸，其余大部分仍以二氧化碳分子形式溶于水中。(4) 二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊应用：1实验室应用：此反应是检验二氧化碳气体的最常用的特征反应。2生活应用：用石灰浆抹墙，过一段时间后会变硬变白。这是因为石灰浆主要成分是Ca(OH)2，可以与空气中的CO2反应生成CaCO3, CaCO3是白色固体物质且较坚硬。(5) 二氧化碳具有氧化性(6) 碳的单质与化合物之间的关系例2 有A、B、C、D、E五种物质，它们满足下列转化关系：根据以上转化规律问题：(1)它们的化学式分别为：A ；B ；C ；D ；E 。(2)写出上述各转化规律的化学方程式答案：(1)解析：本题为推断题，综合考查了C和CO2的多种化学性质，包括C的还原性，CO2的氧化性及与水的反应，与Ca(OH)2反应的性质。要正确解答此类题目，必须熟练掌握元素化合物的各种化学反应、几个物质之间的相互关系，特别要牢固掌握各物质的特征反应。解答本题的突破口就是根据二氧化碳的特征反应4推知B是CO2其他的问题就迎刃而解了。3、二氧化碳的用途 干冰可做制冷剂，用于食品保存和人工降雨。 二氧化碳可用于灭火。 从燃烧必需的两个条件来看，灭火有两种方法：一是隔绝空气；二是降低温度到着火点以下。二氧化碳灭火，主要是隔绝空气的原因，因为二氧化碳既不燃烧也不支持燃烧，且密度比空气大。 二氧化碳是一种工业原料，可用于制造纯碱、尿素和汽水等。植物进行光合作用离不开二氧化碳，二氧化碳可用做温室肥料。例3 用干冰做制冷剂主要是利用其性质中的( )A 干冰是固体 B 干冰很容易气化C 干冰氧化过程中吸收大量的热 D 干冰气化后不留有液体答案：CD解析： A、B两项中对于干冰的物理性质的描述都是正确的，但是并不是其被利用做致冷剂的根本原因。C项中干冰气化吸收大量的热，是其作为高效制冷剂的特性，D项中干冰气化后不留液体，不会使食物潮湿，是其作为制冷剂的特有的优点，因此C、D两项正确。4、石灰石的用途石灰石、大理石的主要成分都是碳酸钙，它们都是重要的建筑原料。工业上，把石灰石放在石灰窑里，经过高温煅烧，就制得生石灰(CaO)，同时得到副产物二氧化碳。生石灰与水化合生成熟石灰三者转化关系如下图所示：常见思路误区误区：向紫色石蕊试液中通入二氧化碳时，紫色石蕊试液变红，这说明二氧化碳可以使紫色石蕊试液变红。解析：二氧化碳通入石蕊试液中后，二氧化碳与试液中的水化合生成了碳酸。使紫色石蕊试液变红的不是二氧化碳，而是碳酸。我们可以通过一个小实验进行证明。将紫色石蕊试纸伸进盛满干燥的二氧化碳气体的集气瓶中，可以发现紫色石蕊试液并没有变色，可见二氧化碳气体本身并不能使紫色石蕊试液变红，能使之变色的是碳酸。思维拓展创新例4已知在相同的温度和压强下，任何气体的体积和分子数成正比，在1体积空气中混入1体积二氧化碳，并使之在高温下跟足量的焦炭反应，假设氧气和二氧化碳都转化为一氧化碳，则反应后中一氧化碳的体积分数是( )A 33.3% B 50% C 70% D 75%答案：D解析：这是一道信息给予题，题中所提供了新信息：“在相同的温度和压强下，任何气体的体积和分子数成正比”。在一个化学反应中各气体的分子数之比就等于化学方程式中各气体化学式前的系数之比，由此得出推论：在一个反应的化学方程式中，各气体化学式前的系数之比等于各气体的体积之比。1体积空气中有1/5体积的氧气，其余气体约占4/5。又知焦炭足量，则氧气是不足量的，氧气与焦炭反应生成一氧化碳：计算得生成一氧化碳2/5体积。混 入1体积的二氧化碳也与焦炭反应生成一氧化碳，计算得生成一氧化碳2体积，共生成一氧化碳(2/5+2)=12/5体积，反应后气体的总体积为(12/5)(4/5+12/5)=75%例5明朝于谦在石灰吟中借石灰的来源、生产与用途，歌颂了勇于牺牲、甘于奉献的崇高精神。请阅读诗句后回答问题。 石灰吟千锤万凿出深山，烈火焚烧若等闲。粉身碎骨浑不怕，要留清白在人间。1、诗中描述了四种物质之间的转化，请按顺序填空： 。（用名称表示）。2、诗中涉及了哪几个化学反应？写出反应方程式。答案：（1） （2）解析：这是一道从化学反应原理的角度解释文学作品的题。该诗句描述了石灰石、生石灰、熟石灰三种物质之间的转化规律：石灰石经高温煅烧可生成生石灰，生石灰与水化合生成熟石灰，熟石灰与空气中的二氧化碳反应又生成洁白坚硬的碳酸钙。中考专题指导1、中考命题规律二氧化碳的各种物理性质和化学性质都是重要考点。其中对于物理性质的考查，多与二氧化碳做灭火剂、干冰做制冷剂等用途紧密结合；二氧化碳的化学性质中，二氧化碳的特征反应，即与澄清石灰水的反应是最常出现的，出题形式多样，常以气体鉴别、解释生活现象的形式出现。近年来一些题目中将二氧化碳的性质与生物学的知识相结合，如，利用二氧化碳促进光合作用；利用二氧化碳的特征反应测定动物呼吸速率，开工新颖，综合性强。2、真题荟萃(1) 二氧化碳的物理性质及用途例6 二氧化碳能够灭火的原因是( )A 它能降低可燃物的着火点，且密度比空气大B 它能使可燃物与空气隔绝，且能降低该物质的着火点C 通常状况下，它不燃烧，不支持燃烧且密度比空气小D通常状况下，它不燃烧，不支持燃烧且密度比空气大答案：D考点：二氧化碳的用途及相关性质。解析：物质能够作为灭火剂，需要满足的首要条件就是通常状况下不燃烧也不支持燃烧，并且二氧化碳的密度比空气大，能够覆盖在在燃烧物上，起到隔绝空气的作用。二氧化碳灭火的服务体系，既应用了它的物理性质，又应用了它的化学性质。例7当电器设备失火时，在酸碱灭火器、泡沫灭火器和液态二氧化碳灭火器中选择液态二氧化碳灭火器的主要原因是( )A 液态二氧化碳气化时吸收大量的热量B 二氧化碳的密度比空气大C 液态二氧化碳不导电D 液态二氧化碳的压强大答案：C考点：液态二氧化碳的应用及相关性质。解析：本题与上题看上去类似，其实考查的是完全不同的内容。本题考查的是液态二氧化碳灭火器区别于酸碱灭火器和泡沫灭火器的特性。电器失火，不能使用酸碱灭火器和泡沫灭火器，因为这两种灭火器都能导电，有可能造成危险。例8为探究植物光合作用的原理，某校学生设计了如下的实验装置，在同样条件下，你预测数天后植物生长最茂盛的是 ( )答案：A考点：二氧化碳在促进植物光合作用方面的应用。解析：植物的光合作用是吸收二氧化碳，释放出氧气。在植物旁边放置雪碧这种碳酸饮料，在日照下会有大量二氧化碳逸出，从而促进植物的光合作用。(2) 二氧化碳的化学性质例9 目前我国对城市空气质量监测项目中，一般不考虑的是( ) A 二氧化碳 B 氮氧化物 C 硫氧化物 D 可吸入颗粒物答案：A 考点：二氧化碳无毒的性质。解析：虽然二氧化碳不能供给呼吸，且在浓度过高时会使人窒息死亡，但是，二氧化碳本身是无毒的，一般情况下对人体无害。而氧氧化物、硫氧化物都是有毒的，可吸入颗粒物对人体也有害，因此这三种物质的含量必须受到严格监测。例10 能鉴别空气、氧气和二氧化碳三种气体的方法是( )A 分别插入燃着的小木条 B 分别通入到澄清石灰水中C 闻气味 D 看颜色答案：A考点：二氧化碳不能燃烧，也不支持燃烧的性质。解析：空气、氧气和二氧化碳都是无色无味的气体，通过闻气味和看颜色无法区分；将三种气体分别通入澄清的石灰水里，只有二氧化碳通入后澄清石灰水会变浑浊，空气和氧气通入后都无明显，无法鉴别空气和氧气；分别插入燃着的小木条，插入空气中的小木条燃烧情况无变化，插入氧气中的小木条燃烧变得更为剧烈，插入二氧化碳中的小木条会熄灭，因为二氧化碳既不能燃烧，也不支持燃烧，因此采用A法可鉴别三种气体。例11实验室常用石蕊试纸检验物质的酸碱性：酸性物质使蓝色的石蕊试纸变红，碱性物质使红色的石蕊试纸变蓝。某学生欲探究碳酸具有酸性而二氧化碳不具有酸性，按下图进行实验。请回答：(1) 该学生通过上述实验能否得出满意的结论？(2)若能，请说明理由；若不能，请你设计还需进行的实验，以得出满意的结论。(用语言叙述或图示均可)答案：(1) 不能。(2) 该实验能证明水不具有酸性而碳酸具有酸性，而不能证明二氧化碳不具有酸性。要验证二氧化碳是否具有酸性，应在I、II两操作之间加入一个实验，就是向盛有干燥蓝色石蕊试纸的试管中通入干燥的二氧化碳气体，若试纸不变色才可证明二氧化碳不具有酸性。例12 某化学兴趣小组用下图所示的装置做有关CO2气体的实验：(1) 甲同学将收集满CO2气体的试管倒插入紫色 石蕊试液中(见装置A)，并轻轻振荡试管。1.描述产生的现象。2.写出写出反应的化学方程式。(2) 乙同学挤压装置B中滴管的胶头，使其中的 NaOH溶液滴入烧瓶，并轻轻振荡，系在导气管 一端的气球慢慢胀大。产生这一现象的原因是： 答案: (1) 紫色石蕊试液变红，试管中液面上升 (2) CO2与NaOH溶液能够发生反应，烧瓶内CO2气体减少，压强减小，所以外界的空气进入气球内使其胀大解析：(1) 为描述实验现象的问题，注意考虑问题的全面性。 (2)中问题的关键是根据CO2与澄清石灰水的反应可以推测出CO2与 NaOH溶液能够发生反应，从而对烧瓶内压强造成影响。例13 某同学设计了一组实验：取四朵用石蕊试液染成的紫色的干燥纸花，分别按下图进行实验。回答下列问题：(1) 观察到纸花的颜色变化是：I：纸花变红；II： ； III：纸花不色；IV： 。(2)该同学进行的I、II两项实验，说明什么？(3)该同学进行四组对比 实验的目的是什么？(用文字叙述)(4)写出实验IV中发生反应的化学方程式： 。答案：(1)纸花不变色；纸花变红 (2) 稀盐酸能使紫色石蕊变红，水不使紫色石蕊变色。(3) 证明水和二氧化碳不使紫色石蕊变色，酸能使紫色石蕊变红，二氧化碳溶于水可生成酸(或证明二氧化碳溶于水可生成酸也可得分) (4)解析：对比实验是探究性实验的重要手段，又称控制变量法。通过II、III实验排除了水和二氧化碳具有酸性的可能，I、IV对比可知二氧化碳和水反应生成了碳酸，碳酸具有酸性，可使紫色石蕊变红。例11某火力发电厂以煤炭作为燃料，充分燃烧后将热能转化为电能，其排出的废气中含有CO2、SO2、水蒸气等。已知SO2既能使品红溶液退色，又能使澄清石灰水变混浊。因SO2有还原性，故能被高锰酸钾溶液氧化而除去。为了检验该发电厂排出的废气成分，用如下装置进行实验。(1) 仪器连接的顺序为(填导管接口字母) 。(2) 根据 现象证明有SO2存在。(3) 根据 中无明显变化和装置A中 现象，证明有CO2存在。(4) 把装置E放置在最后，能否证明该废气中含有水蒸气，理由是 。答案：(1) cdbaef或cdbafe (2) 品红溶液退色 (3) D 澄清石灰水变浑浊 (4) 不能，因为在验证CO2、SO2的存在的过程中，气体已经通过了多种溶液，可能从溶液中带出水蒸气，所以无法证明原来的废气中是否含有水蒸气。解析：正确解答本题首先要牢固掌握CO2、SO2、水蒸气的特征反应，即CO2能使澄清石灰水变浑浊，SO2能使品红深液退色，水蒸气能使无水硫酸铜变蓝。在安排装置的顺序时，要充分考虑其他气体及其他操作可能造成的干扰。水蒸气的要最先进行，因为在气体通过了溶液之后，会有溶液中的水蒸气造成干扰；因为SO2也会使澄清石灰水变浑浊，会对CO2的验证造成干扰，所以要先将气体通过品红溶液验证SO2的存在，然后紧接着将其用高锰酸钾溶液除去，然后再一次通过品红溶液，若品红溶液不再退色，可确定SO2已完全被除去，最后才能验证CO2的存在。例12 下图所示装置用于测定蝗虫呼吸作用的速率，图中的NaOH溶液能够充分吸收瓶中的CO2气体，据图回答问题(实验装置足以维持实验期间蝗虫的生命活动，瓶口密封)：(1) 该装置可测定蝗虫呼吸作用过程中吸收CO2的速率还是释放CO2的速率？(2)1 5分钟后，U形管左、右两侧的管内液面位置有何改变？答案：(1) 释放 CO2的速率 (2) 左侧液面升高，右侧液面降低解析：这是一道综合生物呼吸作用与物理中气压变化来考查二氧化