三-1-碳的多样性知识点.doc

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、Na2CO3、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+H2OCO2，HCO3-H+H2OCO2 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 Na2CO32HCl2NaClH2OCO2 NaHCO3HClNaClH2OCO2 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+H2OCO2；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+H2OCO2 结论：Na2CO3与少量盐酸反应不放出CO2，生成NaHCO3。化学方程式为：Na2CO3HCl(少量)NaClNaHCO3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 Na2CO3CaCl2CaCO32NaCl Na2CO3Ba(NO3)2BaCO32NaNO3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+CaCO3H2O，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 2NaHCO3Ca(OH)2CaCO3Na2CO32H2O(NaHCO3足量) 或NaHCO3Ca(OH)2CaCO3NaOHH2O(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 2NaHCO3Na2CO3H2OCO2 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)2CO2CaCO3H2O。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：CaCO3CO2H2OCa(HCO3)2。加热后又变浑浊，反应为： Ca(HCO3)2CaCO3CO2H2O 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： 还原剂的生成：CO2CO2，CO2C2CO 。Fe2O3被还原： 3Fe2O3CO2Fe3O4CO2Fe3O4CO3FeOCO2， FeOCOFeCO2三个反应合并得总反应：Fe2O33CO2Fe3CO2平时写Fe2O3被还原的方程式就是该总反应方程式。 辅助反应：SiO2CaCO3CaSiO3CO2。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)CCO： 2CO22CO CH2O(气)COH2(工业制水煤气) 2CSiO2Si2CO(工业制硅) (2)CCO2： CO2CO2 C2CuO2CuCO2(3)CO2C：CO22Mg2MgOC(镁条在CO2中燃烧的反应) (4)COCO2：2COO22CO23COFe2O32Fe3CO2(5)CO2CO：CO2C2CO 【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；2NaHCO3Na2CO3H2OCO2；NaHCO3受热易分解，Na2CO3稳定性比Na2CO3强。 9、NaHCO3； Na2CO32HCl2NaClH2OCO2 NaHCO3HClNaClH2OCO2 10、(1)加热，2NaHCO3Na2CO3H2OCO2 (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NaHCO3受热分解装置组装时应注意什么？为什么？ NaHCO3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：2NaHCO3Na2CO3H2OCO2 CO2Ca(OH)2CaCO3H2O (2)实验探究： 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。 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1g0.69g0.31g 设混合物中NaHCO3的质量为x 2NaHCO3Na2CO3H2OCO2 固体减少 284 106 1844 62 x 0.31g x0.84g 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：加强呼吸作用； 加强光合作用；改良碱性土壤、调节pH；加强植物蒸腾作用。 （ ） A、 B、 C、 D、 (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)CaCO3CO2H2OCa(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：aCuCO3bCu(OH)2(a、b正整数，且a2，b2)。(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31。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)CuCO32HClCuCl2H2OCO2 1mol 2mol 1mol a 2a a Cu(OH)22HClCuCl22H2O 1mol2mol b 2b 孔雀石中，即，整理得： 即孔雀石的化学组成为CuCO3Cu(OH)2石青中，则，整理得：即石青的化学组成为2CuCO3Cu(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：0.15mol80g/mol12g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)0.15mol0.1mol32 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CuCO3Cu(OH)2和2CuCO3Cu(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、