初中化学九年级上册期末-安徽省涡阳八中九年级化学上册教案金刚石石墨和C60

1、本单元说明本单元包括三个课题。课题1主要介绍碳的几种单质：金刚石、石墨和C60分子等。课题2是引导学生探究实验室中制取二氧化碳的装置。课题3是在课题2的基础上，通过实验探究碳的氧化物的性质。本单元教材具有以下特点：1.注意采用体验学习与探究学习的方式。例如，课题2在给出了实验室中制取二氧化碳的反应原理以后，引导学生在制取氧气的基础上，探究制取二氧化碳的装置。2.教材内容在呈现方式上注意教学情境的创设和联系学生的生活实际。例如，在介绍金刚石和石墨的用途时，注意联系学生生活中用到或见到的物质，如玻璃刀、铅笔芯、无轨电车等。3.紧密联系社会和高新科技。例如，教材中介绍了人造金刚石和金刚石薄膜、C60

2、分子及管状碳和温室效应等内容。4.图文并茂。教材中许多内容是以图代文，有利于激发学生的学习兴趣。本单元教材重点：(1)碳及碳的氧化物的性质。(2)实验室中制取二氧化碳的装置。(3)培养以发展的观点看待碳的单质。(4)培养关注社会和环境的责任感。本单元教材难点：探究实验室中制取二氧化碳的装置。课题1金刚石、石墨和C60一、教学目的要求1.了解金刚石和石墨的物理性质和主要用途。2.知道碳单质的化学性质。3.知道C60分子的结构特点和潜在应用前景。4.能以发展的观点看待碳的单质。二、本课题分析本课题包括两部分：一、碳的单质；二、碳的化学性质。碳的单质主要介绍了金刚石的“硬”、石墨的“软”和导电性以及

3、C60分子的结构特点。由于木炭主要是由石墨的微小晶体和少量杂质构成的，因此木炭的吸附性放在有关石墨的内容中介绍。碳的化学性质主要介绍了碳跟氧气及某些氧化物的反应，这是本课题教学重点，其中碳跟某些氧化物的反应是本课题教学难点。在介绍碳的单质时，教材注意图文结合及联系最新科技成就。例如，金刚石的“硬”是从图6-1金刚石的用途推测出来的；而图6-2石墨的用途则是它的性质(软及导电性)的具体应用。这样安排加上木炭的吸附性及其用途有利于学生树立物质的性质决定用途的观点。图6-4中将C60分子的结构模型和足球放在一起作比较，使C60分子的结构特点一目了然。教材提到了20世纪90年代初发现的管状碳，目的是使

4、学生以发展的眼光来看待碳的单质，使他们认识到随着科技的发展，碳单质的一些新形态也将被发现，碳单质的用途也将不断扩大。在介绍碳的化学性质时，注意联系学生的生活实际和已有的知识。例如，首先提出了一个问题：我国古代一些画家、书法家用墨书写或绘制的字画能够保存很长时间而不变色，这是为什么呢?由此引出在常温下碳的化学性质不活泼。继而提出：如果温度升高，碳的活动性又如何呢?对于碳跟氧气的反应，可以应用前面学过的元素符号、化学式和化学方程式等化学用语，让学生自己写出木炭在氧气里充分燃烧时的化学方程式。教学建议如下：1.在介绍金刚石、石墨和C60分子时，只要说明它们都是碳组成的单质即可，不介绍同素异形体的概念

5、。2.在介绍金刚石和石墨的性质及用途时，要紧密联系学生的生活实际。3.要引导学生以发展的观点看待碳的单质。4.木炭跟氧化铜的反应是学生学习的难点。实验时，要引导学生着重观察两个问题：(1)石灰水发生了什么变化?(2)试管里的粉末发生了什么变化?根据实验现象，由学生自己分析木炭跟氧化铜反应生成了什么物质，教师加以指导写出反应的化学方程式。然后分析这个反应中反应物和生成物的关系，引出还原反应。5.要求学生做好本课题后的家庭小实验，以激发学生的学习兴趣。三、实验说明和建议1.【实验6-1】用块状木炭脱色，需要较长时间，可作如下改进：在小烧杯中注入30 mL40 mL蒸馏水，加入少许红墨水至呈现浅红色

6、为止，将其均分入两个小锥形瓶(或大试管)里。取0.5 g干燥木炭，在研钵中研细后，倒入其中一个小锥形瓶里，充分振荡后过滤，可以得到无色溶液，再与另一个小锥形瓶中未加木炭的原溶液对比，学生会对木炭脱色留下深刻的印象。2.【实验6-2】木炭还原氧化铜的实验，要取得理想的实验效果，应当注意以下几点：1.氧化铜与碳的配比：由化学方程式计算，氧化铜与碳的质量比应当是131，在实际操作中，氧化铜粉与炭粉的质量比以限制在(913)1的范围内效果较好。图 6-1 木炭还原氧化铜2.反应物要研细混匀。为了使氧化铜和木炭这两种反应物充分接触，要把刚烘烤过的木炭放在研钵中研细，再加入氧化铜，一起混匀，能否混合均匀是

7、本实验成败的关键之一。3.为了缩短实验时间，可以在课前用水把混匀的氧化铜和木炭粉调成糊状，用玻璃棒把糊状物均匀涂在薄壁试管底部内壁上，晾干后进行还原操作，在试管内壁可见紫红色的铜镜出现。4.用新制氧化铜进行实验。往试管里放入少量硝酸铜晶体，在通风橱中加热使其熔化，一边转动试管，一边继续加热，直至试管底部形成均匀的氧化铜薄层；然后，把刚烘烤过并研细的木炭粉倒入，并高出氧化铜薄层1 cm2 cm，按图6-1所示装置好。用带有网罩的酒精灯加热，经4 min5 min后，可见黑色氧化铜薄层变成光亮的铜镜，盛有石灰水的试管里产生白色沉淀。四、部分习题参考答案及说明1.碳2.(1)金刚石可用来裁玻璃、作刀

8、具等； (2)石墨可作电极、电刷等； (3)活性炭可用于防毒面具及制糖工业中； (4)焦炭可以从铁的氧化物矿石中还原出铁； (5)可用墨书写或绘制字画； (6)可用煤(主要成分是碳)燃烧放出的热来取暖、发电等。3.因为石墨具有导电性。4.木头烤焦以后就变成了木炭，木炭与空气、水分接触不容易发生反应，可以保存较长的时间。5.由于木炭疏松多孔，有效表面积大，具有吸附性，能吸附二氧化氮，因此集气瓶中的红棕色消失。6. 6 g五、资料1.莫氏硬度莫氏硬度是表示矿物硬度的一种标准，1824年由德国矿物学家莫斯(Frederich Mohs)首先提出。确定这一标准的方法是，用棱锥形金刚石钻针刻划所试矿物的

9、表面而产生划痕，用测得的划痕的深度来表示硬度。矿物硬度矿物硬度滑石1正长石6石膏2石英7方解石3黄玉8萤石4刚玉9磷灰石5金刚石102.碳纤维碳纤维是一种纤维状碳材料，它是将有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在惰性气氛中，在一定压强下强热、碳化而成的。碳纤维是一种强度比钢大，密度比铝还小，比不锈钢还耐腐蚀，比耐热钢还耐高温，又能如铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。用碳纤维与塑料制成的复合材料，可以代替铝合金来制造飞机。制成的飞机，不仅轻巧，而且消耗动力少、推力大、噪音小。用碳纤维制电子计算机的磁盘，能提高计算机的储存量和运算速度。用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行

10、器，机械强度高，质量小，可节省大量的燃料。总之，用碳纤维或碳纤维增强的塑料、玻璃、陶瓷和金属等材料来代替钢材和合金等，在化工、机电、造船，特别是飞机制造、宇航器材等部门中有广泛的应用。3.金刚石的晶体结构图 6-2 金刚石的晶体结构模型金刚石是典型的原子晶体，在这种晶体中的基本结构粒子是碳原子。每个碳原子都以sp3杂化轨道与四个碳原子形成共价单键，键长为10-10 m，键角为10928，构成正四面体。每个碳原子位于正四面体的中心，周围四个碳原子位于四个顶点上，在空间构成连续的、坚固的骨架结构。因此，可以把整个晶体看成一个巨大的分子(如图6-2所示)。由于CC键的键能大(为347 kJ/mol)

11、，价电子都参与了共价键的形成，使得晶体中没有自由电子，所以金刚石是自然界中最坚硬的固体，熔点高达3 550 4.石墨的晶体结构石墨晶体是属于混合键型的晶体。石墨中的碳原子用sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子以键结合，形成正六角形蜂巢状的平面层状结构，而每个碳原子还有一个2p轨道，其中有一个2p电子。这些p轨道又都互相平行，并垂直于碳原子sp2杂化轨道构成的平面，形成了大键。因而这些电子可以在整个碳原子平面上活动，类似金属键的性质。而平面结构的层与层之间则依靠分子间作用力(范德华力)结合起来，形成石墨晶体(如图6-3所示)。石墨有金属光泽，在层平面方向有很好的导电性质。由于层间的分子间作用力弱，因

12、此石墨晶体的层与层之间容易滑动，工业上用石墨作固体润滑剂。图 6-3 石墨的晶体结构模型()和平面网状结构示意图()5. C60(1)C60的发现1985年，英国科学家克罗托等用质谱仪，严格控制实验条件，得到以C60为主的质谱图。由于受建筑学家布克米尼斯特富勒(Buckminster Fuller)设计的球形薄壳建筑结构的启发，克罗托等提出C60是由60个碳原子构成的球形32面体，即由12个五边形和20个六边形构成。其中五边形彼此不相连，只与六边形相连。每个碳原子以sp2杂化轨道和相邻的3个碳原子相连，剩余的p轨道在C60分子的外围和内腔形成键。除C60外，具有封闭笼状结构的还可能有C28、C

13、32、C50、C70、C84C240、C540等，统称为Fullerene。图 6-4 Fullerene笼状结构系列(2)C60的超导性1991年，赫巴德(Hebard)等首先提出掺钾C60具有超导性，超导起始温度为18 K，打破了有机超导体(Et)2CuN(CN)2Cl超导起始温度为 K的纪录。不久又制备出Rb3C60的超导体，超导起始温度为29 K。表6-1列出了已合成的各种掺杂C60的超导体和超导起始温度，说明掺杂C60的超导体已进入高温超导体的行列。我国在这方面的研究也很有成就，北京大学和中国科学院物理所合作，成功地合成了K3C60和Rb3C60超导体，超导起始温度分别为8 K和28

14、 K。有科学工作者预言，如果掺杂C240表6-1 A3C(A：K、Rb、Cs)A3K3K2RbRb2K(2)Rb3Rb2CsRbTl2Cs3Tc/K30(3)C60的命名克罗托等人之所以能够勾画出C60的分子结构，富勒的启示起了关键性作用，因此他们一致建议，用布克米尼斯特富勒(Buckminster Fuller)的姓名加上一个词尾-ene来命名C60及其一系列碳原子簇，称为Buckminsterfullerene，简称Fullerene，中译名为富勒烯。为什么要在Fuller的后面加上一个词尾ene呢?这是考虑到C60分子和苯及其衍生物一样，都具有芳香族的结构，具有不饱和性，而在英文中，对具

15、有不饱和性的化合物的命名常常带有词尾-ene，于是便产生了Fullerene这个名称，中译名里对带词尾-ene的化合物常被译成烯，于是，Fullerene的中译名就是富勒烯。由于C60分子的形状和结构酷似英国式足球(soccer)，所以又被形象地称为Soccerene(同样带有词尾-ene)，中译名为“足球烯”。还有人用富勒的名字(Buckminster)的词头Buck来命名，称为Buckyball，中译名为“布基球”。对于将C60及其一系列碳原子簇称为烯，在化学界是有争议的，因为根据有机化学系统命名原则，烯表示含双键的烃，而C60及其一系列碳原子簇是完全由碳原子组成的单质，并不是一种化合物，

16、当然也不是烯烃。因此，有些化学家不同意使用富勒烯这个名称。可是，在命名这个问题上历来都有尊重约定俗成的习惯，也许细说起来富勒烯这个名称有它不合理和可以探讨的地方，但是由于约定俗成的原因，现在的书籍和文献中仍都采用Fullerene这个名称。有人建议称C60及其一系列碳原子簇为“球碳”，理由是它们是由碳元素组成的球形分子；有人建议称为“笼碳”，理由是它们是一种中空的笼形分子；还有人建议把“球碳”、“笼碳”和“富勒”综合起来，称为“富勒球碳”、“富勒笼碳”。总而言之，在C60及其一系列碳原子簇的命名上，真称得上百家争鸣了，但迄今为止，还没有一种令大家都满意的名称。(4)C60的潜在应用前景除了超导

17、领域以外，C60在以下几个方面也具有广泛的应用前景。气体的贮存利用C60独特的分子结构，可以将C60用作比金属及其合金更为有效和新型的吸氢材料。每一个C60分子中存在着30个碳碳双键，因此，把C60分子中的双键打开便能吸收氢气。现在已知的C60的稳定的氢化物有C60H24、C60H36和C60H48。在控制温度和压力的条件下，可以简单地用C60和氢气制成C60的氢化物，它在常温下非常稳定，而在80 215 时，C60的氢化物便释放出氢气，留下纯的C60，它可以被100%地回收，并被用来重新制备C60的氢化物。与金属或其合金的贮氢材料相比，用C60贮存氢气具有价格较低的优点，而且C60比金属及其

18、合金要轻，因此，相同质量的材料，C60所贮存的氢气比金属或其合金要多。C60不但可以贮存氢气，还可以用来贮存氧气。与高压钢瓶贮氧相比，高压钢瓶的压力为106 Pa，属于高压贮氧法，而C60贮氧的压力只有105 Pa，属于低压贮氧法。利用C60在低压下大量贮存氧气对于医疗部门、军事部门乃至商业部门都会有很多用途。有感觉功能的传感器由于用C60薄膜做基质材料可以制成手指状组合型的电容器，用它来制成的化学传感器具有比传统的传感器尺寸小、简单、可再生和价格低等优点，可能成为传感器中颇具吸引力的一种候选产品。增强金属提高金属材料的强度可以通过合金化、塑性变形和热处理等手段，强化的途径之一是通过几何交互作

19、用，例如将焦炭中的碳分散在金属中，碳与金属在晶格中相互交换位置，可以引起金属的塑性变形，碳与金属形成碳化物颗粒，都能使金属增强。在增强金属材料方面，C60的作用将比焦炭中的碳更好，这是因为C60比碳的颗粒更小、活性更高，C60与金属作用产生的碳化物分散体的颗粒大小是 nm，而碳与金属作用产生的碳化物分散体的颗粒大小为1 m5 m，在增强金属的作用上有较大差别。新型催化剂在发现C60以后，化学家们开始探讨C60用于催化剂的可能性。C60具有烯烃的电子结构，可以与过渡金属(如铂系金属和镍)形成一系列络合物。例如C60与铂、锇可以结合成(C2H5)3P2PtC60和C60OsO4日本丰桥科技大学的研

20、究人员合成了具有高度催化活性的钯与C60的化合物C60Pd6。中国武汉大学的研究人员合成了Pt(PPh3)2C60(PPh3光学应用具有独特微观结构的C60具有特殊的光学性质，其中令人感兴趣的光学性质之一是光限制性，即在增加入射光的强度时，C60会使光学材料的传输性能降低。光限制性对于保护眼睛具有重要意义。以C60的光学限制性为基础，可研制出光限制产品，它只允许在敏化阈值以下(即对眼的危险阈值以下)的光通过，这样就起到了保护人眼免受强光损伤的作用。癌细胞的杀伤效应C60经光激发后有很高的单线态氧的产率，而单线态氧与生物机体的生理生化功能、组织损伤、肿瘤以及光化治疗技术都有着重要关系。当对C60

21、的激发光强度达到4 000 lx时，癌细胞受单线态氧的作用已接近100%死亡，因此能有效地破坏癌细胞的质膜和细胞内的线粒体中质网和核膜等重要的癌细胞结构，从而导致癌细胞的损伤乃至死亡。还有的研究指出，可以将肿瘤细胞的抗体附着在C60分子上，然后将带有抗体的C60分子引向肿瘤，也可以达到杀伤肿瘤细胞的目的。其他医疗功能C60的衍生物具有抑制人体免疫缺损蛋白酶的活性的功能。人体免疫缺损蛋白酶是一种导致艾滋病的病毒，因此，C60的衍生物有可能在防治艾滋病的研究上发挥作用。C60还适宜于在生物系统中充当自由基清除剂和水溶性抗氧剂，自由基是导致某些疾病甚至肿瘤的有害物质，C60可望能够降低患病者血液中自由基的浓度，还可抑制畸形的和患病细胞的生长。6.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。