初中化学九年级“碳单质的多样性”复习知识清单

初中化学九年级“碳单质的多样性”复习知识清单

一、碳单质的多样性：同素异形体现象

（一）核心概念：同素异形体【基础】【重要概念】

1、定义：由同一种元素组成，但由于原子排列方式不同，而形成性质不同的几种单质，这种现象称为同素异形体现象。这一定义强调了“同种元素”与“不同结构”导致“性质差异”的核心逻辑。

2、研究对象：氧气（O₂）和臭氧（O₃）是氧元素的同素异形体；金刚石、石墨、C₆₀、碳纳米管、石墨烯等是碳元素的同素异形体。理解同素异形体是单质，且互为同素异形体的物质之间的转化属于化学变化。

（二）碳的同素异形体结构对比【高频考点】【★★★】

1、金刚石：

结构：每个碳原子与周围四个碳原子通过共价键结合，形成正四面体的立体网状结构。这种结构坚固且无自由电子。

性质：是天然存在的最硬的物质，熔点极高，不导电，无色透明。

2、石墨：

结构：每个碳原子与周围三个碳原子通过共价键结合，形成平面六元环网状结构。这些平面层与层之间以微弱的范德华力结合，且层内有一个自由电子可在层内移动。

性质：质软（有滑腻感）、有良好的导电性、熔点极高（破坏共价键）、深灰色、不透明。

3、C₆₀分子：

结构：由60个碳原子构成的一个形似足球的笼状分子，属于分子晶体。分子内碳原子间是共价键，分子间是微弱的范德华力。

性质：分子稳定，有独特的超导、催化等潜在应用价值，外观为黑色粉末。

4、石墨烯【拓展】【热点】：

结构：从石墨中剥离出的单层碳原子平面结构，是目前已知最薄、强度最大的材料。

性质：导电导热性能极佳。

5、碳纳米管【拓展】：

结构：由石墨烯卷曲而成的管状结构。

性质：具有极高的强度和独特的电学性能。

（三）结构决定性质，性质决定用途【核心思想】【★★★★★】

1、物理性质差异巨大的原因：由于碳原子排列方式不同，即微观结构不同，导致金刚石、石墨、C₆₀的硬度、导电性等物理性质存在天壤之别。

2、用途与性质对应：

金刚石硬度大：用于裁玻璃、钻探机钻头、切割大理石等。

金刚石对光有折射散射作用：用于装饰品（钻石）。

石墨质软且有滑腻感：可用于铅笔芯、润滑剂。

石墨导电性好：用于电极、电刷。

石墨耐高温且化学性质稳定：用于制作坩埚。

C₆₀的独特结构：应用于材料科学、超导体、医学载体等研究领域。

二、碳单质的物理性质与应用【基础】

（一）金刚石

1、纯净的金刚石是无色透明、正八面体形状的固体。

2、硬度是天然物质中最大的。

3、不导电，导热性能良好。

4、熔点高（3550℃）。

5、考点：常考“最硬”与“不导电”的特性，及其对应的用途。

（二）石墨

1、深灰色、有金属光泽、不透明的细鳞片状固体。

2、质软，在纸上划过能留下深灰色痕迹（利用其质软和层状结构）。

3、有良好的导电性。

4、有良好的导热性。

5、有滑腻感。

6、熔点高（比金刚石略高，约3652℃）。

7、考点：石墨的“导电性”、“滑腻感”、“质软”三层结构解释。常考“铅笔芯不含铅，是石墨和粘土混合物”。

（三）C₆₀

1、由C₆₀分子构成的物质，分子形似足球。

2、常温下为紫红色或暗黑色粉末（说法不一，中学常以黑色粉末记忆）。

3、有金属光泽。

4、不导电（常态下）。

5、考点：C₆₀是分子，不是原子直接构成，属于分子晶体。

（四）无定形碳【拓展】

1、种类：木炭、焦炭、活性炭、炭黑等。

2、主要成分：主要成分是石墨的微小晶体和少量杂质，并非真正的无定形。

3、特性与用途：

木炭：具有吸附性，能吸附色素和异味。

活性炭：吸附能力比木炭更强，用于防毒面具、制糖工业脱色、净水器等（物理吸附）。

焦炭：用于冶金工业（炼铁）。

炭黑：用于制造油墨、油漆、橡胶补强剂（如汽车轮胎）。

4、考点：吸附性是物理性质，利用其疏松多孔的结构。

三、碳单质的化学性质【核心】【高频考点】【★★★★★】

（一）稳定性（常温下）

1、原理：碳原子的最外层电子数为4，既不容易得电子，也不容易失电子，在常温下化学性质比较稳定。

2、应用：古代字画（用墨书写或绘制）能长久保存而不褪色；木质电线杆埋入地下部分常需烤焦以形成碳层，防腐。

3、易错点：稳定性是“常温下”相对稳定，高温下碳的化学性质活泼。

（二）可燃性（高温下）

1、充分燃烧（氧气充足）：C+O₂=点燃=CO₂（放出大量热）

现象：剧烈燃烧，发出白光，生成能使澄清石灰水变浑浊的气体。

2、不充分燃烧（氧气不足）：2C+O₂=点燃=2CO（放出热量，但较少）

产物：一氧化碳（有毒）。

3、考点与考向：

考查化学方程式的书写。

考查燃烧产物的判断（由氧气量决定）。

考查能量变化（放热）。

综合考查：相同质量的碳，完全燃烧比不完全燃烧放热多，生成物不同。

（三）还原性（高温下）【重中之重】【难点】【高频考点】

碳能夺取某些氧化物（如金属氧化物、非金属氧化物）中的氧元素，使其他物质发生还原反应，表现出还原性。

1、与金属氧化物反应（以氧化铜为例）：

方程式：C+2CuO=高温=2Cu+CO₂↑

现象：黑色粉末（氧化铜和碳粉）逐渐变为光亮的红色固体（铜），生成的气体能使澄清石灰水变浑浊。

装置分析：常见于试管（或硬质玻璃管）加热实验。

反应类型：置换反应。

2、与非金属氧化物反应（以二氧化碳为例）：

方程式：CO₂+C=高温=2CO

现象：通常无明显现象（吸热反应）。

意义：这是工业上制取水煤气（CO和H₂的混合物）中CO的重要来源；也是自然界中碳循环的一部分。

3、与金属氧化物反应（以氧化铁为例，工业炼铁原理补充）：

方程式：3C+2Fe₂O₃=高温=4Fe+3CO₂↑（纯理论，实际炼铁多用CO）

4、考点与考向：

【非常重要】还原性的概念：碳得到氧，被氧化，是还原剂。

化学方程式的书写与配平。

实验现象的描述、装置图的识别与改进（如防倒吸、尾气处理，但此反应生成CO₂通常无需处理）。

质量守恒定律的应用：计算反应前后固体质量变化（减少的质量为氧化铜中氧元素的质量或生成CO₂中氧元素的质量）。

反应条件“高温”的强调。

C与CO₂的反应是吸热反应，常与能量变化结合考查。

比较C、CO、H₂的还原性。

四、氧化还原反应基本概念【基础】【必会】

（一）定义

1、氧化反应：物质得到氧的反应（对于碳而言，C+O₂=CO₂，C得到氧，发生氧化反应）。

2、还原反应：物质失去氧的反应（对于CuO而言，C+2CuO=2Cu+CO₂↑，CuO失去氧，发生还原反应）。

3、氧化还原反应：一种物质得到氧，同时另一种物质失去氧的反应。

（二）概念辨析【高频考点】【易错点】

1、氧化剂：在反应中提供氧的物质，具有氧化性。如CuO、CO₂。被还原，发生还原反应。

2、还原剂：在反应中得到氧的物质，具有还原性。如C、CO、H₂。被氧化，发生氧化反应。

3、口诀（助记）：失氧（被还原）是氧化剂，得氧（被氧化）是还原剂。

（三）在C+2CuO=高温=2Cu+CO₂↑中的应用

1、还原剂：C（具有还原性，被氧化成CO₂）。

2、氧化剂：CuO（具有氧化性，被还原成Cu）。

五、碳及其化合物的相互转化关系【综合能力】

（一）碳三角（C、CO、CO₂的转化）【高频网络考点】

1、C→CO₂：C+O₂=点燃=CO₂（充分燃烧）

2、C→CO：2C+O₂=点燃=2CO（不充分燃烧）或CO₂+C=高温=2CO

3、CO→CO₂：2CO+O₂=点燃=2CO₂或CO+CuO=加热=Cu+CO₂

4、CO₂→CO：CO₂+C=高温=2CO

5、CO₂→C：（自然界较少，如光合作用6CO₂+6H₂O=光/叶绿素=C₆H₁₂O₆+6O₂，或特殊反应如2Mg+CO₂=点燃=2MgO+C）

6、碳酸盐与CO₂互化：CaCO₃+2HCl=CaCl₂+H₂O+CO₂↑；CO₂+Ca(OH)₂=CaCO₃↓+H₂O

（二）转化关系图构建

引导学生构建思维导图：以C、CO、CO₂、CaCO₃、H₂CO₃为核心，用箭头表示转化，并注明反应条件或方程式。

六、实验探究与考点深度剖析【难点】【拉分点】

（一）木炭还原氧化铜实验【经典实验】【★★★★★】

1、实验装置：

试管口略向下倾斜（防止冷凝水倒流炸裂试管）。

酒精灯加网罩（或使用酒精喷灯）使火焰集中，提高温度。

导管伸入澄清石灰水液面下（检验CO₂）。

2、操作步骤（查、装、定、点、收、离、熄）：

（1）检查气密性。

（2）装入药品（混合均匀的木炭粉和氧化铜粉末）。

（3）固定在铁架台上，试管口略向下倾斜。

（4）点燃酒精灯，先预热，后集中加热。

（5）观察现象：黑色粉末变红，石灰水变浑浊。

（6）实验完毕，先将导管从石灰水中移出。

（7）再熄灭酒精灯。

3、【易错点】：

为何先移导管后熄灯？防止石灰水倒吸入热的试管，使试管炸裂。

为何要混合均匀？增大接触面积，使反应更充分。

为何要加网罩？提高温度，因为该反应需要高温条件。

4、可能改进：

尾气处理：理论上生成CO₂无毒，但若炭粉过量或反应温度不均，可能产生CO（有毒），可在导管末端加一个点燃的酒精灯或气球收集。

防倒吸改进：在导管与试管之间加一个安全瓶。

（二）碳单质还原性系列实验对比

1、碳还原氧化铜：固体颜色变化，生成气体。

2、碳还原氧化铁：红棕色粉末逐渐变黑，生成气体。

3、碳还原二氧化碳：无明显现象，通过检验产物CO（点燃有蓝色火焰）或利用其还原性（通过灼热CuO变红）来间接证明。

（三）关于碳单质的含碳量计算【基础计算】

1、例题：10g含碳36%的木炭（假设杂质不参与反应），在氧气中充分燃烧，能生成多少克二氧化碳？

解题步骤：先计算纯碳质量：10g×36%=3.6g；再根据C+O₂=CO₂计算，12g碳生成44gCO₂，则3.6g碳生成（44/12）×3.6=13.2gCO₂。

2、易错点：若燃烧不充分，产物会不同，计算要明确反应条件。

七、碳在自然界中的循环【跨学科视野】【环保意识】

（一）产生CO₂的主要途径

1、动植物的呼吸作用。

2、化石燃料（煤、石油、天然气）的燃烧。

3、微生物的分解作用。

（二）消耗CO₂的主要途径

1、植物的光合作用（将无机物转化为有机物，并释放氧气）。

2、江河湖海对CO₂的吸收（形成碳酸，被水生植物利用，或形成碳酸盐沉积）。

（三）温室效应

1、成因：大气中CO₂、CH₄、氟氯代烷等温室气体增多，导致全球气候变暖。

2、危害：冰川融化、海平面上升、气候异常。

3、措施：减少化石燃料使用（开发新能源）、植树造林（增加CO₂吸收）、提高能源利用率。

八、考点、考向与解题策略【应试指导】

（一）【高频考点】汇总

1、同素异形体的概念与判断（金刚石、石墨、C₆₀的区别与联系）。

2、碳单质的物理性质（硬度、导电性）及其微观解释（原子排列方式）。

3、碳单质的化学性质（稳定性、可燃性、还原性）。

4、木炭还原氧化铜的实验探究（现象、操作、注意事项、误差分析）。

5、C、CO、CO₂之间的相互转化关系。

6、还原反应、氧化剂、还原剂的概念辨析。

（二）【常见题型】与【考查方式】

1、选择题：

考查基础概念：如“下列物质属于同素异形体的是？”“关于金刚石和石墨的说法正确的是？”

考查性质与用途：如“下列用途主要利用其物理性质/化学性质的是？”

考查化学方程式正误判断。

2、填空题与简答题：

用化学用语填空：写化学式、化学方程式。

解释原因：如“为什么古代字画能保存至今？”“铅笔芯为什么能导电？”

完成转化关系图：补全物质或条件。

3、实验探究题：

以碳还原氧化铜为载体，考查实验基本操作、现象分析、装置评价与改进。

结合质量守恒定律进行定量计算。

设计简单实验证明碳的还原性。

4、计算题：

根据化学方程式的简单计算，涉及含杂质问题。

（三）【解题步骤】与【方法技巧】

1、概念辨析类：

抓本质：同素异形体强调“同一元素”与“不同结构”。

辨范畴：单质与化合物、混合物区分开。

2、性质用途类：

用思维链：结构→性质→用途。

反推法：由用途反推其性质。

3、实验类：

三读：读题干（目的）、读装置（仪器）、读问题（指向）。

回归教材：联想教材原型实验的每一步操作和原理。

精准表述：现象描述要准确（如“黑色变红色”，而非“变色”）；结论得出要严谨。

4、转化关系类：

抓特征反应：如CO还原金属氧化物是黑色变红色；CO₂使石灰水变浑浊。

抓特殊条件：如“高温”常用于C还原金属氧化物或C与CO₂反应。

（四）【易错点】与【难点】警示

1、【易错点1】：误认为石墨可以转化为人造金刚石是物理变化（实质是原子排列方式改变，是化学变化）。

2、【易错点2】：混淆C₆₀是分子，由分子构成，不是由原子直接构成。

3、【易错点3】：认为碳在任何条件下都不活泼（忽略“常温”二字）。

4、【易错点4】：书写化学方程式时漏写反应条件（如“高温”写成“加热”）。

5、【易错点5】：判断氧化剂和还原剂时，只看反应物，不看生成物；或颠倒得氧失氧关系。

6、【难点1】：从微观角度解释金刚石和石墨物理性质差异。

7、【难点2】：C与CO₂反应生成CO的原理及其在碳循环中的作用。

8、【难点3】：设计实验证明某种黑色粉末是木炭粉（利用其可燃性、还原性或吸附性等）。

九、思维拓展与前沿科技链接【核心素养提升】

（一）碳材料家族的新成员

1、富勒烯家族：除了C₆₀，还有C₇₀、C₈₄等，它们在超导、光学、生物医药等领域有广阔前景。

2、石墨烯：2010年诺贝尔物理学奖。是目前已知强度最高、导电导热最好的材料，可应用于柔性显示屏、超级电容器、高性能传感器等。

3、碳纳米管：可看作是由石墨烯卷成的管，其强度是钢的100倍，但密度只有钢的1/6，被应用于复合材料、纳米电子器件等。

（二）辩证看待碳单质

1、同一元素的不同单质，性质差异巨大，体现了物质世界的多样性。

2、结构决定性质：微观世界的原子排列方式，决定了宏观世界的万千气象。这种思想是化学学科的核心思想。

（三）联系生产生活实际

1、铅笔的H和B：H表示硬（Hardness），B表示黑（Blackness），通过粘土和石墨的不同配比来控制硬度和黑度。

2、活性炭净水器：不仅吸附色素异味，还能吸附部分重金属离子，但无法杀死细菌。

3、钻石恒久远：利用了碳在常温下的化学稳定性。

（四）跨学科融合

1、物理学科：电阻、导热、硬度、分子结构模型。

2、生物学科：光合作用、呼吸作用、温室效应。

3、地理学科：矿物资源、碳循环、气候变化。

十、单元复习自查清单【总结归纳】

1、我能准确说出金刚石、石墨、C₆₀的原子排列方式与主要物理性质吗？

2、我能用“结构决定性质”解释为什么金刚石最硬而石墨很软吗？

3、我能写出碳完全燃烧与不完全燃烧的化学方程式并指出其应用吗？

4、我能熟练写出碳还原氧化铜、碳还原二氧化碳的化学方程式，并描述实验现象吗？

5、我能清晰解释氧化反应、还原反应、氧化剂、还原剂的概念吗？

6、我能画出C、CO、CO₂三者之间的转化关系图，并注明反应条件吗？

7、我能完整复述木炭还原氧化铜的实验步骤、现象及注意事项吗？

8、我能计算含杂质的碳反应生成物的质量吗？

9、我能列举出几种无定形碳及其用途吗？

10、我了解石墨烯、C₆₀等新型碳材料的前沿应用吗？

十一、典型例题精析【实战演练】

（一）例题1：（选择题）【基础】

下列关于金刚石、石墨和C₆₀的说法正确的是（）

A.都是黑色固体

B.都具有良好的导电性

C.都是由碳原子直接构成的

D.充分燃烧的产物都是二氧化碳

【解析】：

A错：金刚石无色透明，石墨深灰色，C₆₀黑色粉末。

B错：石墨导电，金刚石和常态C₆₀不导电。

C错：金刚石、石墨由原子构成，C₆₀由分子构成。

D对：因为它们都是碳元素组成的单质，充分燃烧产物都是CO₂。

【答案】D

（二）例题2：（简答题）【中档】

用墨汁书写的字画，年深日久仍不变色，这是为什么？

【解析】：

墨汁的主要原料是炭黑（主要成分是碳）。碳在常温下化学性质稳定，不易与其他物质发生反应，因此能保持颜色不变，使字画保存长久。

【答案】因为墨的主要成分是碳，常温下碳的化学性质稳定。

（三）例题3：（实验探究题）【重要】【高频】

某化学兴趣小组的同学在实验室进行了“木炭还原氧化铜”的实验。

（1）他们观察到的主要现象是________________________，________________。

（2）实验完毕后，他们先熄灭酒精灯，然后将导管从石灰水中取出，结果发现试管炸裂了，其可能的原因是____________________________。

（3）他们想要证明反应后得到的红色固体中含有铜，请设计一个简单的实验方案：________________。

（4）有同学提出，该实验中若碳粉过多，可能生成一氧化碳，请你设计一个改进方案，避免一氧化碳污染空气：____________________。

【解析】：

（1）黑色粉末逐渐变成光亮的红色；澄清石灰水变浑浊。

（2）先熄灭酒精灯，试管内温度降低，压强减小，石灰水被倒吸入热的试管底部，导致试管炸裂。

（3）取样，加入适量稀盐酸（或稀硫酸），如果观察到有气泡产生，且溶液逐渐变为蓝色（若加稀盐酸，溶液为氯化铜的绿色或蓝绿色，初中一般表述为蓝色），则证明有铜（注：该方案利用了铜不与稀酸反应，而可能存在的未反应的氧化铜或杂质会反应，实际检验金属铜常用观察颜色或测密度等物理方法，或利用其导电性。更严谨的是用硝酸，但中学常用稀酸排除其他碱性氧化物干扰后，观察红色固体