初中化学九年级（科粤版）上册 第三章 维持生命之气-氧气 第3课时 二氧化碳的用途 碳循环和氧循环 知识清单

初中化学九年级（科粤版）上册第三章维持生命之气——氧气第3课时二氧化碳的用途碳循环和氧循环知识清单一、核心概念与原理剖析（一）二氧化碳的用途与性质关联【高频考点】【基础】二氧化碳的性质决定了其用途，二者之间存在严密的逻辑对应关系。理解这一关系是灵活解题的关键。1、不支持燃烧且密度比空气大：这是二氧化碳最重要的化学性质和物理性质之一。由于其密度大于空气，能像“毯子”一样覆盖在燃烧物表面，隔绝氧气；同时其本身不助燃，因此被广泛用作灭火剂。常用的灭火器如二氧化碳灭火器，就是利用此原理，尤其适用于扑灭图书、档案、贵重设备、精密仪器等的火灾，因为二氧化碳灭火后不会留下任何痕迹，不会损坏物品。2、能溶于水并与水反应生成碳酸：二氧化碳溶于水的过程，一部分会与水发生化学反应。这一性质在多个领域有重要应用。在饮料工业中，利用加压的方法使较多的二氧化碳溶解在饮料中，打开瓶盖后压力减小，二氧化碳逸出，形成气泡，这便是碳酸饮料（如汽水、可乐）的制作原理。生成的碳酸略带酸味，并具有清凉解暑、抑菌的作用。同时，这也解释了为何久置的碳酸饮料酸性会减弱（碳酸不稳定易分解）。3、固态二氧化碳（干冰）升华吸热：干冰不是冰，是固态的二氧化碳。它在常温常压下不经液态直接变为气态（升华），此过程会吸收大量的热，使周围环境的温度迅速降低，水蒸气冷凝成水滴。这一性质的应用非常广泛：①人工降雨，通过飞机将干冰撒入云层，干冰升华吸热，使云层中的水蒸气冷凝成水滴落下。②制造舞台烟雾效果，干冰升华吸热，使周围空气中的水蒸气液化，形成大量白雾，营造梦幻的舞台效果。③在食品行业中用作制冷剂，用于保存和运输生鲜食品，如冰淇淋、海鲜等，其制冷效果优于普通冰，且无残留、无污染。4、参与光合作用：这是二氧化碳对于地球生命最重要的“用途”。在光照条件下，绿色植物利用叶绿体，将二氧化碳和水转化为有机物（如淀粉），并释放出氧气。因此，二氧化碳是植物进行光合作用的主要原料之一。在农业生产中，有时会通过施用“碳铵”（碳酸氢铵）或直接增加大棚内的二氧化碳浓度（称为“气肥”），来促进光合作用，提高农作物的产量。5、与其它物质反应：二氧化碳还是重要的工业原料。例如，工业上通过氨碱法制纯碱（碳酸钠），二氧化碳是其中关键的反应物。此外，二氧化碳能与氢氧化钙（澄清石灰水的主要成分）反应生成白色沉淀碳酸钙和水，这一反应常用于实验室检验二氧化碳气体，也是建筑行业中的抹墙砂浆（石灰浆）在空气中逐渐变硬、变白的原因（吸收空气中的二氧化碳生成坚硬的碳酸钙）。（二）自然界中的碳循环和氧循环【非常重要】【综合难点】碳循环和氧循环是两个相互关联、维持大气中氧气和二氧化碳含量相对稳定的动态平衡过程。1、碳循环：（1）循环形式：碳在自然界中主要以单质（如金刚石、石墨）和化合物（如二氧化碳、碳酸盐、有机物）的形式存在。在生物圈、岩石圈、水圈和大气圈之间不断循环。（2）主要过程：①产生二氧化碳（释放到大气中）：生物体的呼吸作用（动植物、微生物吸入氧气，将有机物分解，释放二氧化碳和水，提供生命活动所需能量）；燃料的燃烧（煤、石油、天然气等化石燃料，以及木材、秸秆等，其中的碳元素与氧气结合生成二氧化碳）；微生物的分解作用（动植物的遗体、排泄物被土壤或水中的微生物分解，有机物被转化为二氧化碳等无机物返回环境）；火山喷发等地壳运动。②吸收二氧化碳（从大气中移除）：绿色植物的光合作用（最主要的吸收途径）；江、河、湖、海等水体的溶解作用（二氧化碳能溶于水，部分与水反应生成碳酸，部分以碳酸氢盐形式存在）；岩石的风化与沉积（大气中的二氧化碳溶于水形成碳酸，碳酸与岩石中的硅酸盐或碳酸盐发生复杂的化学反应，最终形成碳酸盐岩，如石灰岩，固定下来）。（3）平衡的破坏与后果：现代工业社会以来，人类大量开采和使用化石燃料，向大气中排放了过多的二氧化碳，同时乱砍滥伐森林，减少了森林对二氧化碳的吸收能力，打破了自然界原有的碳平衡，导致大气中的二氧化碳浓度逐年上升，这是导致“温室效应”加剧、全球气候变暖的主要原因。2、氧循环：（1）循环形式：氧气在自然界中主要以单质（O₂）的形式存在于大气中，少量溶解于水中。（2）主要过程：①消耗氧气：生物体的呼吸作用（动植物、微生物生命活动消耗氧气）；燃料的燃烧（各种燃烧现象消耗氧气）；有机物的腐烂、金属的锈蚀等缓慢氧化过程也消耗氧气。②产生氧气：绿色植物的光合作用（地球上氧气最主要的来源，植物吸收二氧化碳和水，在光下制造有机物并释放氧气）。（3）平衡的意义：氧循环维持了大气中氧气含量的大致稳定（约21%），为绝大多数生物的呼吸作用提供了保障，是生命存在和延续的基础。3、碳循环与氧循环的相互关系【非常重要】【难点】：（1）互为因果，相互依存。光合作用消耗二氧化碳和水，产生有机物和氧气，将碳元素从无机环境（大气圈）转移至生物体（有机物）中，同时向大气释放氧气。呼吸作用和燃烧则恰好相反，消耗氧气和有机物，产生二氧化碳和水，将碳元素从生物体或化石燃料中释放回大气，同时消耗大气中的氧气。（2）可以用一个简化的化学过程来理解：光合作用可表示为“二氧化碳+水→有机物+氧气”，而呼吸作用和燃烧则可表示为“有机物+氧气→二氧化碳+水”。这两个过程方向相反，共同构成了碳和氧循环的核心环节，维持着大气中氧气和二氧化碳浓度的动态平衡。没有光合作用，大气中的氧气将被耗尽，二氧化碳将不断积累；没有呼吸作用、分解和燃烧，地球上的有机物将无法回归自然，碳元素将被固定而无法参与循环。二、考点、考向与解题策略（一）基础考点：二氧化碳的性质与用途对应【高频考点】【基础】1、常见题型：选择题、填空题。直接考查性质决定用途，或给出用途反推性质。2、考查方式：（1）给出某种用途，如“用干冰进行人工降雨”，问其利用的原理是什么。答案应为“干冰升华吸热，使周围温度降低”。（2）给出某种性质，如“二氧化碳密度比空气大且不支持燃烧”，问可应用于什么方面。答案应为“灭火”。（3）判断说法正误，如“二氧化碳能溶于水，所以可用于制造汽水”。（此为正确对应）。（4）区分易混淆点：如“用于制作碳酸饮料”是利用了二氧化碳“能溶于水并与水反应”的性质；“用作制冷剂”是利用了干冰“升华吸热”的性质；“参与光合作用”是利用了其“是光合作用原料”的性质。3、解题要点与易错点：（1）精准匹配：务必牢记具体性质对应的具体用途，不能张冠李戴。例如，不能将用于灭火的原因写成“能溶于水”。（2）理解本质：要理解性质如何实现用途。如干冰用于人工降雨，本质是升华吸热导致水蒸气冷凝，而不是干冰直接变成雨。（3）区分干冰与冰：注意干冰是固态二氧化碳，冰是固态水，二者物理化学性质完全不同。（4）关注特例：二氧化碳不支持燃烧是相对的，像镁条等活泼金属能在二氧化碳中燃烧，生成氧化镁和碳。因此，二氧化碳灭火器不适用于扑灭活泼金属（如镁、钠、钾）的火灾。（二）综合考点：碳循环和氧循环的过程与意义【非常重要】【高频考点】1、常见题型：选择题、填空题、简答题，也常出现在材料分析题中，结合能源、环保、温室效应等热点问题考查。2、考查方式：（1）图示分析题：给出碳循环或氧循环的示意图，要求判断图中各个箭头代表的生理过程（如光合作用、呼吸作用、燃烧、分解作用等）。（2）影响因素分析：分析哪些人类活动（如化石燃料的燃烧、森林砍伐、植树造林）会分别影响碳循环和氧循环的哪个环节，以及由此带来的环境问题。（3）简答题：简述自然界中二氧化碳和氧气是如何维持相对稳定的。（4）开放性试题：提出减缓温室效应的建议或措施。3、解题要点与易错点：（1）辨析不同过程：要能准确区分“光合作用”、“呼吸作用”、“燃烧”、“微生物分解”这几个核心概念在碳、氧循环中的作用。尤其注意微生物的分解作用是将有机物转化为二氧化碳，这是一个容易被忽略的释放二氧化碳的途径。（2）理解平衡与失衡：理解碳、氧循环是一个动态平衡过程，不是静止的。平衡被破坏的原因主要是人类活动，特别是化石能源的大量使用和森林植被的破坏。（3）把握循环实质：碳循环是碳元素在不同形态（无机物、有机物）和不同区域间的流动；氧循环是氧元素在单质（O₂）和化合物（CO₂、H₂O、有机物）之间的转化。（4）语言表述的准确性：在回答简答题时，要注意使用专业术语。例如，不能简单地说“植物需要二氧化碳，动物需要氧气”，而要表达为“绿色植物的光合作用吸收二氧化碳，释放氧气；动植物的呼吸作用吸收氧气，释放二氧化碳”。（三）拓展考点：与热点问题相结合的考查【热点】【难点】1、常见题型：通常以科普阅读题、材料分析题或探究题的形式出现，信息量大，考查信息提取、知识迁移和综合分析能力。2、考查方向：（1）“温室效应”专题：给出关于全球变暖、温室气体（二氧化碳、甲烷、氟氯烃等）、碳中和、碳达峰等背景材料。考查二氧化碳与温室效应的关系，分析其原理（二氧化碳吸收红外线，阻止热量散失），提出减缓措施（减少化石燃料使用、开发新能源、植树造林、低碳出行等）。需要区分“温室效应”与“全球变暖加剧”两个概念，前者是自然现象，后者主要是人为排放过量温室气体导致的。（2）“碳中和”与“碳达峰”：结合我国提出的“双碳”目标进行考查。要求解释“碳中和”（通过各种方式抵消自身产生的二氧化碳或温室气体排放量，实现正负抵消，达到相对“零排放”）和“碳达峰”（在某一个时点，二氧化碳排放量达到历史最高值，之后逐步回落）的含义，并分析为实现这些目标，个人和社会可以采取的行动。（3）海洋酸化：考查二氧化碳过量排放导致海洋酸化的问题。原理是过量的二氧化碳溶于海水，与水反应生成碳酸，使海水pH值降低，影响海洋生物（如珊瑚、贝类）外壳或骨骼的形成。（4）探究实验：可能考查二氧化碳的性质实验，如探究二氧化碳的溶解性、与水的反应、与石灰水的反应等。也可能考查光合作用与呼吸作用的对比实验，如在有光和无光条件下，绿色植物对二氧化碳和氧气含量的影响。3、解题要点与易错点：（1）提取关键信息：面对新材料，首先要快速阅读，找出与教材知识相关联的核心信息，如化学反应方程式、数据变化、专家观点等。（2）建立知识桥梁：将材料中的新情景与已学的碳循环、氧循环、温室效应、性质用途等知识建立联系。例如，看到“海洋酸化”立刻联想到二氧化碳溶于水生成碳酸。（3）规范作答：对于开放性措施建议，答案要具体、可行、有针对性。例如，“节约用纸”对应的是“保护森林资源，增强对二氧化碳的吸收”；“骑自行车出行”对应的是“减少化石燃料燃烧，减少二氧化碳排放”。避免回答空洞的口号。（4）辨析易混概念：区分“温室效应”与“臭氧层空洞”（成因和后果均不同）；区分“酸雨”（主要由二氧化硫和氮氧化物引起）与“海洋酸化”（主要由二氧化碳引起）。三、核心思维方法与学科素养（一）宏观辨识与微观探析学习本课时，要从宏观上认识二氧化碳的物理性质（颜色、状态、气味、密度、溶解性）和化学性质（不燃烧也不支持燃烧、与水反应、与石灰水反应）。同时，要从微观角度理解这些性质的本质：二氧化碳由CO₂分子构成，分子间的间隔决定了其密度；其与水反应生成了H₂CO₃分子，使溶液显酸性；与石灰水反应则是CO₂分子与Ca²⁺和OH⁻结合生成CaCO₃沉淀的过程。在理解碳氧循环时，要将其看作是碳、氧原子在无机物和有机物分子之间的迁移和转化过程。（二）变化观念与平衡思想自然界中的碳循环和氧循环是动态平衡的典范。要认识到大气中二氧化碳和氧气的含量并非一成不变，而是在各种“源”（产生过程）和“汇”（吸收过程）的共同作用下，处于一个长期的、相对稳定的波动范围内。人类活动打破了这种平衡，导致气候变化，这警示我们，维持生态系统的平衡对于人类的可持续发展至关重要。（三）证据推理与模型认知通过二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊的实验现象，推理出二氧化碳能与氢氧化钙反应生成沉淀的结论，这就是证据推理的过程。通过构建碳循环和氧循环的示意图模型，可以更直观、更系统地理解各个组成部分（生物、大气、水、岩石）之间的相互联系和物质流动，这是一种重要的模型认知方法。（四）科学探究与创新意识可以围绕二氧化碳的制备、性质、对环境影响等设计探究实验。例如，探究“不同条件下植物（如菠菜）进行光合作用或呼吸作用时，对密闭容器中二氧化碳浓度的影响”，可以设计有光照和无光照的对照实验，用二氧化碳传感器或简易方法（如用澄清石灰水检测）来观察现象，培养科学探究能力。（五）科学态度与社会责任通过对温室效应、碳中和等社会热点问题的学习，要认识到科学技术的进步既能造福人类，也可能带来环境问题。树立人与自然和谐共生的观念，增强环保意识，在日常生活中践行低碳生活方式，如节约用电、绿色出行、垃圾分类、节约用纸等，将知识学习升华为自觉的社会责任感和公民素养。四、典型例题与易错点剖析【例1】（基础题·性质用途对应）下列物质的用途，主要利用其化学性质的是（）A.干冰用于人工降雨B.金刚石用于裁玻璃C.铜用于制导线D.二氧化碳用于灭火【解析】本题主要考查物理性质和化学性质的区分。A选项干冰用于人工降雨是利用其升华吸热的物理性质；B选项金刚石用于裁玻璃是利用其硬度大的物理性质；C选项铜用于制导线是利用其导电性好的物理性质；D选项二氧化碳用于灭火，既利用了其密度比空气大的物理性质（隔绝氧气），也利用了其不燃烧也不支持燃烧的化学性质。题目问“主要利用其化学性质”，因此D选项正确，它依赖于二氧化碳不助燃这一化学性质。若题目改为“既利用物理性质又利用化学性质”，则D依然正确。【答案】D【易错点】对灭火原理理解不透彻，以为只利用了物理性质或只利用了化学性质，容易错选。【例2】（综合题·碳循环过程）右图是自然界中碳循环示意图（图略，此处用文字描述关键环节）。图中①表示植物的光合作用，②表示动物的呼吸作用，③表示微生物的分解作用，④表示化石燃料的燃烧。请分析并回答：（1）图中表示二氧化碳被消耗的过程是_____（填序号）。（2）图中表示二氧化碳被释放到大气中的过程是_____（填序号）。（3）近年来大气中二氧化碳含量逐年上升，你认为主要的人为原因是_____和_____。【解析】本题考查对碳循环各个环节的理解。（1）光合作用消耗二氧化碳和水制造有机物，是被消耗的过程，故①是消耗二氧化碳的过程。（2）呼吸作用、分解作用、燃烧都是将有机物转化为二氧化碳释放回大气的过程，故②③④都是释放二氧化碳的过程。（3）大气中二氧化碳含量上升的人为原因主要是两个：一是大量开采和使用煤、石油等化石燃料，向大气中排放了过多的二氧化碳（对应过程④加剧）；二是乱砍滥伐森林，使森林吸收二氧化碳的能力下降（对应过程①减弱）。【答案】（1）①（2）②③④（3）化石燃料的大量使用（或大量燃烧化石燃料）森林的破坏（或乱砍滥伐）【易错点】容易漏选③（微生物分解作用）或错将其归为消耗过程；对于人为原因的分析不够全面，只答出一个方面。【例3】（拓展题·热点话题“碳中和”）阅读下列材料，回答问题。材料：2020年9月，中国在第75届联合国大会上提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的目标。“碳中和”是指企业、团体或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，以抵消自身产生的二氧化碳排放量，实现二氧化碳“零排放”。（1）“碳达峰”中的“碳”指的是什么？“碳中和”中的“中和”二字体现了什么化学思想？（2）请从“碳循环”的角度，分析“植树造林”为什么能助力实现“碳中和”？（3）作为一名中学生，你能为“碳中和”目标的实现做些什么？（至少写出两条）【解析】本题紧密联系时事热点。（1）“碳达峰”中的“碳”通常指产生温室效应的主要气体——二氧化碳。“中和”二字体现了化学中“抵消”、“平衡”的思想，即通过增加吸收（汇）来抵消排放（源），使净排放为零。（2）植树造林能增加森林覆盖率，树木通过光合作用，吸收大气中的二氧化碳，并将其固定在植物体内和土壤中，从而降低了大气中二氧化碳的浓度，相当于增加了吸收二氧化碳的“汇”。（3）开放性题目，言之有理即可，但要具体、可行。例如：①节约用电，随手关灯，减少因发电而产生的二氧化碳排放。②多步行、骑自行车或乘坐公共交通工具，减少化石燃料燃烧。③积极参与植树造