《弯道超车》第六单元 课题1碳单质的多样性人教版化学九年级暑期预习讲义（教师版）

《弯道超车》人教版化学九年级暑期预习讲义--第六单元碳和碳的氧化物第1讲碳单质的多样性知识梳理知识梳理一、碳的几种常见单质1.金刚石（1）结构：碳原子呈正八面体立体网状结构，原子结合牢固。（2）物理性质：无色透明、正八面体固体；天然存在硬度最大的物质；几乎不导电、导热性差。（3）用途：裁玻璃、切割大理石、钻探机钻头；打磨后做钻石（装饰品）。2.石墨（1）结构：碳原子呈层状平面排列，层与层之间作用力弱，容易滑动。（2）物理性质：深灰色、有金属光泽、细鳞片状固体；质软，有滑腻感；导电性、导热性良好；熔点高。（3）用途：铅笔芯（质软，刻画留痕）、石墨电极、石墨电刷、高温润滑剂。3.木炭、活性炭、焦炭、炭黑（无定形碳，混合物）均由微小石墨晶体+杂质构成，具有疏松多孔结构，吸附性强。木炭：燃料、吸附色素异味；活性炭：吸附能力更强，用于净水、防毒面具滤毒罐、冰箱除味、脱色；焦炭：冶金工业炼铁；炭黑：制墨、油漆、橡胶填充剂（增强耐磨性）。4.C60（富勒烯）（1）结构：60个碳原子构成足球状分子（足球烯），分子形式存在。（2）性质、用途：特殊光电性能，用于超导材料、催化、生物医药材料研究。5.新型碳单质（碳纳米管、石墨烯）碳原子呈管状/单层片状排列，强度极高、导电导热性能优异，用于航空航天、电子器件、高端复合材料。6.金刚石与石墨的转化在高温、高压、催化剂条件下，石墨可以转化为金刚石；该变化有新单质生成，属于化学变化（原子排列结构发生改变）。7.碳单质的物理性质差异原因金刚石、石墨、都是碳元素组成的单质，但碳原子的排列方式不同，因此物理性质不同；物质的结构决定性质，性质决定用途。考点突破考点突破【典例精析】【例题1】金刚石、石墨、和碳纳米管都是重要的碳单质(化学结构如下图所示)。下列有关说法中，正确的是A．这四种物质之间的相互转化是物理变化B．这四种物质都是由碳元素组成的同一种物质C．这四种物质中碳原子之间形成的化学结构不同D．这四种物质在氧气中完全燃烧后的产物是不同的【答案】C【详解】A、四种物质属于不同的碳单质，相互转化时有新物质生成，属于化学变化，该选项错误；B、四种物质都由碳元素组成，但碳原子排列方式不同，属于不同的物质，该选项错误；C、由所给结构示意图可看出，四种物质的碳原子排列结构不同，即化学结构不同，该选项正确；D、四种物质都是碳单质，在氧气中完全燃烧的产物均为二氧化碳，产物相同，该选项错误。【举一反三】【变1-1】下列说法不正确的是A．活性炭吸附能除去河水中所有杂质B．二氧化硫是空气污染物之一C．硫在氧气中燃烧，发出明亮蓝紫色火焰D．金刚石是天然存在最硬的物质，可用来裁切玻璃【答案】A【详解】A.活性炭具有疏松多孔的结构，仅能吸附河水中的色素、异味等部分杂质，无法去除可溶性无机盐、微生物等所有杂质，说法错误。B.二氧化硫是常见空气污染物，是引发酸雨的主要污染物之一，说法正确。C.硫在氧气中燃烧时，会发出明亮的蓝紫色火焰，同时生成有刺激性气味的气体，说法正确。D.金刚石是天然存在的硬度最高的物质，因此可制作玻璃刀用于裁切玻璃，说法正确。【变1-2】下列物质的用途与性质对应正确的是A．石墨作电极利用其硬度大B．金刚石用于电钻的钻头利用其吸附性强C．活性炭在防毒面具中吸附毒气利用其导电性好D．木炭用作燃料利用其具有可燃性【答案】D【详解】A.石墨作电极是利用其优良的导电性，且石墨质软硬度小，性质和用途不匹配；B.金刚石是自然界天然存在的硬度最大的物质，用作钻头是利用其硬度大的性质，金刚石无吸附性，性质和用途不匹配；C.活性炭结构疏松多孔，具有强吸附性，防毒面具中吸附毒气是利用其吸附性，和导电性无关，性质和用途不匹配；D.木炭具有可燃性，燃烧时释放大量热量，可用作燃料，性质和用途匹配。知识梳理知识梳理二、碳单质的化学性质（常温稳定，高温活泼）1.常温下，碳的化学性质稳定碳原子最外层4个电子，不易得失电子，常温不易与其他物质反应。生活实例：①古代字画（墨由炭黑制成）历经千年不褪色；②木质电线杆埋入地下部分烧焦碳化，耐腐蚀、不易腐烂。2.可燃性（碳与氧气反应，可用作燃料）氧气充足，充分燃烧：（放热，生成二氧化碳）氧气不足，不充分燃烧：（放热，生成有毒一氧化碳）提醒：密闭空间烧木炭易产生CO，引发中毒。3.还原性（高温下，碳夺取氧化物中的氧，作还原剂）（1）碳还原氧化铜（木炭还原氧化铜实验）反应：实验现象：黑色固体逐渐变为光亮红色；生成气体使澄清石灰水变浑浊。用途：冶金，冶炼金属。（2）碳还原氧化铁（工业炼铁原理之一）（3）碳与二氧化碳的反应（吸热反应）应用：煤炉中层反应，二氧化碳和炽热碳生成一氧化碳。考点突破考点突破【典例精析】【例2】如图是高温条件下碳和氧化铜的反应装置和反应过程生成二氧化碳气体的图像，下列说法不正确的是A．OA段没达到两者反应温度B．B点处试管中有2种固体物质C．AC段（不含A和C点）全段试管内碳和氧元素质量皆减少D．CD段试管内元素质量分数不变【答案】B【详解】A.OA段没有生成，说明温度未达到碳和氧化铜的反应温度，反应未开始，A正确。B.反应原理为：。B点位于AC段，反应正在进行中，此时试管内既有未反应完的、，也有生成的，共3种固体物质，B错误。C.AC段反应持续进行，生成的不断逸出，含有C、O元素，因此试管内的碳、氧元素质量均减少，C正确。D.CD段反应已经结束，不再有气体逸出，试管内固体总质量不变，元素质量恒定，因此元素的质量分数不变，D正确。【举一反三】【变2-1】某化学兴趣小组同学对碳还原氧化铜的气体产物成分进行探究。取a克木炭与8.0克氧化铜混合加热，充分反应后固体中只有铜。下列说法错误的是A．化合价发生变化的元素有碳元素和铜元素B．加热固体前要先通排净装置中的空气C．装置A中固体减少的质量是氧化铜中氧元素的质量D．若生成的气体为混合物，则a的取值范围是0.6g<a<1.2g【答案】C【详解】A.反应中碳元素化合价从0价变为+2价（）或+4价（），铜元素从+2价变为0价，二者化合价均发生变化，说法正确；B.加热前通N2排净空气，可避免空气中的O2与碳反应、CO2干扰气体产物检验，说法正确；C.装置A中固体减少的质量是参加反应的碳的质量与氧化铜中失去的氧元素的质量之和（即生成气体二氧化碳和一氧化碳的总质量），并非只有氧化铜中氧元素的质量，说法错误；D.若仅生成，根据反应关系可知，8.0g完全反应消耗碳的质量为；若仅生成，根据反应关系可知，8.0g完全反应消耗碳的质量为；若气体为混合物，a的取值范围是0.6<a<1.2，说法正确。【变2-2】“碳海绵”具备高弹性和疏松多孔的结构，主要成分为石墨烯和碳纳米管(两者都是碳单质)。关于“碳海绵”说法正确的是A．常温下易与氧气反应 B．在一定条件下可还原氧化铜C．“碳海绵”属于纯净物 D．在氧气中燃烧的产物只能是【答案】B【详解】A、碳海绵主要成分为碳单质，碳在常温下化学性质稳定，不易与氧气反应，该选项说法错误；B、碳具有还原性，在高温下可还原氧化铜，该选项说法正确；C、碳海绵由石墨烯和碳纳米管等不同碳单质组成，属于混合物，该选项说法错误；D、碳在氧气中燃烧，充分燃烧生成CO2，不充分燃烧可能生成CO，产物不唯一，该选项说法错误。故选B。专项练习专项练习【练1】石墨是制造新能源汽车电池的主要原料。下列对金刚石、石墨的描述中错误的是A．元素种类相同 B．相互转化属于化学变化C．充分燃烧后的产物相同 D．碳原子的结构不同【答案】D【详解】A.金刚石和石墨都是碳元素组成的单质，因此元素种类相同，正确；B.金刚石和石墨是两种不同的物质，相互转化有新物质生成，属于化学变化，正确；C.石墨和金刚石均是碳单质，碳单质完全燃烧的产物均是二氧化碳，正确；D.金刚石和石墨均是由碳原子构成，但是碳原子的排列方式不同，故物理性质存在差异，碳原子本身的结构相同，错误。【练2】化学观念是认识物质及其变化的基础。下列说法不正确的是A．微粒观：同种原子构成的物质不一定是纯净物B．转化观：石墨在一定条件下可转化成金刚石，这属于物理变化C．结构观：由于碳原子的排列方式不同，造成金刚石、石墨的物理性质明显不同D．守恒观：16g硫与16g氧气充分反应，生成32g二氧化硫【答案】B【详解】A.同种原子可构成不同单质，如金刚石和石墨均由碳原子构成，二者混合后为混合物，因此同种原子构成的物质不一定是纯净物，正确。B.石墨和金刚石是两种不同的物质，石墨转化为金刚石有新物质生成，属于化学变化，错误。C.金刚石、石墨都由碳原子构成，二者物理性质差异明显的原因是碳原子的排列方式不同，正确。D.硫燃烧反应的化学方程式为，反应中硫、氧气、二氧化硫的质量比为，因此16g硫与16g氧气恰好完全反应，生成32g二氧化硫，符合质量守恒定律，正确。【练3】下列过程主要发生化学变化的是A．木炭放入红棕色二氧化氮瓶中 B．金刚石裁玻璃C．石蜡受热熔化 D．石墨制金刚石【答案】D【详解】A、木炭放入二氧化氮瓶中，利用木炭的吸附性吸附气体，没有新物质生成，属于物理变化。B、金刚石裁玻璃，利用金刚石硬度大的性质，仅改变玻璃的形状，无新物质生成，属于物理变化。C、石蜡受热熔化，仅物质状态由固态变为液态，无新物质生成，属于物理变化。D、石墨和金刚石是结构不同的两种碳单质，属于不同物质，石墨制金刚石有新物质生成，属于化学变化。【练4】2026年，中德某联合研究小组设计制造了一种微观“水瓶”——用富勒烯(C100)的球形笼子作“瓶体”，一种磷酸盐作“瓶盖”，恰好可将一个水分子关在里面。下列说法正确的是A．C60在自然界中大量存在，可直接开采得到B．C60在氧气中充分燃烧生成二氧化碳C．磷酸钙［］中氧元素属于金属元素D．打开“瓶盖”释放水分子属于化学变化【答案】B【详解】A.在自然界中含量极低，无法直接大量开采获得，错误。B.属于碳单质，碳单质在氧气中充分燃烧只生成二氧化碳，正确。C.氧元素属于非金属元素，磷酸钙中仅钙元素为金属元素，错误。D.释放水分子的过程无新物质生成，属于物理变化，错误。【练5】梵塔黑是一种超黑涂层材料，其核心成分是碳纳米管，对可见光的吸光率高达99.965%，可用于改进光学仪器的灵敏度，也可用于军事用途。下列说法中错误的是A．梵塔黑的核心成分属于新型碳单质B．梵塔黑核心成分中碳元素的化合价为0价C．梵塔黑的核心成分、金刚石、石墨、都是由碳原子构成的D．梵塔黑可用于军事伪装，使军用装备在光学探测下难以被发现【答案】C【详解】A.梵塔黑核心成分为碳纳米管，是由碳元素组成的纯净物，属于新型碳单质，正确。B.单质中元素化合价为0，因此碳纳米管中碳元素化合价为0价，正确。C.金刚石、石墨、碳纳米管由碳原子直接构成，但是由分子构成的，错误。D.梵塔黑对可见光吸光率高达99.965%，几乎不反射光，可用于军事伪装，使装备难以被光学探测发现，正确。【练6】下列物质的用途中错误的是A．石墨用于高铁列车的受电弓滑板B．炭黑用于玻璃刀C．C60用于超导、催化等领域D．氧气用于炼钢A． B． C． D．【答案】B【详解】A：石墨具有优良导电性、润滑性且耐高温，适合做高铁受电弓滑板，正确。B：炭黑硬度很小，无法切割玻璃；玻璃刀的切割部分为硬度极高的金刚石，错误。C：具有特殊的分子结构，可应用于超导、催化等领域，正确。D：氧气具有氧化性，炼钢时通入氧气可除去生铁中过量的碳等杂质，正确。【练7】科学家合成了一种形似“分子锁链”的新型碳结构C48，有望为电子器件和量子科技领域提供革命性的新材料。下列关于C48说法正确的是A．是一种新型的有机化合物 B．常温下化学性质活泼C．完全燃烧后生成二氧化碳 D．与石墨是同种物质【答案】C【详解】A.有机化合物是含碳元素的化合物（碳的氧化物、碳酸盐等特例除外），属于单质，不属于化合物，因此不是有机物，A错误。B.碳单质常温下化学性质稳定，不易发生化学反应，B错误。C.根据质量守恒定律，仅含碳元素的物质完全燃烧时，产物只有二氧化碳，C正确。D.与石墨的碳原子排列方式不同，是结构不同的两种碳单质，不属于同种物质，D错误。【练8】下列化学用语及认识中正确的是A．60个碳原子：B．在水中解离出的阳离子：C．金刚石、石墨、碳纳米管的化学性质相似D．镁在氧气中燃烧的化学反应方程式：【答案】C【详解】A.原子用元素符号表示，多个原子就是在元素符号前面加上相应的数字，故60个碳原子表示为：60C，错误；B.在水中解离出的阳离子是，不存在这种离子，错误；C.金刚石、石墨、碳纳米管都是由碳原子构成，化学性质相似，但是碳原子的排列方式不同，故物理性质差异很大，正确；D.镁在氧气中燃烧生成氧化镁，氧化镁的化学式错误，正确的化学方程式为：，错误。【练9】一定质量的碳与过量氧气在密闭容器内加热使其充分反应。图中能正确反映容器内有关量随时间变化关系的图像是A． B．C． D．【答案】D【分析】反应原理为碳在过量氧气中充分燃烧：【详解】A.氧气过量，碳会完全反应，最终碳的质量应为0，图像显示碳有剩余，错误。B.反应初始还未生成二氧化碳，二氧化碳质量的起点应为0，图像起点不为0，错误。C.氧气过量，反应结束后仍有氧气剩余，最终氧气质量不为0，图像显示氧气最终耗尽，错误。D.密闭容器内的化学反应遵守质量守恒定律，反应前后所有物质的总质量保持不变，图像符合规律，正确。【练10】2026年春晚节目《武BOT》中机器人芯片使用高纯硅制造。工业上用来制取粗硅，下列说法正确的是A．生成CO的原因是不足 B．该反应为化合反应C．硅元素在地壳中的含量最高 D．该反应体现了C的还原性【答案】D【详解】A、该反应没有氧气参与，生成一氧化碳不是因为氧气不足，故选项说法错误；B、该反应是一种单质和一种化合物生成另一种单质和另一种化合物，不属于化合反应，故选项说法错误；C、地壳中元素含量前四位为氧、硅、铝、铁，含量最高的是氧元素，故选项说法错误；D、该反应中C夺取SiO2中的氧元素，体现了C的还原性，故选项说法正确。故选：D。【练11】工业上用金红石(主要成分为TiO2)制备金属钛的工艺流程如图所示，根据流程，回答下列问题。已知：Ti、Mg在高温条件下与空气中的O2、CO2等发生反应。(1)制备前，常要对焦炭和金红石进行粉碎处理，其目的是______。(2)氯化炉中的反应为TiO2+2C+2Cl2TiCl4+2X，则X的化学式为_____。(3)还原炉中，高温条件下生成金属钛的化学方程式为_____。还原炉中需要通入氩气(或惰性气体)，其主要作用是_____。(4)如表是MgCl2和Ti的沸点数据。蒸馏炉中，控制温度(T/℃)范围为_____，便于将MgCl2和海绵钛充分分离。物质MgCl2Ti沸点/℃14123287(5)该工艺中，电解池生成的Mg和Cl2可循环利用。从绿色化学角度分析，该循环设计的优点是______(写出一点即可)。【答案】(1)增大接触面积，使反应更充分(2)CO(3)TiCl4+2Mg2MgCl2+Ti作保护气，防止Ti、Mg被氧化(合理即可)(4)1412℃＜T＜3287℃(5)节约原料(合理即可)【详解】（1）粉碎固体可增大反应物的接触面积，从而提高反应速率，让反应更完全；（2）根据质量守恒定律，反应前后原子种类、数目不变。反应物中Ti、O、C、Cl原子数分别为1、2、2、4，生成物已知部分含1个Ti、4个Cl，故2X含2个C、2个O，推得X为CO；（3）镁在高温下置换出四氯化钛中的钛，生成钛和氯化镁，反应的化学方程式为：TiCl4+2Mg2MgCl2+Ti；氩气化学性质稳定，可隔绝空气，避免活泼的Mg、Ti在高温下与空气成分反应；（4）蒸馏分离要求氯化镁汽化、钛不汽化，因此温度需高于氯化镁的沸点1412℃，低于钛的沸点3287℃；（5）循环利用产物可以减少新原料投入，同时减少废弃物排放，符合绿色化学的要求。【练12】如图是木炭还原氧化铜的实验装置图。请回答下列问题：(1)加热试管时，试管①中发生的化学反应方程式为________，从得氧失氧的角度分析，该过程中CuO发生了________反应。(2)加热一段时间后，试管②中观察到的现象是________。(3)实验结束时，应先将导管从右侧试管中撤出，再熄灭酒精灯原因是________。(4)待左侧试管冷却后再把试管里的粉末倒出，这样操作的原因是________。【答案】(1)还原(2)澄清石灰水变浑浊(3)防止澄清石灰水倒吸入热的试管，使试管炸裂(4)防止高温的铜重新被氧化【详解】（1）碳和氧化铜在高温条件下反应生成铜和二氧化碳，反应的化学方程式为：；该反应中，氧化铜失去了氧，则氧化铜发生了还原反应。（2）碳和氧化铜在高温条件下反应生成铜和二氧化碳，因此试管②中澄清石灰水变浑浊。（3）略。（4）略。【练13】碳与碳的化合物在工农业生产及日常生活中有广泛的用途。(1)图1是碳原子结构示意图，碳原子的最外层电子数为______。(2)图2、图3、图4对应的三种碳单质中，由分子构成的是______（填图序），其物理性质存在差异的原因______。(3)如图5是木炭和氧化铜反应的实验装置，木炭还原氧化铜的化学方程式是____。(4)在“一带一路”倡议中，代表中国制造的高铁走在了世界的前列。高铁电力动车与电路连接的石墨电刷没有用到的石墨的性质是（填序号）。A．滑腻感 B．还原性 C．导电性【答案】(1)4(2)图2碳原子排列方式不同(3)(4)B【详解】（1）由原子结构示意图的意义可知，碳原子最外层电子数为4；（2）图2为足球状的C60，C60由C60分子构成；碳单质物理性质差异因碳原子排列方式不同；（3）木炭和氧化铜在高温条件下生成铜和二氧化碳，反应的化学方程式是：；（4）动车的运行是依靠顶部的石墨电刷与电线接触获取电源，使用石墨制作电刷不仅因为石墨能耐高温、化学性质稳定、具有滑腻感，还利用了石墨的导电性，与碳单质的还原性无关，故选B。【练14】某中学化学兴趣小组按照课本实验方法（如图甲），做木炭与氧化铜反应实验时，发现很难观察到紫红色铜的生成，却往往有暗红色固体出现。他们决定对这个实验进行探究和改进。【提出问题】暗红色的固体是什么？如何选择合适的条件，使木炭还原氧化铜的实验现象更明显？【查阅资料】铜有+1和+2两种化合价，通常情况下，氧的化合价为-2，碳的化合价为+4或-4。【猜想与假设】(1)同学们认为这种暗红色固体可能是一种化合物，并猜测它的化学式为___________。同学们还认为，通过改变反应物的状态、质量比，以及反应装置，可以使该实验现象更加明显，减少出现暗红色固体的情况。【分析与交流】(2)对下列三种氧化铜和炭的质量比例，小施建议选择_______（填选项序号）的比例。A．32:3 B．40:3 C．48:3【实验与结论】(3)同学们决定按改进后的方案进行实验，他们在检验了乙装置的__________后，往试管中加入已干燥的药品并开始加热，当看到澄清的石灰水刚出现浑浊时，___________（填“可以”或“不能”）确定氧化铜和炭粉已经开始反应。(4)不久，即可看到试管底部变红热，停止加热后，仍能看到红热现象，并沿试管底部自下而上蔓延，这