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1、2022年高考化學(xué)一輪復(fù)習(xí) 碳的多樣性教案 魯科版必修1
1 碳單質(zhì)的多樣性
1.同素異形體
(1)同素異形體的概念:由同一種元素組成的性質(zhì)不同的幾種單質(zhì),叫做該元素的同素異形體。
(2)常見(jiàn)的同素異形體:碳:金剛石、石墨、C60;氧:氧氣、臭氧(O3)。
【領(lǐng)悟·整合】
由于同素異形體由同種元素構(gòu)成,所以同素異形體往往具有相似的化學(xué)性質(zhì);但由于組成同素異形體各種單質(zhì)的原子間連接的方式不同(即結(jié)構(gòu)不同),因此同素異形體的物理性質(zhì)往往有很大差別。
2.金剛石、石墨、C60
(1)結(jié)構(gòu)
①金剛石:每個(gè)碳原子與另外4個(gè)碳原子以一種較強(qiáng)的相互作用相連接,形成正四面體結(jié)構(gòu),向空間伸展
2、形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
②石墨:石墨晶體是層狀結(jié)構(gòu)。在同一層內(nèi),碳原子排列成正六邊形(碳原子位于正六邊形的頂點(diǎn)上),一個(gè)個(gè)正六邊形排列成平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),每一個(gè)碳原子都跟其他3個(gè)碳原子相連。在同一層內(nèi),相鄰的碳原子以較強(qiáng)的相互作用相結(jié)合,但層與層之間以一種較弱的相互作用相結(jié)合。
③C60:C60分子是由60個(gè)碳原子構(gòu)成的,它的形狀像足球,由12個(gè)正五邊形和20個(gè)正六邊形組成。分子內(nèi)部,碳原子間以較強(qiáng)的相互作用結(jié)合,但分子間的相互作用較弱。
(2)性質(zhì)
同素異形體
金剛石
石墨
C60
主要物理性質(zhì)
硬度大、熔沸點(diǎn)高
硬度小、熔沸點(diǎn)高,易導(dǎo)電
硬度小、熔沸點(diǎn)低
主要化學(xué)性質(zhì)
相
3、似,如在一定條件下都可與氧氣反應(yīng),生成CO2
【知識(shí)·鏈接】
① 昂貴的實(shí)驗(yàn):1797年英國(guó)化學(xué)家錢(qián)南為了測(cè)出金剛石的成分,做了一個(gè)非常昂貴的實(shí)驗(yàn)。他將金剛石放在密閉的、充滿氧氣的箱子里進(jìn)行燃燒(箱子是純金制的),結(jié)果卻令人非常意外-——子里的氣體成分竟然是二氧化碳。
② 碳-60家族:這一類(lèi)物質(zhì)的分子式可以表示為Cn,n為28到540之間的整數(shù)值,有C50、C60、C70、C84、C240等,科學(xué)家預(yù)言C540有可能實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo);也有設(shè)想將某些藥物置入C60球體空腔內(nèi),成為緩釋型的藥物。碳-60家族已經(jīng)廣泛地影響到物理、化學(xué)、材料科學(xué)、生命及醫(yī)藥科學(xué)各領(lǐng)域。
③碳納米管:碳納米管可分
4、單層及多層的碳納米管,它是由單層或多層同心軸石墨層卷曲而成的中空碳管。碳納米管非常微小,5萬(wàn)個(gè)并排起來(lái)才有人的一根頭發(fā)絲寬。利用碳納米管可以制成高強(qiáng)度碳纖維材料和復(fù)合材料,如其強(qiáng)度為鋼的100倍,重量則只有鋼的1/6,被科學(xué)家稱為未來(lái)的“超級(jí)纖維”。 碳納米管在航天、電子、儲(chǔ)氫等諸多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
2 廣泛存在的含碳化合物
1.常見(jiàn)的含碳化合物
(1)有機(jī)化合物:如蛋白質(zhì)、淀粉、油脂、以及石油、液化氣、天然氣等的主要成分;
(2)無(wú)機(jī)化合物:CO、CO2、H2CO3、碳酸鈉、碳酸氫鈉、大理石、方解石、白云石、菱鋅礦、菱鎂礦、菱鐵礦等。
2.碳酸鈉和碳酸氫鈉
(1)碳酸鈉和碳
5、酸氫鈉的比較
化學(xué)式
Na2CO3
NaHCO3
俗名
純堿、蘇打
小蘇打
色態(tài)
白色粉末
細(xì)小白色晶體
溶解性
易溶于水
較易溶于水(溶解度較Na2CO3小)
熱穩(wěn)定性
不易分解
受熱易分解2NaHCO3=Na2CO3+CO2↑+H2O
與HCl反應(yīng)
Na2CO3+2HCl=CO2↑+H2O(較快)
NaHCO3+HCl=CO2↑+H2O(劇烈)
與NaOH反應(yīng)
不反應(yīng)
HCO3-+OH-=CO32-+H2O
與CO2反應(yīng)
Na2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3
不反應(yīng)
用途
用于玻璃、肥皂、造紙、紡織等工業(yè);洗滌劑
發(fā)酵劑、滅火器
6、,醫(yī)療上用于治胃酸過(guò)多
(2)碳酸鈉和碳酸氫鈉的鑒別方法
①熱穩(wěn)定性不同。分別加熱少量固體,若發(fā)生分解反應(yīng),將產(chǎn)生的氣體通入澄清的石灰水中,石灰水變渾濁的原試劑是NaHCO3,另一個(gè)為Na2CO3。
②和酸反應(yīng)生成氣體的速率不同。分別取一定量的固體,加入等濃度等體積的鹽酸,反應(yīng)快、產(chǎn)生氣體相應(yīng)多的為碳酸氫鈉,另一個(gè)為碳酸鈉。
③陰離子不同。分別取其稀溶液,滴加氯化鋇稀溶液或CaCl2溶液,產(chǎn)生沉淀的原試劑為碳酸鈉,另一個(gè)為碳酸氫鈉(特別注意:該方法必須取極稀溶液)。
(3)Na2CO3和NaHCO3在一定條件下的相互轉(zhuǎn)化:
溶液中:NaHCO3+NaOH=Na2CO3+H2O, N
7、a2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3
固體中:NaOH+NaHCO3Na2CO3+H2O,2NaHCO3Na2CO3+CO2↑+H2O
【品思·感悟】
Na2CO3與鹽酸反應(yīng)是分步進(jìn)行的:Na2CO3+HCl=NaHCO3+NaCl, NaHCO3+HCl=CO2↑+H2O
(1)由于NaHCO3跟HCl反應(yīng)一步完成,所以NaHCO3跟HCl反應(yīng)比Na2CO3跟HCl反應(yīng)放出CO2的速率快。
(2)當(dāng)Na2CO3溶液與稀鹽酸反應(yīng)時(shí),加入試劑的次序不同,產(chǎn)生的現(xiàn)象不同.若往碳酸鈉溶液中滴加鹽酸,由于碳酸鈉的量多,而加入的酸(氫離子)少,第二步反應(yīng)尚未進(jìn)行,產(chǎn)生的氣體較少(有可能在
8、滴加的局部范圍內(nèi)完成二步反應(yīng),看到有氣體產(chǎn)生)。滴加一定量以后,溶液已轉(zhuǎn)化為碳酸氫鈉溶液,再加入鹽酸,很快反應(yīng)產(chǎn)生氣體,量也較多.若將碳酸鈉溶液滴加到鹽酸中,則情況大不一樣,試管中酸充足過(guò)量,滴入碳酸鈉溶液很快完成上述二步反應(yīng),因此很容易觀察到氣體產(chǎn)生。利用上述現(xiàn)象,可以不用任何試劑鑒別二者。
3碳及其化合物間的轉(zhuǎn)化
1.自然界中碳及其化合物的轉(zhuǎn)化
(1)碳及其化合物在自然界中的轉(zhuǎn)化示意圖
(2)模擬溶洞的形成
①溶洞的形成原理
石灰?guī)r的主要成分是碳酸鈣。碳酸鈣遇到溶有二氧化碳的水時(shí),會(huì)慢慢變成可溶于水的碳酸氫鈣[Ca(HCO3)2]。
當(dāng)受熱或壓強(qiáng)突然變小時(shí),水中碳酸氫鈣會(huì)
9、分解,重新變成碳酸鈣沉積下來(lái)。
在自然界里不斷發(fā)生上述反應(yīng),石灰?guī)r逐漸變成碳酸氫鈣而溶解掉,形成溶洞;碳酸氫鈣不斷分解,生成的碳酸鈣逐漸沉積,形成千姿百態(tài)的鐘乳石、石筍和石柱。
②實(shí)驗(yàn)報(bào)告:
實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄咳芏吹男纬稍?
實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備:將CO2通入澄清石灰水中,得到CaCO3白色沉淀,備用。
實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)記錄:
實(shí)驗(yàn)步驟
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
化學(xué)方程式
向得到的懸濁液中繼續(xù)通入足量的CO2氣體
CaCO3白色沉淀逐漸溶解
CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2
將所得溶液小心加熱
溶液重新變渾濁并冒出氣泡
Ca(HCO3)2CaCO3↓+CO2+H2O
【梳理
10、·總結(jié)】
自然界在永不停息的進(jìn)行著碳的轉(zhuǎn)化,這種轉(zhuǎn)化形式多種多樣,速度也有快有慢,總體上處于平衡狀態(tài)。
但是,由于現(xiàn)代化工業(yè)社會(huì)過(guò)多燃燒煤炭、石油和天然氣,這些燃料燃燒后放出大量的二氧化碳?xì)怏w進(jìn)入大氣,破壞了這種平衡,造成了“溫室效應(yīng)”。
2.生產(chǎn)和生活中碳及其化合物間的轉(zhuǎn)化
(1)高爐煉鐵
原料:焦炭、鐵礦石;高爐煤氣的主要成分:CO、CO2、Fe2O3、N2等;
CO生成的化學(xué)方程式: C+O2CO2;C+CO2 2CO
還原鐵的氧化物的化學(xué)方程式:Fe2O3 +3CO2 Fe +3CO2
(2)木炭燃燒:C+O2= CO2 2C+O2=2CO 2CO+O
11、2=2CO2 C+CO2 =2CO
生成水煤氣的化學(xué)方程式為:C+H2OCO+H2
【聯(lián)想·發(fā)散】
碳作還原劑的特殊性
碳作還原劑,溫度越高,還原性越強(qiáng),在反應(yīng)中碳的氧化產(chǎn)物可以是CO2和CO。
當(dāng)溫度較低時(shí)(理論上小于710℃),碳傾向生成穩(wěn)定的CO2(如:實(shí)驗(yàn)室用C還原CuO),一般溫度超過(guò)1000℃,只要有固態(tài)碳存在,生成的氣體是CO.而CO作還原劑,溫度越低還原性越強(qiáng),如CO只有在低于600℃時(shí),才能還原FeO,所以在高爐中主要的出鐵反應(yīng)是在爐體上部(低溫區(qū))發(fā)生的。
(3)水垢的形成:
① 有關(guān)化學(xué)方程式為:Ca(HCO3)2CaCO3 ↓+CO2↑+H2O
② 如何除去水壺中的水垢?加入醋酸,可以將CaCO3物質(zhì)等溶解。
(4)無(wú)機(jī)化合物與有機(jī)化合物間的轉(zhuǎn)化
1828年,德國(guó)化學(xué)家維勒用無(wú)機(jī)物氰酸銨合成出有機(jī)化合物——尿素,打破了無(wú)機(jī)物和有機(jī)物之間的界限。碳及其化合物的轉(zhuǎn)化,對(duì)人的生活、生產(chǎn)來(lái)說(shuō)意義重大。