高中化学 第三章 自然界中的元素 第1节 碳的多样性学案 鲁科版必修1.doc

第1节碳的多样性1碳单质的多样性(1)三种重要的碳单质碳元素有多种单质，其中较有代表性的是金刚石、石墨和C60。它们的性质比较如下：单质金刚石石墨C60结构特点碳原子的排列方式每个碳原子均与相邻的四个碳原子以强的相互作用直接连接，形成正四面体结构，并向空间伸展形成空间网状结构碳原子呈层状排列，每一层上的碳原子以强的相互作用形成平面正六边形结构；层与层之间的相互作用较弱，容易发生相对滑动由60个碳原子构成的分子，形似足球，碳原子在球的表面，呈正六边形和正五边形排列。在C60分子内碳原子间以较强的相互作用结合，但分子间的相互作用较弱主要性质硬度极高无色透明的晶体熔点高、不导电深灰色、质软、不透明的片状固体易导电具有滑腻感灰黑色的固体易与金属掺杂形成超导体主要用途钻具、装饰品润滑剂、电极、铅笔芯新型催化剂或催化剂载体(2)同素异形体同素异形体是由同一种元素组成的性质不同的几种单质。例如：氧元素可形成氧气(O2)、臭氧(O3)两种同素异形体；碳元素有金刚石、石墨、C60等多种同素异形体；磷元素有红磷和白磷两种同素异形体。释疑点 剖析同素异形体：“同素”指同种元素，“异形”指结构不同，“体”指单质。金属元素无同素异形体，部分非金属元素有同素异形体。同素异形体的形成原因是由于形成单质的原子个数及排列方式不同。同素异形体的物理性质不同，化学性质几乎相同。同素异形体之间的转化是化学变化而不是物理变化。该转化过程虽有单质参加和生成，但没有化合价的变化，故不属于氧化还原反应，如3O22O3。【例11】 下列叙述中正确的是()A仅由碳元素组成的物质一定是纯净物B金刚石和石墨具有相同的化学组成C石墨转变为金刚石不属于化学变化D只含有碳元素的物质可能是单质也可能是化合物解析：仅由同一元素组成的性质不同的几种单质，叫该元素的同素异形体。单质与单质之间为不同的物质，因而仅由一种元素组成的物质可能是纯净物，也可能是混合物，例如金刚石为纯净物，而金刚石、石墨、C60混在一起就为混合物。既然金刚石和石墨属于不同的单质，因而它们之间的转化属于化学变化。由于都是由碳原子构成的单质，所以金刚石和石墨具有相同的化学组成，也具有相同的化学性质。答案：B【例12】 下列说法中正确的是()A金刚石、石墨和C60性质不同的根本原因是所含碳原子的数目不同B金刚石、石墨和C60在氧气中完全燃烧都生成二氧化碳CC60和P4互为同素异形体DH2O和H2O2互为同素异形体解析：金刚石、石墨和C60性质不同的根本原因是结构不同，与所含碳原子数的多少无关，A项错误；同素异形体是由同种元素组成的不同单质，而C60和P4是由不同元素组成的不同单质，故二者不属于同素异形体，C项错误；H2O和H2O2属于化合物而非单质，D项错误。答案：B2.含碳化合物的多样性(1)自然界中广泛存在的含碳化合物含碳的有机化合物：如蛋白质、淀粉、油脂以及石油、液化气、天然气等的主要成分。含碳的无机化合物：CO、CO2、H2CO3、碳酸钠(Na2CO3)、碳酸氢钠(NaHCO3)、大理石(CaCO3)、方解石(CaCO3)、白云石CaMg(CO3)2、菱镁矿(MgCO3)、菱铁矿(FeCO3)等。(2)碳的氧化物碳的氧化物有CO和CO2两种，二者的性质比较如下表：(3)碳酸钠(Na2CO3)和碳酸氢钠(NaHCO3)碳酸钠和碳酸氢钠的主要物理性质化学式NaHCO3Na2CO3Na2CO310H2O学名碳酸氢钠碳酸钠十水合碳酸钠俗名小苏打纯碱或苏打结晶碳酸钠状态细小晶体粉末晶体颜色白色白色白色溶解度比较易溶于水比NaHCO3的溶解度还大比Na2CO3的溶解度还大碳酸钠、碳酸氢钠与盐酸反应的比较实验操作：如下图所示(装置气密性合格)，在两支试管中分别加入3 mL稀盐酸，将两个分别装有0.3 g Na2CO3和0.3 g NaHCO3粉末的小气球套在两支试管口。将气球内的Na2CO3和NaHCO3同时倒入试管中，观察反应现象。实验现象：a.两组化学试剂分别混合后都产生无色气体，气球体积膨胀；b.装有碳酸氢钠的气球比装有碳酸钠的气球膨胀得快且大。实验结论：碳酸钠和碳酸氢钠都能跟盐酸反应并产生气体，并且碳酸氢钠与盐酸的反应要比碳酸钠与盐酸的反应剧烈得多。结论分析：碳酸钠与盐酸的反应实际分两步进行，即Na2CO3HCl=NaHCO3NaClNaHCO3HCl=NaClCO2H2O因此，碳酸钠与盐酸反应时，首先是将碳酸钠转化为碳酸氢钠，然后碳酸氢钠再与盐酸反应产生二氧化碳气体，由此可知，相对于碳酸氢钠直接与盐酸反应产生二氧化碳气体而言，碳酸钠就显得“慢了一步”。实验注意事项：a两组实验所用盐酸的浓度、体积相同，Na2CO3和NaHCO3的质量相同以便于对比；b.进行实验时，要同时把碳酸钠和碳酸氢钠与盐酸混合。析规律 复分解反应的剖析：碳酸钠和碳酸氢钠与盐酸的反应都属于复分解反应，复分解反应发生的条件是产物中有沉淀生成或有气体产生或有难电离的物质(或原子团)生成。【例21】 在饱和碳酸钠溶液中加入稀盐酸，边加边搅拌，最初无气体产生，溶液变浑浊，其原因是_，反应的化学方程式为_。继续滴加稀盐酸有气体放出，溶液变澄清，其原因是_ _，反应的化学方程式为_。解析：相同条件下，Na2CO3的溶解度大于NaHCO3，当在饱和Na2CO3溶液中滴加稀盐酸时，发生反应：Na2CO3HCl=NaClNaHCO3，由于Na2CO3的溶解度大于NaHCO3的溶解度，因而析出NaHCO3晶体。继续加入盐酸时，发生反应：NaHCO3HCl=NaClH2OCO2，NaCl的溶解度较大，溶液澄清，生成CO2气体。答案：Na2CO3与盐酸反应生成NaHCO3，相同条件下NaHCO3溶解度比Na2CO3小，从而析出NaHCO3晶体Na2CO3HCl=NaHCO3NaClNaHCO3与盐酸反应生成CO2气体和NaCl，NaCl的溶解度比NaHCO3大NaHCO3HCl=NaClCO2H2O碳酸钠和碳酸氢钠的热稳定性实验操作：如下图所示(装置气密性合格)，把少量Na2CO3装入试管里，往另一支试管里倒入澄清石灰水，然后加热，观察澄清石灰水是否起变化。换上一支放入同样多的NaHCO3的试管，加热，观察澄清石灰水的变化。实验现象：碳酸钠受热没有变化，碳酸氢钠受热生成了使澄清石灰水变浑浊的气体。实验结论：碳酸钠比碳酸氢钠稳定，碳酸氢钠受热易分解，分解时的化学方程式为2NaHCO3Na2CO3CO2H2O。实验注意事项：a.被加热的试管要内、外干燥，试管口稍向下倾斜，铁夹夹在距试管口处；b.实验装置在装入药品之前要检查其气密性，只有气密性合格才能使用；c.药品在试管内要铺平而不要过于堆积；d.实验结束时，先将导气管从石灰水中取出，然后再熄灭酒精灯停止加热。碳酸钠和碳酸氢钠与碱的反应实验操作：将Na2CO3和NaHCO3分别加入含等量NaOH的溶液中，并用pH试纸测反应后溶液的pH。实验现象：加入Na2CO3后的溶液的pH几乎不变，且大于加入NaHCO3后溶液的pH。实验结论：Na2CO3与NaOH不反应，NaHCO3与NaOH反应。反应原理：NaHCO3NaOH=Na2CO3H2O。Na2CO3和NaHCO3与Ca(OH)2的反应：将Na2CO3和NaHCO3分别加入含等量Ca(OH)2的澄清溶液中，两溶液中都产生白色沉淀。反应原理分别为：Na2CO3Ca(OH)2=2NaOHCaCO3，2NaHCO3Ca(OH)2=CaCO3Na2CO32H2O(NaHCO3足量)。离子方程式：COCa2=CaCO3，2HCOCa22OH=CaCO3CO2H2O。碳酸钠和碳酸氢钠与某些盐溶液的反应实验操作：如下图所示，向盛有少量BaCl2溶液的两支试管中，分别滴入少许Na2CO3溶液和NaHCO3溶液，观察现象。实验现象：滴入Na2CO3溶液的试管中产生白色沉淀，而滴入NaHCO3溶液的试管中无明显现象。实验结论：Na2CO3溶液可与BaCl2溶液反应，而NaHCO3不能。化学方程式：Na2CO3BaCl2=BaCO32NaCl离子方程式：COBa2=BaCO3【例22】 有相同质量的两份NaHCO3粉末，第一份加入足量的盐酸，第二份先加热使其完全分解，冷却后，再加入足量的相同质量分数的盐酸，两者所消耗的盐酸中氯化氢的质量比是()A21B11C12 D41解析：设两份NaHCO3的质量都为84 g，第一份：NaHCO3HCl=NaClH2OCO284 g 36.5 g第二份：2NaHCO3Na2CO3CO2H2O 84 g 53 gNa2CO32HCl=2NaClH2OCO2106 7353 g 36.5 g由以上分析可以看出，两份NaHCO3消耗的盐酸中所含HCl的质量之比为11。本题也可从另外一个角度来分析：NaHCO3受热时，钠元素完全转化到Na2CO3中，NaHCO3和Na2CO3分别与HCl反应时，都得到NaCl，由于钠元素的质量相等，则生成的NaCl的质量相同，消耗HCl的量也相同。答案：B3含碳物质转化的多样性(1)自然界中碳及其化合物的转化自然界中能够释放出CO2的过程有：火山喷发；化石燃料的燃烧；森林、草原燃烧；动植物的呼吸排泄；动植物遗体经微生物分解等。自然界中能够消耗CO2的过程有：绿色植物的光合作用；在海水中的溶解等。转化过程可用图表示：具体实例：溶洞的形成原理：石灰岩的主要成分是碳酸钙，碳酸钙遇到溶有二氧化碳的水时，会慢慢变成可溶于水的碳酸氢钙。当溶有碳酸氢钙的水在流动过程中，受热或压强突然变小时，水中的碳酸氢钙会分解，重新变成碳酸钙沉积下来。实验室模拟溶洞的“形成”：实验步骤：在一支大试管中放入少量大理石( CaCO3)粉末并加入适量的水，不断向里面通入CO2。待粉末溶解后，对溶液进行加热。实验现象：持续不断通CO2，经过较长时间，CaCO3逐渐溶解，变为澄清溶液；加热又产生沉淀。实验分析：CaCO3在H2O和CO2作用下变为可溶于水的Ca(HCO3)2。Ca(HCO3)2不稳定，在较高温度下发生分解，又生成CaCO3。久而久之，便形成了溶洞；另外，溶有Ca(HCO3)2的水，在由洞顶滴落过程中，水分的蒸发、压强的减小及温度的升高都会使其分解成CaCO3，经过千百万年的积累，便形成了石笋、钟乳石。反应原理：CaCO3H2OCO2=Ca(HCO3)2，Ca(HCO3)2CaCO3CO2H2O。【例31】 (1)图瓦卢是由多个珊瑚礁形成的岛国，由于大气中CO2含量的剧增，大量珊瑚礁(主要成分是碳酸钙)被海水侵蚀，其原因是_(用化学方程式表示)。(2)叶圣陶先生的记金华的双龙洞是一篇描写溶洞的好文章，里面有很多的名言佳句，其中溶洞和钟乳石的形成涉及的化学反应有_。(3)科学家研究发现，用“汽水”(一种能释放CO2的弱酸性溶液)浇灌植物能促进植物的生长，原因是它能_。加强呼吸作用；加强光合作用；改良碱性土壤，调节pH；加强植物蒸腾作用ABCD解析：(1)CO2溶于水后会与CaCO3反应导致CaCO3溶解，从而使大量珊瑚礁溶解。(2)岩石中的CaCO3与CO2、H2O反应生成Ca(HCO3)2，从而形成溶洞；溶于水的Ca(HCO3)2在滴落过程中，受温度、压强的影响从而形成CaCO3沉淀，即钟乳石。(3)植物通过呼吸作用放出CO2，其蒸腾作用与外界温度及水分有关，与CO2的浓度无关；植物的光合作用需要吸收CO2，CO2在潮湿的土壤中生成H2CO3，H2CO3电离出的H可以改良碱性土壤，调节pH，促进植物对Ca2、Mg2的吸收，所以“汽水”浇灌植物能促进植物的生长。答案：(1)CaCO3CO2H2O=Ca(HCO3)2(2)CaCO3CO2H2O=Ca(HCO3)2，Ca(HCO3)2CaCO3CO2H2O(3)B(2)生活和生产中碳及其化合物间的转化碳及其化合物间的转化除了在自然界中广泛存在外，也广泛存在于人类的生产和生活中。高炉炼铁原理高炉炼铁过程是将铁矿石还原成金属铁的过程，原料是焦炭和铁矿石(主要成分是Fe2O3)，但实际上起还原作用的是一氧化碳，具体的反应过程如下：CO的产生CO2CO2，CO2C2CO。铁的生成FeOCOFeCO2，Fe3O44CO3Fe4CO2，Fe2O33CO2Fe3CO2。炼铁高炉铁的氧化物都可以被一氧化碳还原成铁单质。含有氧化铁的矿石俗称赤铁矿石，含有四氧化三铁的矿石俗称磁铁矿石。木炭燃烧木炭在燃烧过程中，发生着碳单质、一氧化碳和二氧化碳之间的转化，具体转化的过程有：CCO：CCO22CO、2CO2(不足)2COCCO2：CO2CO2COCO2：2COO22CO2CO2CO：CO2C2CO水垢的形成现实生活中，我们用到的水壶、暖水瓶等，时间一长内壁就常常积有一层水垢，那是怎样形成的呢？自来水中含有很多的微粒，其中主要的阳离子有钙离子和镁离子，主要的阴离子有氯离子、硫酸根、碳酸氢根等。在加热的条件下，主要是碳酸氢盐的受热分解。Ca(HCO3)2CaCO3H2OCO2Mg(HCO3)2MgCO3H2OCO2产生的碳酸镁在水溶液中继续长时间的加热，会发生下面的反应：MgCO3H2OMg(OH)2CO2这个反应之所以发生，是因为生成了比碳酸镁的溶解度更小的氢氧化镁。在加热的条件下，二氧化碳气体逸出，氢氧化镁沉淀下来，它们互相不能接触，导致反应进行。由于水垢的主要成分是CaCO3和Mg(OH)2，所以可以用稀盐酸除掉水垢，反应的方程式如下：CaCO32HCl=CaCl2H2OCO2Mg(OH)22HCl=MgCl22H2O有机物的合成：1828年，德国化学家维勒用无机化合物首次合成出有机物尿素，提出有机物与无机物之间可以相互转化，它们之间没有明显的界限。今天人类已合成出几千万种的有机物。有机合成大师是美国化学家伍德沃德，他10年间合成了20多种复杂化合物，荣获了1965年诺贝尔化学奖。1965年，我国化学家合成出结晶牛胰岛素。大量合成的有机化合物，满足了人们在能源和材料等方面的需要。【例32】 “南极的冰化了”，这是中央电视台“东方时空”中一个节目的标题，说的是南极一块叫“拉伸B”的冰架发生坍塌，其断裂的面积比上海市还大。这是大自然又一次发出的警告：地球正在变暖！温室效应的影响已经不容忽视。(1)造成温室效应的主要原因是_。(2)为了减缓温室效应，我们每个人都可以从自己身边做起，如双面使用纸张。双面使用纸张和减缓温室效应之间的关系是_。(3)请再举出一件你可以做到的有利于减缓温室效应的事情_。解析：含碳燃料的燃烧是产生CO2的重要形式，过多地排放CO2会引起温室效应，因而从根本上减少CO2的排放量是减缓温室效应的最根本方法。减少化石燃料的燃烧，植树造林，开发新能源等都能减少CO2的排放。答案：(1)大量使用化石燃料，使排放的二氧化碳气体的量猛增(2)节约纸张就可以节约造纸所消耗的能源，从而减少CO2的排放量；节约纸张就可以减少造纸所需木材量，从而保护森林，使其吸收更多的CO2(3)植树造林，不使用一次性木筷，不使用纸质贺卡，在家里科学使用能源，注意节约能源等4Na2CO3和NaHCO3的鉴别原理步骤有关化学方程式(1)利用二者的热稳定性不同取少量样品加热，能够产生使澄清石灰水变浑浊的气体的为NaHCO3，没有明显现象的为Na2CO32NaHCO3Na2CO3H2OCO2CO2Ca(OH)2=CaCO3H2ONa2CO3受热不分解(2)利用二者与盐酸反应的速率不同取少量样品加入过量等浓度的盐酸，反应剧烈程度大的为NaHCO3Na2CO3HCl=NaHCO3NaClNaHCO3HCl=NaClH2OCO2(3)利用二者与少量盐酸反应的现象不同取少量的样品于试管中，溶于水并配成稀溶液，分别逐滴加入稀盐酸，立即有气体产生的是NaHCO3，在加入一定量的稀盐酸后，才逐渐有气体产生的溶液是Na2CO3NaHCO3HCl=NaClH2OCO2Na2CO3HCl(少量)=NaHCO3NaCl(4)利用与Ca2能否产生沉淀取二者少量制成溶液，加入CaCl2(或BaCl2)溶液，有白色沉淀生成的为Na2CO3，无沉淀生成的为NaHCO3Na2CO3CaCl2=CaCO32NaCl(Na2CO3BaCl2=BaCO32NaCl)NaHCO3与CaCl2不反应碳酸盐中的几个问题：区别Na2CO3和NaHCO3不能用Ba(OH)2或Ca(OH)2溶液，原因是二者均能产生沉淀。CO2中混有少量HCl、SO2等气体时，可用饱和NaHCO3溶液提纯气体。NaHCO3中混有少量Na2CO3时，可先溶于水，再通入过量的CO2气体，最后再低温蒸干。【例4】某校化学课外小组为了鉴别碳酸钠和碳酸氢钠两种白色固体，用不同的方法做了以下实验，如图所示。(1)只根据图、所示实验，能够达到实验目的的是_(填装置序号)。(2)图、所示实验均能鉴别这两种物质，其反应的化学方程式为_；与实验相比，实验的优点是_(填字母)。A比复杂B比安全C比操作简便D可以做到用一套装置同时进行两个对比实验，而不行(3)若用实验验证碳酸钠和碳酸氢钠的稳定性，则试管B中装入的固体最好是_(填化学式)。解析：(1)若利用图，则不能达到实验目的。原因是Na2CO3和NaHCO3都能与盐酸反应产生使澄清石灰水变浑浊的气体；图，若用等质量的Na2CO3和NaHCO3分别与足量盐酸反应，放出CO2的量不同，可根据气球膨胀程度判断；反应快慢也不同，NaHCO3反应更快一些。(2)图和图用到的反应原理是2NaHCO3Na2CO3CO2H2O，图的优点是在同一套仪器中可同时做两个实验，对比性更强。(3)试管A中装入Na2CO3，B中装入NaHCO3，这样对Na2CO3直接加热，温度高，不分解，右边试管中澄清石灰水不变浑浊；但间接加热的NaHCO3，温度低，发生分解，左边试管中澄清石灰水变浑浊了，更能说明NaHCO3比Na2CO3热稳定性差，更易分解。答案：(1)(2)2NaHCO3Na2CO3CO2H2OD (3)NaHCO35关于CO2与碱反应的讨论(1)CO2与NaOH反应CO22NaOH=Na2CO3H2OCO2NaOH=NaHCO3当1时，发生反应CO2NaOH=NaHCO3，所得固体为 NaHCO3；当2时，发生反应CO22NaOH=Na2CO3H2O，所得固体为Na2CO3和NaOH；当2时，发生反应CO22NaOH=Na2CO3H2O，所得固体为Na2CO3；当12时，发生反应CO22NaOH=Na2CO3H2O、CO2Na2CO3H2O=2NaHCO3，所得固体为Na2CO3和NaHCO3。(2)CO2与Ca(OH)2反应CO2Ca(OH)2=CaCO3H2O2CO2Ca(OH)2=Ca(HCO3)2当1时，发生反应，有CaCO3生成，m(CaCO3)100n(CO2)；当2时，发生反应，没有CaCO3生成，m(CaCO3)0；当12时，反应均发生，m(CaCO3)200nCa(OH)2100n(CO2)。巧解图像：本部分内容出题时常伴随图像，将化学反应的过程用图像的形式表示，解这类题时应注意，首先要理解坐标的含义，然后观察曲线的形状走向，注意曲线的起点、折点、终点等特殊点，再与反应原理结合综合分析。【例51】 下图为一定量饱和Ca(OH)2溶液中通入二氧化碳气体后，产生CaCO3白色沉淀的质量与二氧化碳体积之间的关系曲线。试回答：(1)OA段曲线和AB段曲线所表示的化学方程式为：OA：_；AB：_。(2)A点时已参加反应的CO2和Ca(OH)2的物质的量之比为_。(3)B处溶液中存在的浓度较大的两种离子是_和_(填离子符号)。(4)将B处生成的溶液煮沸，可观察到的现象是_。解析：(1)将CO2通入到饱和Ca(OH)2溶液中，首先发生反应Ca(OH)2CO2=CaCO3H2O，当沉淀量达到最大量时Ca(OH)2完全反应，继续通CO2，又会发生反应CaCO3CO2H2O=Ca(HCO3)2，直至沉淀溶解完全。(2)A点时沉淀量最大，说明Ca(OH)2与通入的CO2恰好完全反应。根据化学方程式Ca(OH)2CO2=CaCO3H2O可知，n(CO2)nCa(OH)211。(3)B点对应的溶液为Ca(HCO3)2溶液，Ca(HCO3)2是可溶性盐，在溶液中完全电离产生Ca2和HCO。(4)加热煮沸Ca(HCO3)2溶液，Ca(HCO3)2会分解生成CaCO3白色沉淀、H2O和CO2，化学方程式为：Ca(HCO3)2CaCO3CO2H2O。答案：(1)Ca(OH)2CO2=CaCO3H2OCaCO3H2OCO2=Ca(HCO3)2(2)11(3)Ca2HCO(4)生成白色沉淀，有大量气泡冒出【例52】 将足量CO2通入KOH和Ca(OH)2的混合稀溶液中，生成沉淀物质的量(n)和通入CO2体积(V)的关系正确的是()解析：CO2通入KOH和Ca(OH)2的混合液中时，首先与Ca(OH)2反应生成CaCO3，当Ca(OH)2恰好反应完全时，CaCO3的量达最大值。后通入的CO2与KOH反应生成K2CO3，K2CO3继续与CO2反应直至完全转化为KHCO3，此过程中沉淀量保持不变。如果继续通入CO2，CO2与CaCO3反应使沉淀溶解，直至CaCO3全部溶解完，整个过程中生成沉淀消耗的CO2和溶解沉淀消耗的CO2的量相等。答案：D