碳单质与二氧化碳制取的研究

同步教学

主讲：黄冈中学高级教师　付军

一、一周知识概述

在本周我们一共学习了以下知识：

1、碳元素能组成哪几种单质？

2、坚硬无比、璀璨夺目的金刚石；外表丑陋、不可小视的石墨；一鸣惊人，前途无量的C60；种类繁多的无定形碳。

3、单质碳都具有什么样的化学性质？为什么化学性质相似？

4、二氧化碳制取的原理、思路、方法。

二、重点知识归纳及讲解

1、由同一种元素碳组成的几种性质不同的单质

　　以单质形式存在的碳有金刚石、石墨和无定形碳等。这些单质的物理性质有较大的差异，其原因是碳原子的空间排列不同；它们的化学性质是相同的，其原因是碳原子的核外电子排布都相同。

2、金刚石和石墨的物理性质与用途的比较

[图表]

3、几种无定形碳的比较

[图表]

4、吸附

　　木炭和活性炭的吸附是将被吸附物（有色液体、气体、有毒气体等）吸在表面（细管道内），这个变化是物理变化。

　　C60分子C60分子是一种由60个碳原子构成的分子，它形似足球，是一种很稳定的分子，主要应用于材料科学，超导体等方面。

　　金刚石、石墨、C60分子的结构示意图（如上图）

　　世人瞩目的足球烯－C60.

　　C60分子是一种由60个碳原子结合形成的稳定分子，它具有60个顶点和32个面，其中12个为正五边形，20个为正六边形，它形似足球，因此又被称为足球烯。

　　足球烯是美国休斯顿赖斯大学的克罗脱（Kroto, H.W.）和史沫莱（Smalley, R.E.）等人于1985年提出的，他们用大功率激光束轰击石墨使其气化，用1MPa压强的氦气产生超声波，使被激光束气化的碳原子通过一个小喷嘴进入真空膨胀，并迅速冷却形成新的碳原子，从而得到了C60。C60的组成及结构已经被质谱，X射线分析等实验证明。此外，还有C70等许多类似C60分子也已被相继发现。

　　1991年，科学家们发现，C60中掺以少量某些金属后具有超导性，且这种材料的制作工艺比制作传统的超导材料——陶瓷要简单，质地又十分坚硬，所以人们预言C60在超导材料领域具有广阔的应用前景。

5、碳的化学性质

　　尽管碳的各种单质的物理性质差异很大，但由于构成它们的碳原子的结构是相同的，因而碳的各种单质具有相同的化学性质。

碳的化学性质有一显著特点：常温下，碳的化学性质很不活泼，但随着温度升高，其化学活动性大大增强。

（1）稳定性：在常温下碳的化学性质不活泼。

（2）可燃性：碳跟氧气的反应有两种情况：

　　

（3）还原性：高温下碳可与氧化物发生反应。

　　

　　现象：①黑色粉末变红色；②澄清的石灰水变浑浊。

　　单质碳在高温时具有还原性，它能夺取某些金属氧化物（如ZnO、Fe2O3、Fe3O4、CuO等）中的氧，使金属氧化物还原，故焦炭可用于冶金工业。

　　

某些化学反应在反应过程中能够放出热量或吸收热量，这叫做化学反应中的放热或吸热现象。

6、实验室制取气体的思路和方法

（1）先要了解在实验室的条件下（常温、加热、加催化剂、通电等），可以用什么药品，通过什么化学反应来制取这种气体，也就是我们所说的原料和反应原理。

（2）根据反应物的状态、反应所需要条件和生成气体和性质来设计实验装置。

（3）需要通过实验来验证制得的气体就是所要制取的气体。

7、二氧化碳的实验室制法

（1）药品：石灰石或大理石（主要成分是CaCO3），稀盐酸。

（2）反应原理：CaCO3＋2HCl=CaCl2＋H2O＋CO2↑

（3）实验装置：因为上述反应物是固体和液体，反应不必加热，故气体发生装置如右图所示。

（4）收集方法：由于二氧化碳的密度大于空气的密度，且能溶于水，因此只能用向上排空气法收集。

（5）检验。验证：将所得气体通入澄清的石灰水中，若出现白色浑浊，证明收集到的气体是二氧化碳。验满：将燃着的木条放在集气瓶口，若木条熄灭，则证明二氧化碳已收集满。

（6）放置：盛有二氧化碳的集气瓶盖好玻璃片后，要正立放在桌面上。

注意：

（1）实验室制取二氧化碳常用稀盐酸和大理石，不能用稀硫酸代替稀盐酸，原因是稀硫酸与碳酸钙反应后生成的硫酸钙是微溶物，覆盖在大理石的表面上，阻止反应继续进行；也不能用碳酸钠代替大理石，原因是它与稀盐酸反应速度太快，不易控制；不能用浓盐酸与大理石反应制取，原因是浓盐酸有强烈的挥发性，会使制得的二氧化碳中混有HCl气体而使制得的气体不纯。

（2）制取CO2的装置中，长颈漏斗的下端必须插在液面以下，防止生成的气体从长颈漏斗逸出；导气管伸出胶塞的部分不能太长，只露出少许即可，以利于气体的排出；收集气体的导气管必须伸到接近集气瓶的底部，以利于排尽集气瓶内的空气，收集到较纯净的CO2.

8、二氧化碳的工业制法

（1）原理：煅烧石灰 CaCO3CaO＋CO2↑

（2）过程：在工业上，把石灰石放在石灰窑里，经过高温煅烧，就制得生石灰（CaO），同时得到副产品二氧化碳。

三、难点知识剖析

1、证明金刚石和石墨都是由碳元素组成的方法

（1）将两种单质分别与氧气反应均生成CO或CO2.

（2）隔绝空气时相互转化：

2、氧气和二氧化碳的实验室制法的比较

[图表]

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