金刚石石墨和C60二氧化碳制取的研究

周课题：金刚石、石墨和C60二氧化碳制取的研究撰稿：冯玉柱审稿：魏国福责编：祝鑫【学习目标集成】1．了解金刚石和石墨的物理性质和主要用途。2．知道碳单质的化学性质。3．了解木炭、活性炭的吸附性。4．通过对金刚石、石墨和C60的初步了解，认识结构与性质、性质与用途之间的关系。5．一种元素可以形成多种单质。通过碳在不同条件下可以生成一氧化碳和CO2的事实，初步领悟物质的多样性和复杂性。6．了解实验室制取CO2的反应原理。7．学习实验室制取CO2的装置、操作步骤和CO2的收集方法。8．了解实验室中制取气体的思路和方法。重点：碳单质的性质及用途；实验室中制取CO2的反应原理、装置设计等。难点：碳的还原性；探究实验室中制取CO2使用的装置。[知识要点梳理]知识点一：碳的单质1．同一种元素可以组成不同的单质：如金刚石、石墨和C60都是由碳元素组成的单质，但由于碳原子在这些物质里的排列方式不同，即结构不同，导致它们在性质尤其是物理性质上有很大的差异。由此可知：物质的组成和结构决定物质的性质。【要点诠释】金刚石和石墨在一定条件下可相互转化，属于化学变化。同种元素可以组成不同单质。因此，我们不能说“由同种元素组成的物质叫单质”。2．金刚石、石墨和C60的性质比较及用途：名称金刚石石墨C60外观无色透明、正八面体形状的固体，有璀璨夺目的光泽深灰色不透明的细鳞片状的固体，有金属光泽C60分子形似足球。有金属光泽的固体，其微晶粉末呈黄色导电性几乎不导电良好几乎不导电硬度天然存在的最硬的物质质软（最软的矿物之一）质脆导热性很差良好很差用途钻头、刻刀、装饰品等电极、铅笔芯、润滑剂等制备新材料、超导材料、医学应用等（注：人们对C60性质的认识正在不断的深入）【要点诠释】金刚石、石墨和C60都是由碳元素组成的单质，但由于碳原子的排列不同（见图16－1），物理性质有很大的差异，用途也有较大不同。3．木炭、活性炭的吸附性：木炭、活性炭、焦炭、炭黑等物质都是由石墨的微小晶粒和少量杂质构成的，由于木炭和活性炭均具有疏松多孔的结构，因此它们具有较强的吸附能力，可以吸附毒气、色素以及有异味的物质等。据此，木炭和活性炭在制糖工业、食品工业、防毒面具制作等方面有重要的应用。【要点诠释】1．吸附是物理现象，与吸收具有不同的含义。由于木炭疏松多孔，有很大的表面积，因此它具有吸附性，活性炭的吸附性比木炭更强。吸附作用是将气体或溶液里的微小粒子吸附在固体表面，没有生成新物质，属于物理变化。吸收一般为化学变化，如：CO2气体被氢氧化钠溶液吸收的过程中生成了碳酸钠或碳酸氢钠等物质，就是化学变化。2．“碳”和“炭”的区别：“碳”是元素的名称，是核电荷数为6的一类原子的总称。比如碳元素、碳单质、含碳化合物、一氧化碳等，这儿不能用“炭”。而“炭”指的是具体物质，它表示由碳元素组成的某种单质——木炭、活性炭、焦炭等。一般在未指明具体单质时，习惯上用碳，如“炽热的碳”、“当碳燃烧时”。知识点二：碳的化学性质1．稳定性：常温下碳单质很稳定，几乎与所有物质都不发生化学反应。2．可燃性：（1）高温下碳在氧气（或空气）中完全燃烧生成CO2，并放出大量的热。C＋O2CO2（2）如果燃烧不充分，则生成CO，同时也放出热。2C＋O22CO3．还原性：高温下碳能跟某些氧化物反应，夺取某些氧化物中的氧元素，使这些氧化物失去氧而发生还原反应。如图16－2所示可用木炭还原氧化铜。注意问题：①酒精灯加网罩可使火焰集中并提高温度；②试管口要略向下倾斜；③装置的气密性要好；④实验结束时，先撤出导气管，然后再熄灭酒精灯（防止澄清石灰水倒流入热的试管致使试管破裂），待试管冷却后再把试管内的粉末倒在纸上（防止生成的铜再被氧化成氧化铜）。实验现象：黑色固体变红色，并有使澄清的石灰水变浑浊的气体产生。实验结论：2CuO＋C2Cu＋CO2↑【要点诠释】1．所有碳单质的化学性质都相同。比如金刚石、石墨和C60以及木炭等都是由碳元素组成的，其碳原子的最外层电子的数目一样多（都是4个），因此，不同碳单质的化学性质相同。2．碳单质的化学性质在常温下稳定。但随着温度的升高，能和许多物质发生化学反应。反应的条件不同，产物也不同。如：碳和氧气在点燃条件下反应，氧气充足时生成的是CO2，而氧气不充足时主要生成CO。3．性质决定用途：①碳在常温下具有稳定性，所以古代用墨写的字经久不褪色。②碳具有可燃性，可用作燃料。③碳具有还原性，用作还原剂，可用来冶炼金属。如2Fe2O3＋3C4Fe＋3CO2↑，在该反应中，碳得到氧、被氧化生成二氧化碳，碳是还原剂。氧化铁失去氧、被还原成铁，是氧化剂。4．碳的还原性还体现在反应CO2＋C2CO中，该反应吸收大量的热。知识点三：实验室制取二氧化碳的研究1．实验室制取二氧化碳的药品和原理：（1）药品：大理石（或石灰石）与稀盐酸。（2）反应原理：CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑【要点诠释】1．药品选用应注意的问题：①不能用浓盐酸。因为浓盐酸易挥发，氯化氢气体易混入产生的二氧化碳内。②不能用硫酸。虽然硫酸也能跟碳酸钙反应生成二氧化碳：H2SO4+CaCO3=CaSO4+H2O+CO2↑但由于产物硫酸钙微溶于水，形成的沉淀会附着在块状大理石或石灰石的表面，阻碍反应继续进行，所以实验室用大理石（或石灰石）制取二氧化碳时，一般都选用稀盐酸。③为使实验装置更简化，一般不用粉末状碳酸钙或碳酸钠晶体（Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑），粉末状固体或小粒状晶体物质的表面积大，与酸反应速率太快。2．化学反应原理的确定：可以生成二氧化碳的化学反应有很多，例如：a．碳在氧气（或空气）中燃烧：C+O2CO2b．碳在高温下还原金属氧化物：2CuO+C2Cu+CO2↑2Fe2O3+3C4Fe+3CO2↑c．石灰石高温分解：CaCO3CaO+CO2↑d．大理石（或石灰石）与稀盐酸在常温下反应：CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑e．蜡烛、木柴、酒精、汽油等含碳物质的燃烧都可产生二氧化碳气体。……有二氧化碳生成的化学反应不一定都适用于实验室制取二氧化碳，这里首先要考虑可操作性，在可操作的前提下，再考虑哪个更方便易行、原料是否易得、是否利于收集等。碳单质及含碳物质的燃烧（a、e两类方法）虽然都能生成二氧化碳，但由于燃烧需要在氧气（由空气）中进行，放出大量的热，对仪器、装置的要求高而且复杂，燃烧后的高温气体收集也很困难，所以在实验室里可操作性差。b、c需在高温下进行，实验室也不容易达到其条件。d方案操作简便，故实验室通常选用大理石（或石灰石）与稀盐酸反应来制取二氧化碳。2．装置的设计与选择：（1）任何实验装置的设计都是由反应物的状态、反应时所需的条件、反应过程和生成物的性质等方面的因素决定的。（2）以下装置（图16－3）都可以用来制取二氧化碳：可根据实验室的条件以及你所要制取气体的量来选择，若制取的量很少，可选用试管；量多时，可选用其他大容量的容器。（3）装置连接注意的问题：①长颈漏斗的下端管口必须插入到液面以下，否则生成的气体会从长颈漏斗口跑掉。②导管深入容器内无需太长，更不能插入到液面以下。若伸入到液面下，气体就无法从导管口排出。3．收集、检验、验满的方法：（1）收集：二氧化碳能溶于水，密度比空气的大，所以通常采用向上排空气法收集。收集时要注意将导管插到瓶底。如图16－4所示。（2）检验：将产生的气体通入澄清的石灰水中，若观察到石灰水变浑浊，说明有CO2生成。（3）验满：由于二氧化碳是无色气体，是否收集满了观察不到，因而常用燃烧的木条置于集气瓶口来验满。（4）存放：验满后要用玻璃片盖住集气瓶口正放在桌上。4．操作顺序：①按实验要求连接装配好仪器；②检查装置的气密性；③装入块状大理石（或石灰石）；④由长颈漏斗注入稀盐酸并控制加入的速度；⑤收集气体；⑥检验是否集满。可简单记忆为：“连—检—装—注—集—验”。【要点诠释】1．实验室制取气体的装置包括发生装置和收集装置两部分，其选择依据如下：（1）气体发生装置的选择：由反应物的状态和反应条件来确定。①若反应物只有固体，反应需要加热时，应选择下图16－5中甲所示的实验装置。②若反应物状态为固体+液体，反应不需要加热时，应选择图16－5中乙所示及与之相似的实验装置。图16－5（2）气体收集装置的选择：依据气体的物理性质（是否溶解与水、密度比空气大还是小）和化学性质（是否与水、空气发生反应）来选择。①气体的密度大于空气（或相对分子质量大于29），可用向上排空气法收集（图16－6中E）。②气体的密度小于空气（或相对分子质量小于29），可用向下排空气法收集（图16－6中F）。③气体难溶于水且不与水反应，可用排水法收集（图16－6中D）。[规律方法指导]1．借助成语联想记忆碳的还原性：高温下碳能跟某些氧化物反应，夺取某些氧化物中的氧元素，使这些氧化物失去氧而发生还原反应。如：2CuO＋C2Cu＋CO2↑，该反应可理解为碳偷走了氧化铜中的“氧”，而具有还原性，因此还原性可理解为“顺手牵氧（羊）”性。2．建立化学基本思想，据此梳理碳单质的相关知识：3．采用列表对比的方法掌握相关知识：如常见碳单质物理性质及用途的对比；碳单质和氢气化学性质的对比；实验室制取氧气、二氧化碳气体的对比(如下表)等。气体名称氧气二氧化碳反应原理过氧化氢催化分解或高锰酸钾受热分解大理石（或石灰石）与稀盐酸化学方程式2H2O22H2O+O2↑2KMnO4K2MnO4+MnO2+O2↑CaCO3+2HClCaCl2+H2O+CO2↑发生装置收集装置检验方法使带火星的木条复燃使澄清的石灰水变浑浊验满方法将带火星的木条平置瓶口，木条复燃则证明满了将燃着的木条平置于瓶口，木条熄灭则证明满了4．归纳总结实验室制取气体的思路和方法：气体的实验室制取的一般思路和方法为：首先要研究气体实验室制取的化学反应原理，即选择合适的反应物和反应条件（如常温、加热、加催化剂等），还要选择合适的实验装置，并需研究如何验证制得的气体就是所要制的气体。（1）选择反应时，要考虑原料易得，反应条件要求不高，操作简便安全，反应速率适中，生成气体不混入其他气体，便于收集。（2）实验室制取气体的装置包括发生装置和收集装置两部分。选择气体发生装置要根据反应物的状态和反应条件；选择气体的收集装置应考虑气体的密度和气体的溶解性及气体是否与水反应。（3）验证气体时，实验现象要明显。[经典例题透析]类型一、考查碳单质的物理性质及用途1．“轻轨电车”（如图16－7）是近年来新兴的城市高架交通工具，具有污染小的特点。当轻轨电车开动时，轻轨电车上裸露的“电刷”沿架空电线滑动。电刷材料中含有石墨。选择石墨作电刷材料是因为其具有下列性质：①；②；③。【思路点拨】本题可从石墨的优良性能和轻轨电车对电刷的要求两方面综合考虑。【解析】电刷沿架空电线长时间滑动，因摩擦产生大量的热，这就要求电刷材料具有润滑、导电和耐高温的性能。而石墨恰好具有润滑、导电和耐高温的性质，因此石墨是制作电刷的理想材料。【答案】①导电②润滑③耐高温（或不易氧化；或化学性质不活泼……）【总结升华】此题结合日常生活的实际考查碳单质的性质、用途，注重学科知识与社会、生产、生活的联系，题目立意较好体现了新课标的精神。举一反三：【变式1】金刚石可装在钻探机的钻头上，是由于；石墨可作铅笔芯，是由于，可作润滑剂，是由于_________；可作电极，是由于_________；活性炭可作防毒面具的滤毒剂，是由于____________。【变式2】下图16－8是碳的几种单质的结构示意图，图中小圆圈均代表碳原子。甲乙丙图16－8（1）在物质甲的结构中，每个碳原子最多连有______个碳原子。（2）根据乙物质层与层之间能发生滑动，具有滑腻感的特点，写出它的一种用途_________。（3）图中物质丙的化学式为C60，已知硅的一种单质也有与物质丙相同的原子数和类似的结构，有科学家尝试把物质丙的一个分子放进硅的这种单质的一个分子中，反应形成一种新型分子，该分子的化学式为____________。类型二、考查碳单质的