自然界中的元素第1课时碳单质多样性和含碳化合物

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1、第1节碳的多样性第1课时碳单质多样性和含碳化合物 自然界中的元素 1 通过对碳的三种重要单质性质的学习来认识碳的多样性 2 掌握碳酸钠与碳酸氢钠的性质 知识清单 多种多样的碳单质 1 同素异形体 1 同素异形体的概念 由同一种 组成的性质不同的几种 叫做该元素的同素异形体 2 常见的同素异形体 碳 氧 1 元素单质 2 金刚石 石墨 C60氧气 臭氧 O3 2 金刚石 石墨 C60 1 结构 金刚石 每个碳原子与另外 个碳原子以一种较强的相互作用相连接 形成 结构 向空间伸展形成 结构 4正四面体空间网状 石墨 石墨晶体是 结构 在同一层内 碳原子排列成 边形 碳原子位于正六边形的顶点上 一个

2、个正六边形排列成平面网状结构 每一个碳原子都跟其他 个碳原子相连 在同一层内 相邻的碳原子以 的相互作用相结合 但层与层之间以一种 的相互作用相结合 层状正六3较强较弱 C60 C60分子是由60个碳原子构成的 它的形状像足球 由12个 和20个 组成 分子内部 碳原子间以 的相互作用结合 但分子间的相互作用 C60分子结构 形似足球 故又名足球烯 正五边形正六边形较强较弱 问题探究 金刚石 石墨 C60都是由碳元素组成的单质 为什么性质差别如此之大 金刚石 石墨 C60是碳元素的同素异形体 但三者在碳原子的排列方式 相邻碳原子的作用力等方面有较大差异 石墨为层状结构 每一层内每个原子参与形成

3、三个平面六边形 层内相邻原子间作用力强 层间作用力弱 故石墨层与层之间易发生相对滑动 从而具有滑腻感 金刚石为空间网状结构 以每个碳原子为中心形成一个正四面体 相邻碳原子间作用力强 要是破坏该作用力 需要相当多的能量 故金刚石具有较高的硬度和熔沸点 C60为球形分子 每个分子由60个碳原子构成 形似足球 碳原子位于球的表面 呈正六边形和正五边形排列 球内是空的 内部空间可以用来储存氢气 亦可以容纳一些金属原子 特别提示 物质之所以具有不同的性质 主要是因为它们具有不同的结构 应为结构决定了性质 尝试应用 1 近年来 科学家在氦的气氛中给石墨通电 使石墨挥发 在石墨挥发的黑烟中发现了C60 它的

4、金属渗入物具有可贵的超导性质 北京大学首先将C60渗锡 获超导转变温度为37K的好成绩 下列关于C60的叙述正确的是 A 是一种新型的化合物B 是碳元素的一种同素异形体C C60燃烧时可生成CO2D 摩尔质量是720 解析 C60属于单质 由一种元素组成 与金刚石 石墨互为同素异形体 由于C60由碳元素构成 因此 在一定条件下可以燃烧生成CO2 D选项中摩尔质量的单位为g mol 1 答案 BC 知识清单 广泛存在的含碳化合物 1 常见的含碳化合物 1 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 2 无机化合物 CO CO2 H2CO3 碳酸钠 碳酸氢钠 大理石 方

5、解石 白云石 菱锌矿 菱镁矿 菱铁矿等 2 碳酸钠和碳酸氢钠的性质比较 纯碱或苏打小苏打易溶于水较易溶于水稳定不稳定 受热易分解反应 放出气体反应放出气体 但NaHCO3与酸反应的剧烈程度强于Na2CO3不反应反应 NaHCO3 NaOHNaCl H2ONa2CO3 BaCl2BaCO3 2NaCl不反应纺织 肥皂 玻璃 造纸等工业发酵粉 制胃药 问题探究 碳酸钙有哪些化学性质 由此 可推知碳酸钠和碳酸氢钠可能具有哪些化学性质 碳酸钙的化学性质 CaCO3和酸反应 如CaCO3和盐酸反应 CaCO3和醋酸反应 CaCO3遇到溶有CO2的水 碳酸钙受热分解 由此可知碳酸钠的化学性质 Na2CO3

6、和酸反应 如Na2CO3和盐酸反应 在酒精灯加热的条件下Na2CO3受热不能分解 碳酸氢钠的化学性质 NaHCO3与盐酸反应 碳酸氢钠与NaOH溶液反应 在酒精灯加热的条件下NaHCO3分解 特别提示 碳酸钠与酸反应的过程分析Na2CO3与盐酸反应是分步进行的 Na2CO3 HClNaHCO3 NaCl NaHCO3 HClNaCl CO2 H2O 若往碳酸钠溶液中滴加盐酸 在开始时由于碳酸钠的量多 而加入的酸 氢离子 少 第二步反应尚未进行 故没有气体生成 滴加一定量以后 溶液已转化为碳酸氢钠溶液 再加入盐酸 很快反应产生气体 量也较多 若将碳酸钠溶液滴加到盐酸中 则情况大不一样 由于试管中

7、酸充足 滴入的碳酸钠溶液很快完成上述二步反应 因此立即产生气泡 利用上述现象 可以不用任何试剂鉴别二者 尝试应用 2 苏打和小苏打都是家庭中常备用品 试从消耗反应物的量的角度 回答下列问题 1 做面条时为防止湿面在较长时间后变酸 应选用 理由 2 制泡沫灭火器时 需要与酸性物质反应产生大量CO2 此时应选用 理由 解析 为防止湿面在较长时间后变酸 应选用耗酸多的 制泡沫灭火器时 需要产生大量CO2的且耗酸少的 由于 故前者选苏打 后者选小苏打 答案 1 苏打因为与等量的酸反应时 苏打的用量少 2 小苏打因为产生等量的CO2时 小苏打的用量少而且反应速率快 同素异形体 金刚石 石墨 C60性质有

8、所不同 是由于 A 构成原子不同B 原子的各自排列方式不同C 具有不同的几何外形D 硬度不同解析 金刚石 石墨 C60三者是碳元素的同素异形体 构成原子完全相同 只是其内部碳原子排列方式不同 才导致它们结构不同 进而性质不同 答案 B 名师点睛 同素异形体是一个重要的概念 同学们一定要把握其实质 同素 即由同种元素组成 异形 即结构不同 这也决定了它们的性质 特别是物理性质是不同的 结构决定性质 是化学的重要规律 对此要不断地加深理解 注重应用 变式训练 1 1985年科学家发现的C60分子是由60个碳原子构成的 它的形状像足球 图C 因此又叫足球烯 1991年科学家又发现一种碳的单质 碳纳米

9、管 它是由六边形的碳原子构成的管状大分子 图D 图中A B分别是金刚石和石墨的结构示意图 图中小黑点或小黑圈均代表碳原子 用你所学到的化学知识回答下列问题 1 常温下足球烯和碳纳米管的化学性质是否活泼 2 请你设计一个方案 证明足球烯和碳纳米管都是由碳元素组成的 以足球烯为例 用简要文字叙述 解析 分析题目时应将足球烯 碳纳米管的结构 性质与金刚石 石墨的结构性质相联系 由于碳原子排列的不同 导致它们的物理性质有较大差异 但金刚石 石墨 足球烯 碳纳米管都是由碳原子构成的碳单质 它们的化学性质 常温下稳定性 可燃性 还原性 是相同的 因此 这些碳单质在常温下性质稳定 证明足球烯和碳钠米管都是由

10、碳元素组成的 首先利用其可燃性说明其含有碳元素 其次通过定量测定证明其只含碳元素 答案 1 不活泼 2 将它放在充满O2的密闭容器里使之燃烧 只生成CO2 且CO2里所含碳元素的质量等于足球烯所减少的质量 碳酸根离子的检验 可以说明溶液中大量存在CO32 的理由是 A 加入AgNO3溶液有白色沉淀产生B 加入盐酸有无色无味气体产生C 加入MgCl2时有白色沉淀产生 再加稀盐酸 沉淀溶解 放出使澄清石灰水变浑浊的无色气体D 加入Ba OH 2溶液有白色沉淀产生 再加入稀盐酸 沉淀溶解 且产生可使澄清石灰水变浑浊的无色气体 解析 与AgNO3溶液反应生成白色沉淀的有 Cl SO42 CO32 等许

11、多离子 A不能证明 B D选项中HCO3 也会产生同样现象 C项可以排除HCO3 的干扰 HCO3 与Ba2 或Mg2 不会生成沉淀 所以应选C 答案 C 变式训练 2 某同学做 证明鸡蛋壳的成分中含有碳酸根离子 的实验 设计了如下方案 如下图所示 经检验装置的气密性合格后加入试剂 结果发现 中先变浑浊 稍后又变澄清 1 描述 中发生的现象是 2 分析 中可能出现的现象是 3 根据我们所学的知识 你认为上述哪几种现象结合在一起足以说明鸡蛋壳的成分中含有碳酸根离子 4 上述方案中 什么实验是多余的 解析 证明物质中含有CO32 的方法是 该物质与盐酸反应能产生无色气泡 且该气体能使澄清的石灰水变

12、浑浊 出现上述两点现象即可证明物质中含有CO32 鸡蛋壳不溶于水 但它能与盐酸反应而溶于盐酸中 同时产生二氧化碳气体 该气体通过导管进入 中 使石灰水变浑浊 变浑浊的原因是因有难溶于水的CaCO3生成的缘故 继续通入CO2后 CO2与CaCO3 H2O反应能生成易溶解的Ca HCO3 2 使石灰水变澄清 鸡蛋壳与盐酸反应产生的气泡附在鸡蛋壳上使蛋壳受到的浮力增大 导致鸡蛋壳浮在液面上 CO2还能与水反应生成碳酸 酸能使紫色的石蕊试液变红 答案 1 鸡蛋壳逐渐溶解 并有大量气泡产生 鸡蛋壳浮在液面上 2 溶液由紫色变成红色 3 中鸡蛋壳逐渐溶解 并有大量气泡产生 中出现浑浊 两种现象结合足以说明

13、鸡蛋壳含有CO32 或 中现象和 中现象 4 碳酸钠与盐酸的反应机理 现有25mL2mol L 1Na2CO3和75mL1mol L 1的稀盐酸 将Na2CO3溶液缓缓滴到稀盐酸中 将稀盐酸缓缓滴到Na2CO3溶液中 在标准状况下产生气体的体积情况是 A 均为0 84LB 均为0 56LC D 名师点睛 此类题目考查了物质在反应时由于滴加顺序不同而发生不同反应的问题 计算时 首先要正确写出反应过程中的化学方程式 然后再根据量的不同进行分析 类似的问题还有AlCl3溶液与NaOH溶液的反应 反应顺序不同 反应的现象不同 产物不同 变式训练 3 某二价金属碳酸盐和碳酸氢盐的混合物跟足量盐酸反应 消

14、耗H 和产生CO2的物质的量之比为6 5 该混合物中碳酸盐和碳酸氢盐的物质的量之比为 A 1 1B 1 2C 1 3D 1 4 二氧化碳与碱反应的有关计算 将足量CO2通入KOH和Ca OH 2的混合稀溶液中 生成沉淀的物质的量 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的混合稀溶液中 首先CO2和Ca OH 2反应生成CaCO3沉淀 当Ca OH 2完全反应后 沉淀达到最大量 然后CO2与KOH溶液反应生成K2CO3 K2CO3再转化为KHCO3溶液 在此过程中沉淀量保持不变 如果继续通入CO2 因CO2与CaCO3反应生成易溶于水的碳酸氢钙 故沉淀溶解 直到溶解完全 且生成沉淀消耗的CO2和溶解沉淀消耗的CO2的量相等 答案 A 变式训练 4 用1L1 0mol L 1NaOH溶液吸收0 8molCO2 所得溶液中的CO32 和HCO3 的物质的量浓度之比约是 A 1 3B 1 2C 2 3D 3 2