九上化学教师教学用书九上化学教师教学用书课题课题 1 1 金刚石、石墨和金刚石、石墨和 C C6060一、教学目的要求一、教学目的要求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.知道 C60分子的结构特点和潜在应用前景4.能以发展的观点看待碳的单质二、本课题分析二、本课题分析本课题包括两部分：一、碳的单质；二、碳的化学性质碳的单质主要介绍了金刚石的“硬”、石墨的“软”和导电性以及 C60分子的结构特点由于木炭主要是由石墨的微小晶体和少量杂质构成的，因此木炭的吸附性放在有关石墨的内容中介绍碳的化学性质主要介绍了碳跟氧气及某些氧化物的反应，这是本课题教学重点，其中碳跟某些氧化物的反应是本课题教学难点在介绍碳的单质时，教材注意图文结合及联系最新科技成就例如，金刚石的“硬”是从图 6-1 金刚石的用途推测出来的；而图 6-2 石墨的用途则是它的性质(软及导电性)的具体应用这样安排加上木炭的吸附性及其用途有利于学生树立物质的性质决定用途的观点图 6-4 中将 C60分子的结构模型和足球放在一起作比较，使 C60分子的结构特点一目了然教材提到了 20 世纪 90 年代初发现的管状碳，目的是使学生以发展的眼光来看待碳的单质，使他们认识到随着科技的发展，碳单质的一些新形态也将被发现，碳单质的用途也将不断扩大。
在介绍碳的化学性质时，注意联系学生的生活实际和已有的知识例如，首先提出了一个问题：我国古代一些画家、书法家用墨书写或绘制的字画能够保存很长时间而不变色，这是为什么呢?由此引出在常温下碳的化学性质不活泼继而提出：如果温度升高，碳的活动性又如何呢?对于碳跟氧气的反应，可以应用前面学过的元素符号、化学式和化学方程式等化学用语，让学生自己写出木炭在氧气里充分燃烧时的化学方程式教学建议如下：1.在介绍金刚石、石墨和 C60分子时，只要说明它们都是碳组成的单质即可，不介绍同素异形体的概念2.在介绍金刚石和石墨的性质及用途时，要紧密联系学生的生活实际3.要引导学生以发展的观点看待碳的单质4.木炭跟氧化铜的反应是学生学习的难点实验时，要引导学生着重观察两个问题：(1)石灰水发生了什么变化?(2)试管里的粉末发生了什么变化?根据实验现象，由学生自己分析木炭跟氧化铜反应生成了什么物质，教师加以指导写出反应的化学方程式然后分析这个反应中反应物和生成物的关系，引出还原反应5.要求学生做好本课题后的家庭小实验，以激发学生的学习兴趣三、实验说明和建议三、实验说明和建议1.【实验 6-1】用块状木炭脱色，需要较长时间，可作如下改进：在小烧杯中注入 30 mL～40 mL 蒸馏水，加入少许红墨水至呈现浅红色为止，将其均分入两个小锥形瓶(或大试管)里。
取0.5 g 干燥木炭，在研钵中研细后，倒入其中一个小锥形瓶里，充分振荡后过滤，可以得到无色溶液，再与另一个小锥形瓶中未加木炭的原溶液对比，学生会对木炭脱色留下深刻的印象2.【实验 6-2】木炭还原氧化铜的实验，要取得理想的实验效果，应当注意以下几点：1.氧化铜与碳的配比：由化学方程式计算，氧化铜与碳的质量比应当是 13∶1，在实际操作中，氧化铜粉与炭粉的质量比以限制在(9～13)∶1 的范围内效果较好图 6-1 木炭还原氧化铜2.反应物要研细混匀为了使氧化铜和木炭这两种反应物充分接触，要把刚烘烤过的木炭放在研钵中研细，再加入氧化铜，一起混匀，能否混合均匀是本实验成败的关键之一3.为了缩短实验时间，可以在课前用水把混匀的氧化铜和木炭粉调成糊状，用玻璃棒把糊状物均匀涂在薄壁试管底部内壁上，晾干后进行还原操作，在试管内壁可见紫红色的铜镜出现4.用新制氧化铜进行实验往试管里放入少量硝酸铜晶体，在通风橱中加热使其熔化，一边转动试管，一边继续加热，直至试管底部形成均匀的氧化铜薄层；然后，把刚烘烤过并研细的木炭粉倒入，并高出氧化铜薄层 1 cm～2 cm，按图 6-1 所示装置好用带有网罩的酒精灯加热，经 4 min～5 min 后，可见黑色氧化铜薄层变成光亮的铜镜，盛有石灰水的试管里产生白色沉淀。
四、部分习题参考答案及说明四、部分习题参考答案及说明1.碳2.(1)金刚石可用来裁玻璃、作刀具等；(2)石墨可作电极、电刷等；(3)活性炭可用于防毒面具及制糖工业中；(4)焦炭可以从铁的氧化物矿石中还原出铁；(5)可用墨书写或绘制字画；(6)可用煤(主要成分是碳)燃烧放出的热来取暖、发电等3.因为石墨具有导电性4.木头烤焦以后就变成了木炭，木炭与空气、水分接触不容易发生反应，可以保存较长的时间5.由于木炭疏松多孔，有效表面积大，具有吸附性，能吸附二氧化氮，因此集气瓶中的红棕色消失6. 6 g五、资料五、资料1.1.莫氏硬度莫氏硬度莫氏硬度是表示矿物硬度的一种标准，1824 年由德国矿物学家莫斯(Frederich Mohs)首先提出确定这一标准的方法是，用棱锥形金刚石钻针刻划所试矿物的表面而产生划痕，用测得的划痕的深度来表示硬度矿物硬度矿物硬度滑石1正长石6石膏2石英7方解石3黄玉8萤石4刚玉9磷灰石5金刚石102.2.碳纤碳纤维碳纤维是一种纤维状碳材料，它是将有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在惰性气氛中，在一定压强下强热、碳化而成的碳纤维是一种强度比钢大，密度比铝还小，比不锈钢还耐腐蚀，比耐热钢还耐高温，又能如铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。
用碳纤维与塑料制成的复合材料，可以代替铝合金来制造飞机制成的飞机，不仅轻巧，而且消耗动力少、推力大、噪音小用碳纤维制电子计算机的磁盘，能提高计算机的储存量和运算速度用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器，机械强度高，质量小，可节省大量的燃料总之，用碳纤维或碳纤维增强的塑料、玻璃、陶瓷和金属等材料来代替钢材和合金等，在化工、机电、造船，特别是飞机制造、宇航器材等部门中有广泛的应用3.3.金刚石的晶体结构金刚石的晶体结构图 6-2 金刚石的晶体结构模型金刚石是典型的原子晶体，在这种晶体中的基本结构粒子是碳原子每个碳原子都以sp3杂化轨道与四个碳原子形成共价单键，键长为 1.55×10-10 m，键角为 109°28′，构成正四面体每个碳原子位于正四面体的中心，周围四个碳原子位于四个顶点上，在空间构成连续的、坚固的骨架结构因此，可以把整个晶体看成一个巨大的分子(如图 6-2 所示)由于 C—C 键的键能大(为 347 kJ/mol)，价电子都参与了共价键的形成，使得晶体中没有自由电子，所以金刚石是自然界中最坚硬的固体，熔点高达 3 550 ℃，并且不导电4.4.石墨的晶体结构石墨的晶体结构石墨晶体是属于混合键型的晶体。
石墨中的碳原子用 sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子以 σ 键结合，形成正六角形蜂巢状的平面层状结构，而每个碳原子还有一个 2p 轨道，其中有一个 2p 电子这些 p 轨道又都互相平行，并垂直于碳原子 sp2杂化轨道构成的平面，形成了大 π 键因而这些 π 电子可以在整个碳原子平面上活动，类似金属键的性质而平面结构的层与层之间则依靠分子间作用力(范德华力)结合起来，形成石墨晶体(如图 6-3所示)石墨有金属光泽，在层平面方向有很好的导电性质由于层间的分子间作用力弱，因此石墨晶体的层与层之间容易滑动，工业上用石墨作固体润滑剂图 6-3 石墨的晶体结构模型(Ⅰ)和平面网状结构示意图(Ⅱ)5.5. C C6060(1)C60的发现1985 年，英国科学家克罗托(H.W.Kroto)等用质谱仪，严格控制实验条件，得到以 C60为主的质谱图由于受建筑学家布克米尼斯特·富勒(Buckminster Fuller)设计的球形薄壳建筑结构的启发，克罗托等提出 C60是由 60 个碳原子构成的球形 32 面体，即由 12 个五边形和 20 个六边形构成其中五边形彼此不相连，只与六边形相连每个碳原子以 sp2 杂化轨道和相邻的 3 个碳原子相连，剩余的 p 轨道在 C60 分子的外围和内腔形成键。
除 C60外，具有封闭笼状结构的还可能有 C28、C32、C50、C70、C84……C240、C540等，统称为Fullerene图 6-4 Fullerene 笼状结构系列(2)C60的超导性1991 年，赫巴德(Hebard)等首先提出掺钾 C60具有超导性，超导起始温度为 18 K，打破了有机超导体(Et)2Cu[N(CN)2]Cl 超导起始温度为 12.8 K 的纪录不久又制备出 Rb3C60的超导体，超导起始温度为 29 K表 6-1 列出了已合成的各种掺杂 C60的超导体和超导起始温度，说明掺杂 C60的超导体已进入高温超导体的行列我国在这方面的研究也很有成就，北京大学和中国科学院物理所合作，成功地合成了 K3C60和 Rb3C60超导体，超导起始温度分别为 8 K 和 28 K有科学工作者预言，如果掺杂 C240和掺杂 C540，有可能合成出具有更高超导起始温度的超导体表 6-1 A3C60的超导起始温度(Tc)(A：K、Rb、Cs)A3K3K2RbRb1.5K1.5Rb2K(＃1)Rb2K(＃2)Rb3Rb2CsRbTl2Cs3Tc/K19.2821.8022.1524.4026.4029.4031.342.530(3)C60的命名克罗托等人之所以能够勾画出 C60的分子结构，富勒的启示起了关键性作用，因此他们一致建议，用布克米尼斯特·富勒(Buckminster Fuller)的姓名加上一个词尾-ene 来命名 C60及其一系列碳原子簇，称为 Buckminsterfullerene，简称 Fullerene，中译名为富勒烯。
为什么要在 Fuller 的后面加上一个词尾ene 呢?这是考虑到 C60分子和苯及其衍生物一样，都具有芳香族的结构，具有不饱和性，而在英文中，对具有不饱和性的化合物的命名常常带有词尾-ene，于是便产生了 Fullerene 这个名称，中译名里对带词尾-ene 的化合物常被译成烯，于是，Fullerene 的中译名就是富勒烯由于 C60分子的形状和结构酷似英国式足球(soccer)，所以又被形象地称为Soccerene(同样带有词尾-ene)，中译名为“足球烯”还有人用富勒的名字(Buckminster)的词头 Buck 来命名，称为 Buckyball，中译名为“布基球”对于将 C60及其一系列碳原子簇称为烯，在化学界是有争议的，因为根据有机化学系统命名原则，烯表示含双键的烃，而 C60及其一系列碳原子簇是完全由碳原子组成的单质，并不是一种化合物，当然也不是烯烃因此，有些化学家不同意使用富勒烯这个名称可是，在命名这个问题上历来都有尊重约定俗成的习惯，也许细说起来富勒烯这个名称有它不合理和可以探讨的地方，但是由于约定俗成的原因，现在的书籍和文献中仍都采用Fullerene 这个名称。
有人建议称 C60及其一系列碳原子簇为“球碳”，理由是它们是由碳元素组成的球形分子；有人建议称为“笼碳”，理由是它们是一种中空的笼形分子；还有人建议把“球碳”、“笼碳”和“富勒”综合起来，称为“富勒球碳”、“富勒笼碳”总而言之，在 C60及其一系列碳原子簇的命名上，真称得上百家争鸣了，但迄今为止，还没有一种令大家都满意的名称4)C60的潜在应用前景除了超导领域以外，C60在以下几个方面也具有广泛的应用前景①气体的贮存利用 C60独特的分子结构，可以将 C60用作比金属及其合金更为有效和新型的吸氢材料每一个 C60分子中存在着 30 个碳碳双键，因此，把 C60分子中的双键打开便能吸收氢气现在已知的 C60的稳定的氢化物有 C60H24、C60H36和 C60H48在控制温度和压力的条件下，可以简单地用 C60和氢气制成 C60的氢化物，它在常温下非常稳定，而在 80 ℃～215 ℃时，C60的氢化物便释放出氢气，留下纯的 C60，它可以被100%地回收，并被用来重新制备 C6。