6.碳和碳的氧化物
2026/8/3约 5914 字...
第六单元 碳和碳的氧化物
自学建议 🌟
- 整个单元的总开关就一句话:"结构不同 → 性质不同 → 用途不同"。
- 碳的单质(金刚石、石墨、C₆₀),都是碳元素组成的,但碳原子"排队方式"不一样,所以差别巨大。记住这个,就不容易混。
- CO 和 CO₂ 都由碳、氧组成,但分子构成不同 → 性质天差地别。重点记 CO 的可燃性、还原性、毒性,CO₂ 的不燃不助燃、和水的反应、和石灰水的反应。可以列表对比。
- 实验室制二氧化碳是重点实验:大理石(或石灰石)+ 稀盐酸,装置是"固液不加热型",用向上排空气法收集,燃着木条放瓶口验满。预习时理清这条逻辑。
- 本单元方程式较多,别光抄,每节课后合上书自己默一遍,重点看条件和↑↓。
单元导学(学习目标)
学完这一单元,你要能:
- 知道碳的单质(金刚石、石墨、C₆₀ 等)及其物理性质差异的原因(碳原子排列方式不同)。
- 掌握碳、一氧化碳、二氧化碳的化学性质,会正确书写并配平相关化学方程式。
- 理解氧化反应、还原反应的概念,能从"得氧失氧"角度判断。
- 掌握实验室制取二氧化碳的原理、装置、收集方法、检验与验满。
课题1 碳单质的多样性
一、碳的单质
🌟 老师先说一句:金刚石、石墨、C₆₀ 都是只由碳元素组成的单质。同样是碳,命运却完全不同,秘密全在"碳原子怎么排队"上。
(一)金刚石 💎
- 概念:纯净的金刚石是无色透明的固体,它是天然存在的最硬的物质。
- 性质与用途对应:
- 硬度最大 → 用来裁玻璃、切割大理石、加工坚硬的金属,装在钻机的钻头上钻凿坚硬的岩层;
- 经过仔细琢磨 → 成为璀璨夺目的装饰品——钻石;
- 金刚石薄膜(在特殊条件下制备):透光性好、硬度大 → 可用作透镜等光学仪器的涂层;导热性好 → 可用于集成电路基板散热,提高芯片性能。
- 生活例子:你见过的钻石戒指,本质上就是碳;玻璃刀头上镶的金刚石能划开玻璃,靠的就是它最硬。
(二)石墨 ✏️
- 概念:石墨是一种灰黑色、有金属光泽的固体;石墨很软,有滑腻感;石墨的熔点高,具有优良的导电性能。
- 性质与用途对应:
- 很软、灰黑色、有滑腻感 → 作铅笔芯("铅笔"里的"铅"其实是石墨,不含铅!);
- 导电性好 → 作石墨电极(如干电池中心的黑棒);
- 导电性好 + 有滑腻感 + 熔点高 → 作高铁列车的受电弓滑板(与接触网持续摩擦获取电力)。
- 生活例子:铅笔上标"2B""HB",B 越多越软越黑,靠的就是石墨;高铁车顶那条与电线摩擦的滑板,也用到石墨。
(三)木炭与活性炭 🧽
- 概念:日常生活和工农业生产中常用的木炭、焦炭、活性炭和炭黑,它们的主要成分也是碳单质,结构与石墨类似。
- 吸附性:木炭具有疏松多孔的结构,因此具有吸附能力——可吸附一些食品和工业产品里的色素,也可吸附有异味的物质;活性炭的吸附作用比木炭的还要强。(吸附过程中不生成新物质)
- 用途:
- 活性炭:防毒面具里的滤毒罐(吸附毒气)、冰箱除臭剂、环保活性炭包(吸附室内装修产生的有害气体);制糖工业中脱色生产白糖;城市污水、工业废水和饮用水的深度净化处理。
- 木炭:吸附色素和异味,也可用作燃料。
- 炭黑:我国传统文房用具墨,就是用炭黑等材料制成的。
- 焦炭:冶金工业中把铁从它的氧化物矿石里还原出来。
- 易错提醒:书写时注意"炭"与"碳"的区别——"碳"指元素、核电荷数 6 的一类原子(碳元素、二氧化碳);"炭"指具体物质(木炭、活性炭、焦炭、炭黑)。考试常考这个字!
(四)C₆₀ ⚽
- 概念:每个 C₆₀ 分子是由 60 个碳原子构成的,C₆₀ 的分子结构形似足球。
- 用途:C₆₀ 的独特结构决定了它具有一些特殊的物理和化学性质,可应用于超导、催化、能源及医学等领域。我国科研机构在 C₆₀ 的制备和分离、性质和应用等方面已取得不少成就。
- 辨析:金刚石、石墨由碳原子直接构成;C₆₀ 由 C₆₀ 分子构成。三者都是由碳元素组成的单质,但构成微粒、原子排列方式不同。
- 🔎 拓展(教材资料卡片"碳单质的研究进展"):20 世纪 90 年代发现的碳纳米管(尺寸小、机械强度高、导电性好);2004 年从石墨中分离出的石墨烯(目前世界上人工制得的最薄的材料,厚度仅 0.335 nm,导电、导热性优异,相关科学家获 2010 年诺贝尔物理学奖);2010 年我国科学家合成石墨炔,2017 年中外联合团队合成 T‑碳。
(五)物理性质差异的原因(结构决定性质)
| 碳单质 | 碳原子排列方式 | 典型物理性质 |
|---|---|---|
| 金刚石 | 空间网状,碳原子排列紧密 | 无色透明,天然存在的最硬的物质 |
| 石墨 | 层状,层与层之间容易滑动 | 灰黑色、有金属光泽,很软、有滑腻感,熔点高、导电性好 |
| C₆₀ | 60 个碳原子构成的足球状分子 | 结构独特,具有一些特殊的物理和化学性质 |
- 结论:金刚石、石墨、C₆₀ 都是由碳元素组成的单质,物理性质却存在明显差异,其原因是碳原子的排列方式不同。这就是化学里"结构决定性质"的典型例子;而物质的性质在很大程度上又决定了物质的用途。
- 🧠 记忆口诀:"同种元素多单质,排列不同脾气异;金刚石硬石墨软,C₆₀ 圆圆像足球。"
⚠️ 易错提醒:金刚石和石墨是不同的物质,但都由碳元素组成、都是单质。它们物理性质不同的原因不是"碳原子大小不同""碳原子数目不同""由不同的原子构成",而是碳原子的排列方式不同(教材练习原题的正确答案)。
二、碳单质的化学性质
常温下碳的化学性质不活泼(所以古代字画、墨迹能保存很久);但在高温下,碳很"活跃",主要表现为可燃性和还原性。
(一)常温下化学性质稳定
- 在常温下,碳单质的化学性质不活泼:碳单质受日光照射或与空气、水接触,都不容易发生变化。
- 所以我国古代书法家、画家用墨(用炭黑等材料制成)书写或绘制的字画,能够保存很长时间而不变色。
- 生活例子:重要档案、合同要求用碳素墨水书写,也是这个道理。
(二)可燃性(与氧气反应)🔥
碳在氧气中燃烧,氧气是否充足决定产物不同:
| 燃烧情况 | 化学方程式 | 现象 |
|---|---|---|
| 氧气充足(充分燃烧) | 发出白光,放热,生成能使澄清石灰水变浑浊的气体 | |
| 氧气不足(不充分燃烧) | 生成有毒的 CO |
- 注意:CO(一氧化碳)有毒!所以冬天用煤炉取暖要通风,防止不充分燃烧产生 CO 使人中毒。
- ⚠️ 易错提醒:不少同学把"充分→CO₂、不充分→CO"记反。巧记:氧多,吃得饱,变成 CO₂(两个氧);氧少,吃不饱,只变成 CO(一个氧)。
(三)还原性(夺氧能力)⚗️
碳能夺取含氧化合物里的氧,本身被氧化,作还原剂。
1. 碳还原氧化铜(教材重点实验)
- 化学方程式:
- 实验现象:黑色粉末逐渐变红色(生成铜);生成的气体使澄清石灰水变浑浊(生成 CO₂)。
- 实验要点(教材【实验 6-2】):
- 木炭粉末和氧化铜粉末要刚烘干、混合均匀,再小心地铺放进试管;
- 加热时给酒精灯加网罩,使火焰集中并提高温度(最好使用酒精喷灯);
- 加热前先打开弹簧夹,导管另一端插入澄清石灰水中;
- 反应完毕:先撤出导管,再停止加热(防止石灰水倒吸炸裂试管),然后用弹簧夹夹紧乳胶管;
- 待试管冷却后,再把试管里的粉末倒在纸上观察。
2. 碳还原氧化铁(冶炼原理)
- 化学方程式:
- 工业上用碳(焦炭)还原金属氧化物来冶炼金属。
3. 碳还原二氧化碳
- 化学方程式:
- 说明:在高温条件下,碳单质还能使二氧化碳转化成一氧化碳。
4. 用途:碳单质与某些氧化物的反应可用于冶金工业(例如利用焦炭把铁从它的氧化物矿石里还原出来)。
三、还原反应
- 概念:含氧化合物里的氧被夺去的反应,叫还原反应。
- 对应关系(一对好兄弟):
- 得氧的物质 → 被氧化 → 具有还原性(如 C、CO);
- 失氧的物质 → 被还原 → 具有氧化性(如 CuO、Fe₂O₃)。
- 辨析:氧化反应和还原反应一定同时发生,像一对孪生兄弟,合称氧化还原反应。
- 🧠 记忆口诀:"失氧被还原,得氧被氧化;谁失氧谁被还原,谁给氧谁是还原剂。"
课题2 碳的氧化物
碳的两种氧化物:二氧化碳 CO₂ 和 一氧化碳 CO。它们都由 C、O 元素组成,但分子构成不同,性质差别巨大,是中考热点。
一、二氧化碳的性质实验
(一)倾倒实验(密度 + 不燃不支持燃)
- 操作:将一瓶 CO₂ 像倒水一样倾倒到放有两支燃着蜡烛(一高一低)的烧杯里。
- 现象:下层蜡烛先熄灭,上层后熄灭。
- 结论:① CO₂ 密度比空气大;② CO₂ 不燃烧、也不支持燃烧。
- 生活例子:这也说明为什么 CO₂ 能灭火——它像"看不见的被子"盖在火上,隔绝氧气又沉在下面。
(二)溶解性实验(塑料瓶变瘪)
- 操作:收集满 CO₂ 的软塑料瓶,加约 1/3 体积的水,立即旋紧瓶盖振荡。
- 现象:塑料瓶变瘪。
- 结论:CO₂ 能溶于水(部分溶于水,且与水反应)。
(三)与水反应的实验(纸花实验 / 石蕊实验)🌸
- 操作(教材【实验 6-5】,取三朵用石蕊溶液染成紫色的干燥纸花):
- 第一朵:喷水 → 纸花不变色(水不能使石蕊变红);
- 第二朵:放入盛满 CO₂ 的集气瓶中 → 纸花不变色(CO₂ 本身不能使石蕊变红);
- 第三朵:喷水后再放入盛满 CO₂ 的集气瓶中 → 纸花变红;
- 把第三朵纸花取出,小心地用吹风机吹干 → 红色又变回紫色(碳酸分解,CO₂ 从溶液里逸出)。
- 结论:CO₂ 与水反应生成碳酸(H₂CO₃),碳酸能使紫色石蕊溶液变成红色;碳酸很不稳定,容易分解。(石蕊是一种色素,遇酸变成红色)
- 化学方程式:
- 生成:
- 分解:
- 生成:
- ⚠️ 易错提醒:使石蕊变红的是碳酸 H₂CO₃,不是 CO₂ 本身!所以"CO₂ 能使石蕊变红"这句话是错的,应该说"CO₂ 与水反应生成的碳酸使石蕊变红"。
二、二氧化碳(CO₂)
(一)物理性质
- 无色、无味的气体;密度比空气大(相对分子质量 44 > 空气的平均相对分子质量 29);能溶于水——通常状况下 1 体积的水能溶解约 1 体积的二氧化碳,增大压强会溶解得更多(生产汽水等碳酸饮料就利用了这一性质)。
- 干冰:在一定条件下 CO₂ 会变成液体或固体,固态二氧化碳叫"干冰"。干冰升华时吸收大量的热,因此可作制冷剂,广泛用于食品的冷藏保鲜和运输、医疗上血液制品和疫苗的储存与运输;用飞机向云层中撒布干冰,干冰升华吸热使水蒸气迅速冷凝成水滴形成降雨,这就是人工增雨的奥秘。
- 辨析:干冰升华是物理变化(没有新物质生成,改变的是分子间的间隔)。
(二)化学性质
- 不燃烧、不支持燃烧(密度又大)→ 用于灭火。
- 与水反应生成碳酸:
- 与澄清石灰水反应(检验 CO₂ 的方法):
- 现象:澄清石灰水变浑浊(生成白色 CaCO₃ 沉淀)。
- ⚠️ 易错提醒:这个反应是检验 CO₂ 用的;但验满不能用石灰水,要用燃着木条放瓶口。
- 💡 生活例子:石灰墙壁"出汗"、久置的石灰水瓶壁有白膜,都是因为吸收了空气中的 CO₂ 生成 CaCO₃。
(三)用途
| 性质 | 用途 |
|---|---|
| 不燃、不支持燃、密度大 | 灭火 |
| 参与光合作用 | 气体肥料(大棚增产) |
| 能与水等物质反应 | 化工产品的原料 |
| 干冰升华吸热 | 制冷剂(食品冷藏保鲜、血液制品和疫苗运输)、人工增雨、舞台云雾 |
| 能溶于水(增大压强溶得更多) | 制碳酸饮料(汽水) |
- 生活例子:汽水、雪碧里的"气泡"就是溶解的 CO₂;影视舞台上云雾缭绕的景象,可以用固态二氧化碳(干冰)来制造。
(四)二氧化碳对生活和环境的影响
- 不供给呼吸:二氧化碳本身没有毒性,但不能供给呼吸。当空气中 CO₂ 的体积分数达到 3% 时会使人呼吸急促,达到 10% 时会使人丧失知觉、呼吸停止,以致死亡。因此在人群密集的地方应注意通风换气。
- 💡 生活例子:进入久未开启的菜窖、地窖前,要先做"灯火试验"。
- 温室效应:大气中的二氧化碳就像温室的玻璃或塑料薄膜一样,既能让阳光透过,又能吸收地面散发的热量,起到使地球升温的作用。正是因为有了温室效应,地球表层温度才能适合人类生存。能产生温室效应的气体除 CO₂ 外,还有**臭氧(O₃)、甲烷(CH₄)、一氧化二氮(N₂O)、氟氯代烷(氟利昂)**等。
- 碳循环:人和动植物的呼吸,煤、石油和天然气等化石燃料的燃烧,消耗氧气产生 CO₂;绿色植物等的光合作用吸收 CO₂、释放氧气。自然界中存在碳循环,大气中二氧化碳的含量相对稳定。
- 全球变暖:近几十年,化石燃料消耗急剧增加,森林又因乱砍滥伐等不断减少,大气中 CO₂ 含量不断上升,温室效应增强 → 全球变暖。危害如:两极冰川融化、海平面升高淹没沿海城市;土地沙漠化、农业减产;暴雨等极端天气增多、旱涝灾害加剧;影响自然生态系统、改变生物多样性等。
- ⚠️ 易错提醒:温室效应本身不是坏事(没有它地球会太冷),要防止的是"温室效应进一步增强";CO₂ 不是空气污染物。
(五)低碳行动与可持续发展
- 具体措施:签署并严格执行限制 CO₂ 排放的国际公约;减少使用化石燃料,更多利用太阳能、风能等清洁能源;开发普及节能产品和技术,提高能源生产与使用效率;大力植树造林,严禁乱砍滥伐;采用物理、化学等方法捕集、利用与封存二氧化碳等。
- 我国减排目标:二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值(碳达峰),努力争取 2060 年前实现碳中和。
- 🔎 拓展:二氧化碳的捕集、利用与封存——把排放源产生的 CO₂ 捕获、压缩后作工业原料利用,或输送到选定地点长期封存(如地层深处或海底);捕集可用化学吸收法,即用碱性吸收剂与 CO₂ 反应生成不稳定的物质,该物质在一定条件下分解重新释放 CO₂。
三、一氧化碳(CO)
(一)物理性质
- 一氧化碳是一种**无色、无臭(无味)**的气体,难溶于水;密度比空气略小(相对分子质量 28 < 空气的 29)。
- ⚠️ 易错提醒:因为难溶于水,所以室内放一盆水不能预防 CO 中毒!防毒关键是装烟囱、勤通风、装报警器。
(二)毒性 ☠️
- CO 极易与人体血液中的血红蛋白结合,使血红蛋白不能再与氧气结合,造成人体缺氧,严重时会危及生命。
- 预防:冬天用煤火取暖时一定要装烟囱,并注意室内通风;可加装 CO 报警器,燃气设备定期检修。
- 急救:如果发生 CO 中毒,轻度的应呼吸大量新鲜空气,严重的要立即送到医院进行治疗。
- 💡 生活例子:煤气厂在家用煤气(含 CO)中掺入微量有难闻气味的气体,就是为了泄漏时能及时被发觉;发现煤气泄漏应立即关阀门、开窗通风,切勿开关电器、动用明火。
- 辨析:CO₂ 本身没有毒性,但不能供给呼吸;CO 有毒(与血红蛋白结合)。两者都会"让人缺氧",但原因不同。
(三)可燃性 🔥
- CO 燃烧产生蓝色火焰,产物是 CO₂:
- ⚠️ 易错提醒:CO 是可燃性气体,点燃前必须验纯,防止与空气混合遇明火爆炸。
(四)还原性(冶金)⚗️
- 与木炭一样,一氧化碳也能使氧化铜还原成铜,同时生成二氧化碳。
- 还原氧化铜:
- 现象:黑色粉末变成红色,生成的气体能使澄清石灰水变浑浊。
- 用于冶金:一氧化碳与某些氧化物的反应可用于冶金工业,例如可利用一氧化碳来炼铁。
- 🔎 拓展:教材此处只说明"可利用一氧化碳来炼铁",未给出方程式;高炉炼铁的主要反应为
(学习金属时会详细学)。
- 🔎 拓展:教材此处只说明"可利用一氧化碳来炼铁",未给出方程式;高炉炼铁的主要反应为
- ⚠️ 安全提醒:CO 有毒,做这类实验要注意通风,尾气要点燃或收集处理,不能直接排入空气。
(五)CO 与 CO₂ 性质差异的原因
- CO 和 CO₂ 组成元素相同,但一个 CO 分子由一个 C 和一个 O 构成,一个 CO₂ 分子由一个 C 和两个 O 构成——分子构成不同,所以性质(毒性、可燃性、还原性)差异很大。
- 🧠 记忆口诀:"元素相同性未必同,分子构成定乾坤;CO 有毒可燃能还原,CO₂ 不燃能灭灯。"
课题3 二氧化碳的实验室制取
一、药品选择
- 药品:大理石(或石灰石,主要成分 CaCO₃) + 稀盐酸(HCl)。
- ❌ 不能用稀硫酸:稀硫酸与 CaCO₃ 反应生成 CaSO₄,微溶于水,会覆盖在大理石表面,阻止反应继续(反应一会儿就停了)。
- ❌ 不能用碳酸钠(Na₂CO₃):碳酸钠与酸反应速率太快,来不及收集且不易控制。
- ✅ 为何选稀盐酸:反应速率适中,便于收集,原料便宜。
二、反应原理
- 分两步理解(教材写法):
- 石灰石(大理石)与稀盐酸反应生成氯化钙和碳酸:
- 碳酸很不稳定,容易分解生成二氧化碳和水:
- 石灰石(大理石)与稀盐酸反应生成氯化钙和碳酸:
- 总的化学方程式:
- 实质:碳酸钙(碳酸盐)+ 稀盐酸(酸)→ 盐 + 水 + CO₂↑。
三、装置选择
| 项目 | 选择 | 原因 |
|---|---|---|
| 发生装置 | 固液不加热型 | 固体(大理石)+ 液体(稀盐酸),不需加热 |
| 收集装置 | 向上排空气法 | CO₂ 能溶于水且与水反应,不用排水法;密度比空气大 |
- 装置细节:
- 长颈漏斗末端要伸入液面以下(液封),防止气体从漏斗逸出;
- 导管要伸入集气瓶底部,便于排尽空气,收集更纯;
- 也可用分液漏斗/注射器控制滴加速率,控制反应速率。
四、检验与验满
- 检验(证明是 CO₂):将气体通入澄清石灰水,若变浑浊,则是 CO₂。
- ⚠️ 检验不能用燃着木条(能使木条熄灭的气体不止 CO₂,如 N₂ 也行)。
- 方程式:
- 验满(证明已收集满):将燃着的木条放在集气瓶口,若木条熄灭,则已收集满。
- ⚠️ 验满是"放瓶口",检验是"通瓶内",位置不同,别搞混!
五、操作顺序与制取气体的一般思路
- 操作顺序(教材练习):按要求组装好仪器 → 检查装置的气密性 → 向锥形瓶(试管)中放入几小块石灰石 → 向长颈漏斗中注入稀盐酸 → 收集气体。口诀:组装 → 查气密 → 加固体 → 加液体 → 收气体。
- 实验室制取气体的一般思路和方法(教材"方法导引"):
- 确定化学反应原理:需综合考虑反应速率大小,产生的气体是否易于收集、是否纯净,操作是否安全、简单,是否产生污染,以及试剂价格等因素;
- 设计实验装置:根据反应物的状态和反应条件确定发生装置;根据气体的密度、是否溶于水、是否与水反应等性质确定收集装置(必要时还要考虑除杂装置和尾气处理装置);
- 验证得到的气体:根据气体的性质(如可燃性或助燃性、与某些试剂反应有沉淀生成等)进行验证。
结语
碳,是生命的骨架,也是工业的脊梁。从坚硬的金刚石到柔软的石墨,从温暖的炉火到无形的二氧化碳,同一元素演绎出截然不同的精彩。这一单元,方程式的"戏份"很重——碳的三种还原性反应、CO₂ 的三个反应、CO 的两个反应、实验室制 CO₂,建议整理成一张"方程清单"贴在书桌前,每天默写一遍。多写多练,方程就不再是负担,而是你解题的武器!🎉