1、高中一年级化学鲁科必修1第03章第1节第3章 自然界中的元素第1节 碳的多样性在一百多种元素中，有一种元素组成的单质和化合物种类已经远远超过三千万种，你知道这是哪一种元素吗？对了，这种元素就是碳元素。在初中我们接触过碳，知道碳既是构成生物体的基本元素，又是构成地壳中岩石和化石燃料的主要元素。碳以多种形态存在于自然界中。下面，就让我们一起来感受碳的多样性吧。 研习教材重难点研习点1 碳单质的多样性1同素异形体（1）同素异形体的概念：由同一种元素组成的性质不同的几种单质，叫做该元素的同素异形体。（2）常见的同素异形体：碳：金刚石、石墨、C60；氧：氧气、臭氧（O3）。【领悟整合】由于同素异形体由同
2、种元素构成，所以同素异形体往往具有相似的化学性质；但由于组成同素异形体各种单质的原子间连接的方式不同（即结构不同），因此同素异形体的物理性质往往有很大差别。2金刚石、石墨、C60（1）结构金刚石：每个碳原子与另外4个碳原子以一种较强的相互作用相连接，形成正四面体结构，向空间伸展形成空间网状结构。石墨：石墨晶体是层状结构。在同一层内，碳原子排列成正六边形(碳原子位于正六边形的顶点上)，一个个正六边形排列成平面网状结构，每一个碳原子都跟其他3个碳原子相连。在同一层内，相邻的碳原子以较强的相互作用相结合，但层与层之间以一种较弱的相互作用相结合。C60：C60分子是由60个碳原子构成的，它的形状像足球
3、，由12个正五边形和20个正六边形组成。分子内部，碳原子间以较强的相互作用结合，但分子间的相互作用较弱。（2）性质同素异形体金刚石石墨C60主要物理性质硬度大、熔沸点高硬度小、熔沸点高，易导电硬度小、熔沸点低主要化学性质相似，如在一定条件下都可与氧气反应，生成CO2典例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37 K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CC60燃烧时可生成CO2 D摩尔质量是720研析：这是一道与分子C60
4、相关的题目，主要考查学生对基本概念的掌握及有关信息获取的能力。涉及的中学化学知识有化合物、同素异形体、摩尔质量等基本概念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gmol-1。答案：B、C。研习点2 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、方解石、白云石、菱锌矿、菱镁矿、菱铁矿等。2碳酸钠和碳酸氢钠（1）碳酸钠和碳酸氢钠的比较化学式Na2CO3Na
5、HCO3俗名纯碱、苏打小苏打色态白色粉末细小白色晶体溶解性易溶于水较易溶于水(溶解度较Na2CO3小)热稳定性不易分解受热易分解2NaHCO3Na2CO3CO2H2O与HCl反应Na2CO32HClCO2H2O(较快)NaHCO3HClCO2H2O(剧烈)与NaOH反应不反应HCO3-OHCO32-H2O与CO2反应Na2CO3CO2H2O2NaHCO3不反应用途用于玻璃、肥皂、造纸、纺织等工业；洗涤剂发酵剂、灭火器，医疗上用于治胃酸过多（2）碳酸钠和碳酸氢钠的鉴别方法热稳定性不同。分别加热少量固体，若发生分解反应，将产生的气体通入澄清的石灰水中，石灰水变浑浊的原试剂是NaHCO3，另一个为N
6、a2CO3。和酸反应生成气体的速率不同。分别取一定量的固体，加入等浓度等体积的盐酸，反应快、产生气体相应多的为碳酸氢钠，另一个为碳酸钠。阴离子不同。分别取其稀溶液，滴加氯化钡稀溶液或CaCl2溶液，产生沉淀的原试剂为碳酸钠，另一个为碳酸氢钠（特别注意：该方法必须取极稀溶液）。（3）Na2CO3和NaHCO3在一定条件下的相互转化：溶液中：NaHCO3+NaOH=Na2CO3+H2O， Na2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3固体中：NaOH+NaHCO3Na2CO3+H2O，2NaHCO3Na2CO3+CO2+H2O【品思感悟】Na2CO3与盐酸反应是分步进行的：Na2CO3HClNaHC
7、O3NaCl， NaHCO3HClCO2H2O（1）由于NaHCO3跟HCl反应一步完成，所以NaHCO3跟HCl反应比Na2CO3跟HCl反应放出CO2的速率快。（2）当Na2CO3溶液与稀盐酸反应时，加入试剂的次序不同，产生的现象不同若往碳酸钠溶液中滴加盐酸，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，产生的气体较少（有可能在滴加的局部范围内完成二步反应，看到有气体产生）。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，试管中酸充足过量，滴入碳酸钠溶液很快完成上述二步反应，因此很容易观察到气体产生
8、。利用上述现象，可以不用任何试剂鉴别二者。典例2：下列说法中不正确的是ANa2CO3比NaHCO3易溶于水BNa2CO3比NaHCO3稳定C石灰水能与Na2CO3反应，而不能与NaHCO3反应D与足量盐酸反应要得到相同质量的CO2，用NaHCO3比Na2CO3的质量要多研析：石灰水也能与NaHCO3反应，使酸式盐变成正盐，Ca(OH)22NaHCO3CaCO3Na2CO32H2O制取相同质量的CO2，如都制取44 g CO2，在盐酸足量的情况下，需NaHCO3 84 g，需Na2CO3则106 g。NaHCO3HClNaClCO2H2O84g 44gNa2CO32HCl2NaClCO2H2O1
9、06g 44g答案：C、D。典例3：现有一包混有少量碳酸氢钠的碳酸钠固体，称得其质量为10.00g。请回答：（1）除去该混合物中的碳酸氢钠的方法是 。（2）若将该混合物加热至质量不再变化时，剩余固体质量为9.38g。计算原混合物中碳酸钠的质量分数。研析：（1）根据NaHCO3受热分解生成Na2CO3、H2O（气）、CO2 ，将混合物加热至不再产生气体为止，可除去该混合物中的碳酸氢钠。 （2）题中介绍“加热至固体质量不再变化”，就指明其中NaHCO3已完全分解，而固体减少的质量是放出CO2和H2O（气）的质量之和。设原混合物中含NaHCO3质量为x，由题意知，2 NaHCO3 Na2CO3H2O
10、CO2 284g (1844) gx (10.00g9.38g)168g：62gx： (10.00g9.38g)解得 x=1.68g(Na2CO3)=100%=98.32%答案：（1）将混合物加热至不再产生气体为止 （2）98.32%。研习点3碳及其化合物间的转化1自然界中碳及其化合物的转化（1）碳及其化合物在自然界中的转化示意图（2）模拟溶洞的形成溶洞的形成原理石灰岩的主要成分是碳酸钙。碳酸钙遇到溶有二氧化碳的水时，会慢慢变成可溶于水的碳酸氢钙Ca(HCO3)2。当受热或压强突然变小时，水中碳酸氢钙会分解，重新变成碳酸钙沉积下来。在自然界里不断发生上述反应，石灰岩逐渐变成碳酸氢钙而溶解掉，形
11、成溶洞；碳酸氢钙不断分解，生成的碳酸钙逐渐沉积，形成千姿百态的钟乳石、石笋和石柱。实验报告：实验目的：探究溶洞的形成原理实验准备：将CO2通入澄清石灰水中，得到CaCO3白色沉淀，备用。实验方案及实验记录：实验步骤实验现象化学方程式向得到的悬浊液中继续通入足量的CO2气体CaCO3白色沉淀逐渐溶解CaCO3CO2+H2OCa(HCO3)2 将所得溶液小心加热溶液重新变浑浊并冒出气泡Ca(HCO3)2CaCO3CO2+H2O【梳理总结】自然界在永不停息的进行着碳的转化，这种转化形式多种多样，速度也有快有慢，总体上处于平衡状态。但是，由于现代化工业社会过多燃烧煤炭、石油和天然气，这些燃料燃烧后放出
12、大量的二氧化碳气体进入大气，破坏了这种平衡，造成了“温室效应”。2生产和生活中碳及其化合物间的转化（1）高炉炼铁原料：焦炭、铁矿石；高炉煤气的主要成分：CO、CO2、Fe2O3、N2等；CO生成的化学方程式： CO2CO2；C CO2 2CO还原铁的氧化物的化学方程式：Fe2O3 3CO2 Fe 3CO2（2）木炭燃烧：CO2 CO2 2CO22CO 2COO22CO2 CCO2 2CO生成水煤气的化学方程式为：CH2OCOH2（3）水垢的形成：有关化学方程式为：Ca(HCO3)2CaCO3 CO2H2O如何除去水壶中的水垢？加入醋酸，可以将CaCO3物质等溶解。（4）无机化合物与有机化合物间
13、的转化1828年，德国化学家维勒用无机物氰酸铵合成出有机化合物尿素，打破了无机物和有机物之间的界限。碳及其化合物的转化，对人的生活、生产来说意义重大。典例4：近年来大气中CO2增多，引起“温室效应”，请回答有关问题：（1）空气中CO2的主要来源是什么？（2）自然界中消耗CO2的主要过程是哪些？研析：本题引导学生要关注生活、关注环境问题，做到学以致用，这是新课程的重要精神。尽管二氧化碳的产生途径很多，但是大量化石燃料的燃烧是产生二氧化碳的主要来源。由于江、海的面积大，将溶解大量二氧化碳，光合作用也将消耗大量二氧化碳。答案：（1）含碳燃料的大量燃烧。（2）溶于江水、海水；绿色植物的光合作用；岩石的
14、风化等。典例5：古代的“药金”外观与金相似，常被误认为是金子。冶炼方法如下：将碳酸锌、赤铜（Cu2O）、木炭混合加热至800得金光闪闪的“药金”。（1）“药金”的主要成分是 。（2）有关冶炼的化学方程式是 ， ， 。研析：解答本题可借用“相似类推”，以旧知识迁移应用于题给信息。解题思路为：由碳酸钙、碳酸镁在高温时分解生成金属氧化物和二氧化碳的事实可推知：碳酸锌在高温时也分解，生成氧化锌和二氧化碳气体；由碳与氧化铜在高温时反应生成铜和二氧化碳的事实可推知：碳在高温时也能将赤铜（Cu2O）中的铜和氧化锌中的锌置换出来，本身被氧化能够二氧化碳。由此可知答案。答案：（1）Zn、Cu（2）ZnCO3Zn
15、OCO2C2Cu2O4CuCO2 C2ZnO2ZnCO2 探究解题新思路 基础思维探究题型一、同素异形体典例1：金刚石、石墨、C60性质有所不同，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硬度不同研析：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。友情提醒：同素异形体是本节一个重要的概念，同学们一定要把握其实质：“同素”即由同种元素构成；“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。拓展变式
16、11985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分别是金刚石或石墨的结构示意图。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）。1研析：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、
17、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。题型二、Na2CO3与稀盐酸的反应过程典例2：现有25mL 2mol/L的Na2CO3 溶液和75mL 1mol/L的稀盐酸，将Na2CO3溶液缓缓滴加到盐酸中 将稀盐酸缓缓滴加到Na2CO3溶液中，在标准状况下产生的气体情况是A. 均为
18、0.84L B. 均为0.56L C. D. 研析：虽然都是Na2CO3与盐酸反应，但滴加顺序不同，结果产生的CO2的量不一定相同。将Na2CO3溶液滴入盐酸中，刚开始盐酸过量：Na2CO3 2HCl2NaClCO2H2O应按盐酸的量计算气体体积：V122.4L/mol0.075mol1/20.84L将盐酸滴入Na2CO3溶液中，反应分两步：Na2CO3 HClNaClNaHCO3 ；NaHCO3HClNaClCO2H2O生成的CO2用第二步余下的盐酸计算：V2(0.075mol0.05mol)22.4L0.56L所以V1V2答案：C总结提升：本题考查的是Na2CO3 与盐酸反应时，滴加顺序不
19、同时，产生的气体体积也不同，计算时，要分析清楚化学反应的过程，正确写出反应式是关键。拓展变式2向碳酸钠的浓溶液中逐滴加入稀盐酸直到不再产生二氧化碳气体为止，则在此过程中，溶液的碳酸氢根离子浓度变化趋势可能是：A逐渐减小 B逐渐增大C先逐渐增大，而后减小D先逐渐减小而后增大你的选择是 （填正确选项的标号）。试用化学方程式和简要文字表达其理由。2研析：本题考查可溶性正盐与强酸反应的过程及逻辑思维能力和科学语言的表达能力。初中化学所学的碳酸钠与盐酸的反应：Na2CO3+2HCl=2NaCl+CO2+H2O是在两两混合的情况下一步完成的。而本题所给的关键信息是“碳酸钠的浓溶液”和“逐滴加入稀盐酸”。由
20、于碳酸钠是强电解质，在溶液中完全电离： Na2CO3=2Na+CO32-，在其浓溶液中存在大量CO32-离子，逐滴加稀盐酸时，加入的H+立即与CO32-结合：H+CO32-=HCO3-导致HCO3-离子浓度逐渐增大，当加入的盐酸中所含H+的物质的量与溶液中CO32-的物质的量相等时HCO3-达到最大值。再继续加酸时，H+将进一步与HCO3-结合：H+HCO3-=H2O+CO2导致HCO3-离子浓度又逐渐变小，当加入的盐酸中所含氢离子的物质的量为Na2CO3溶液中碳酸根离子物质的量的两倍时，反应完全，HCO3-浓度几乎为零。答案：C。首先因为有Na2CO3=2Na+CO32-和CO32-+H+=
21、HCO3-的反应，溶液中HCO3-的浓度逐渐增大；而后又因进一步反应：H+HCO3-=CO2+H2O而使溶液中HCO3-的浓度逐渐减小。题型三、二氧化碳与碱的反应典例3：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）的关系正确的是研析：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完全反应完后，沉淀达到最大量，CO2与KOH溶液反应生成K2CO3，K2CO3再转化为KHCO3溶液，沉淀量保持不变，如果继续通入CO2，CO2与CaCO3反应沉淀溶解，直到沉淀完全溶解。且生成沉
22、淀消耗的CO2和溶解沉淀消耗的CO2的量相等。答案：A。方法导引：本题是一道图象题，将化学反应的过程用图象的形式表示，解此类题应注意首先要理解坐标的含义，然后观察曲线的形状走向，注意曲线的起点、折点、终点等特殊点，再与反应原理结合综合分析。解本题还应注意判断反应的先后顺序，当足量二氧化碳通入氢氧化钾和氢氧化钙混合稀溶液中，因二氧化碳在强碱水溶液中以CO32-形式存在，CO32-与Ca2生成白色沉淀，所以二氧化碳与氢氧化钙溶液先反应。当二氧化碳再通入碳酸钙和氢氧化钾的混合物中，二氧化碳先与氢氧化钾溶液反应。拓展变式3（1）写出典例3中有关反应的离子方程式。（2）将典例3中反应后所得溶液加热煮沸，
23、有何现象？写出反应的离子方程式。（3）若将标准状况下2.24 L二氧化碳通入400 mL 0.3 molL1的氢氧化钾溶液中，生成何种物质？其物质的量分别是多少？ 3研析：（1）见上题；（2）最后的溶液是KHCO3和Ca(HCO3)2的混合溶液，它们都容易分解，其中Ca(HCO3)2更容易分解，在溶液中分解的主要是Ca(HCO3)2；（3）将二氧化碳通入氢氧化钾溶液中，发生的反应主要有：CO22KOHK2CO3H2O；K2CO3CO2H2O2 KHCO3n(KOH)0.4L0.3 molL10.12 mol ；假设恰好生成K2CO3，则消耗CO20.06mol；假设恰好生成KHCO3，则消耗C
24、O20.12mol；n(CO2)0.1 mol，介于二者之间，因此，生成的物质应该是K2CO3和KHCO3。设K2CO3和KHCO3的物质的量分别为x、y，则有xy0.1 mol（碳守恒）2xy0.12 mol（钠守恒）解得：x0.02 mol；y0.08 mol答案：（1）CO22OHCa2CaCO3H2O；CO22OHCO32-H2OCO32-CO2H2O2HCO3-；CaCO3CO2H2OCa22HCO3-（2）冒出气泡，产生白色沉淀。Ca22HCO3-CaCO3CO2+H2O（3）K2CO3：0.02 mol；KHCO3：0.08 mol 综合思维探究题型一、学科内综合题典例4：从某悬
25、浊液开始，可以发生如下框图所示的一系列变化图1回答下面问题：（1）操作的名称是_。在操作中所使用的玻璃仪器的名称是_。（2）写出反应和反应的化学方程式：反应：_。反应：_。（3）在实验室中，如果获得干燥纯净的气体A，可以将它通过如图2中的装置，其中瓶中盛放的试剂是_。瓶中盛放的试剂是_。收集干燥气体A的方法是_。图2研析：悬浊液是Ca(OH)2，过滤得到白色固体是Ca(OH)2，无色溶液是澄清石灰水，白色固体Ca(OH)2在空气中长时间放置发生如下反应：Ca(OH)2CO2CaCO3H2O；加稀盐酸发生如下反应：CaCO32HClCaCl2CO2H2O，进而全题可顺序作答。答案：（1）过滤 漏
26、斗、玻璃棒烧杯（2）Ca（OH）2CO2CaCO3H2OCa（OH）2Ca（HCO3）22CaCO32H2O（3）饱和NaHCO3溶液 浓H2SO4 向上排气法启发引申：本题是一道融框图推断、实验（包括气体的收集、干燥、净化）为一体的综合实验题对于框图推断题，先找出解题的“题眼”，再逐个推断；气体的除杂、干燥是气体制备的重要步骤，应注意选择除杂剂、干燥剂的条件，如二氧化碳气体中混有氯化氢气体，应将混合气体通过饱和碳酸氢钠溶液除去，而不应选择碳酸钠溶液然后结合下面的“拓展变式”进一步分析混合气体中各成分检验原理、先后顺序，并比较气体的除杂与气体的检验区别。拓展变式 4某无色混合气体可能含有CO2
27、、CO、H2O（水蒸气）、H2中的一种或几种，依次进行如下连续处理（假定每步处理均反应完全）：通过碱石灰时，气体体积变小；通过赤热的氧化铜时，固体变为红色；通过白色硫酸铜粉末时，粉末变为蓝色；通过澄清的石灰水时，溶液变得浑浊。由此可以确定混合气体中含有 。4研析：由可知碱石灰吸收的是CO2或H2O或两者的混合物；由可知，CuO被还原为Cu，还原剂为CO或H2或二者的混合物；由可知，反应生成了H2O，故原混合气体中一定有氢气；由反应可知，反应又生成了CO2，故原混合气体中一定有CO。答案：混合气体中一定含有CO、H2，至少含有H2O、CO2中的一种。题型二、实际应用题典例5：用石灰水保存鲜蛋是一
28、种化学保鲜方法，这种保存鲜蛋方法的原理是 石灰具有强碱性，杀菌能力强 Ca（OH）2能与鲜蛋呼出的CO2反应，生成碳酸钙薄膜，起保护作用 石灰水是电解质溶液，能使蛋白质凝聚 石灰水能渗入蛋内中和酸性物质 A B C D 研析：石灰有杀菌的作用，可以制作农药。Ca（OH）2CO2CaCO3H2O，生成CaCO3沉淀形成薄膜，可以防止细菌的侵入。使蛋白质凝聚加速蛋变质。与蛋内物质反应会影响鲜蛋的质量。答案：A。考向指南：学以致用才能体现出知识的价值，用石灰水保存鲜蛋是我们熟悉的，但其中的原理是什么?这是同学们非常感兴趣的，在解决问题的过程中，不仅能巩固所学知识，而且能培养我们的学习兴趣。在新课标下
29、，这类题型将会成为一种主流题型，同学们应多加注意。拓展变式5我国是最早生产和使用钢铁的国家。在古代，人们把烧红的生铁放在铁砧上反复锤打最终使生铁转化为钢。请写出上述过程中最关键反应的化学方程式： 。5研析：抓住生铁和钢的区别在于前者含碳量高，后者含碳量低的特征，要使生铁变成钢就是降低含碳量，联想碳的可燃性，将烧红的生铁反复锤打，就是让碳充分与空气接触，从而达到除去的目的。答案： C+O2CO2题型三、实验操作题典例6：某实验小组拟用50 mL NaOH溶液吸收CO2气体，制备Na2CO3溶液。为了防止通入的CO2气体过量生成NaHCO3，设计了如下实验步骤：用25 mLNaOH溶液吸收CO2气体，至CO2气体不再溶解；小火煮沸溶液1min2min；在得到的溶液中加入另一半（25 mL）NaOH溶液，使其充分混合。此方案能制得较纯净的Na2CO3（第一步的实验装置如图所示）（1）将块状大理石加入试管中的正确方法是 _。（2）写出、两步的化学反应方程式 _。（3）装置B中盛放的试剂是_，作用是_。（4）有人认为将实验步骤、的顺序对调，即先混合再煮沸，更合理；你认为对吗？_（填“对”或“不对”），理由 。研析：（1）将试管平放，用镊子把块状大理石放在试管口，将试管慢慢
