高中化学 第三章 自然界中的元素 第1节 碳的多样性学案(2)鲁科版必修1

第1节 碳的多样性

庖丁巧解牛

知识·巧学·升华

一、多种多样的碳单质 1．碳元素的存在

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?......葡萄糖蛋白质大理石化合态石墨金刚石游离态碳元素

要点提示 注意此处空半格金刚石、石墨、C 60都是碳的同素异形体。（同素异形体是指同种元素形成的不同单质） 3．不同碳单质的结构特点 （1）石墨的结构特点

石墨的片层结构

①C 原子呈层状排列，每层上的所有C 原子都在同一平面上。

②片层内每个C 原子与它周围的3个C 原子相连，形成平面正六边形。 （2）金刚石的结构特点

最小环状结构

①每个C原子与它周围相连的4个C原子形成1个正四面体。

②每6个C原子形成1个最小的环状结构，6个C原子不在同一平面上。

（3）C60的结构特点

C60中的正五边形和正六边形

①球状结构，形似足球，号称足球烯。

②每个C60分子中，含有12个正五边形和20个正六边形。

4．同素异形体

由同一种元素形成的不同的单质，叫做该元素的同素异形体。

碳元素的同素异形体有金刚石、石墨、C60等，氧元素的同素异形体有O2、O3。

要点提示注意此处空半格（1）同素异形体可从字面理解其含义，“同素”即同种元素，“异形”即不同的结构，具有不同的物理性质。

（2）同素异形体中只含1种元素，是单质，不是原子，更不是化合物。

二、广泛存在的含碳化合物

1．含碳化合物：碳元素在自然界中主要以化合态的形式存在，碳元素是构成化合物种类最多的元素。

2．Na 2CO 3与NaHCO 3

（1）物理性质和用途：碳酸钠俗称纯碱或苏打，是白色固体，广泛用于玻璃、造纸等工业；碳酸氢钠俗称小苏打，是白色固体，是焙制糕点所用的发酵粉的主要成分之一。 （2）Na 2CO 3和NaHCO 3的化学性质

2322322 离子方程式：-23CO +2H +

══H 2O+CO 2↑, -

3HCO +H +

══H 2O+CO 2↑

要点提示 注意此处空半格Na 2CO 3与HCl 的反应共分两步进行： （1）Na 2CO 3+HCl══NaHCO 3+NaCl （2）NaHCO 3+HCl══NaCl+H 2O+CO 2↑ 总：Na 2CO 3+2HCl══2NaCl+H 2O+CO 2↑ ②与碱反应

化学方程式：Na 2CO 3+Ba （OH ）2══BaCO 3↓+2NaOH 2NaHCO 3+Ba （OH ）2══BaCO 3↓+Na 2CO 3+2H 2O

离子方程式：-23CO +Ba 2+

══BaCO 3↓2H -3CO +2OH －

+Ba 2+

BaCO 3↓+2H 2O+-

23CO

③与盐反应

化学方程式：Na 2CO 3+BaCl 2══BaCO 3↓+2NaCl NaHCO 3+BaCl 2不反应

离子方程式：-

23CO +Ba 2

══BaCO 3↓

要点提示 注意此处空半格①-23CO 可以与Ba 2+

反应生成白色沉淀，但-3HCO 与Ba 2+

不

反应。②鉴别Na 2CO 3和NaHCO 3可用BaCl 2溶液：滴入BaCl 2溶液能生成白色沉淀的是Na 2CO 3溶液，无明显现象的是NaHCO 3溶液。 ④NaHCO 3的其他性质——受热分解。

NaHCO 3热稳定性差，受热发生分解反应：2NaHCO 3?Na 2CO 3+H 2O↑+CO 2↑Na 2CO 3热稳定性好，受热不发生分解反应。

要点提示 注意此处空半格不仅固体NaHCO 3受热易分解，所有的碳酸氢盐固体受热都易发生分解。

（3）碳酸盐与碳酸氢盐的相互转化：

一般说来，碳酸盐能与碳酸（二氧化碳和水）反应转化为碳酸氢盐，碳酸氢盐能与碱反应转化为碳酸盐。

上述转化的化学方程式为

①Na2CO3+H2O+CO2══2NaHCO3

②NaHCO3+HCl══NaCl+H2O+CO2↑

③Na2CO3+2HCl══2NaCl+H2O+CO2↑

④CO2+NaOH══NaHCO3

⑤2NaHCO3?Na2CO3+H2O+CO2↑

NaHCO3+NaOH══Na2CO3+H2O

⑥CO2+2NaOH══Na2CO3+H2O

（4）Na2CO3与NaHCO3比较

三、碳及其化合物之间的转化

1．自然界中碳及其化合物间的转化

（1）转化

碳在自然界中的循环是生命活动的一部分，因为碳是构成蛋白质的重要元素。 （2）模拟溶洞的形成

要点提示 注意此处空半格溶洞的形成就是通过CaCO 3与Ca （HCO 3）2之间的相互转化来实现的。在书写离子方程式时，Ca （OH ）2有两种形式。若题干中指明是澄清石灰水则写成离子形式，若题干中指明是石灰乳则写成化学式。 （3）自然界中碳及其化合物的其他转化

①火山喷发比较频繁的时代，火山把大量的CO 2喷发到大气里。

②热带植物大量死亡的时代，死亡的植物经过漫长的过程转化成煤。人类的活动，特别是化石燃料的大量燃烧，使大气中CO 2的含量猛增，破坏了自然界里碳及其化合物间的转化平衡，导致了“温室效应”。

2．生活和生产中碳及其化合物间的转化 （1）高炉炼铁原理

①CO 的产生：C+O 2C ?2000CO 2，CO 2+C C ?1300

2CO 在CO 还原铁矿石的过程中，C 元素被氧化：FeO+CO 高温Fe+CO 2，Fe 3O 4+4CO 高温3Fe+4CO 2，Fe 2O 3+3CO 高温2Fe+3CO 2。

（2）C→CO:20

)

(还原剂C

+0

)

(2

氧化剂O 点燃22+C 2

-O

C→CO 2：0

)

(还原剂C

0)

(2氧化剂O 点燃4+C 2

2-O

CO→CO 2：22

)

(+还原剂CO +

)

(2氧化剂O

点燃24

+C 2

2-O

CO 2→CO：4)

(2+氧化剂CO +0

)

(还原剂C

点燃22

+C O

要点提示 O 2是常见的氧化剂，C 、CO 是常见的还原剂。 （2）木炭燃烧

（3）水垢的形成过程：水垢的主要成分是CaCO 3 Ca （HCO 3）2?CaCO 3↓+H 2O+CO 2↑ 水垢中还有Mg （OH ）2，其形成过程为： Mg （HCO 3）2?MgCO 3+H 2O+CO 2↑ MgCO 3+H 2O ?Mg （OH ）2+CO 2↑

（4）有机物的合成

①1828年，德国化学家维勒用无机化合物首次合成出有机物尿素。 ②今天人类已合成出几千万种的有机物。 ③有机合成大师是美国化学家伍德沃德，10年间合成了20多种复杂化合物，荣获1965年诺贝尔化学奖。1965年，正是我国化学家合成出结晶牛胰岛素的那一年。

问题·思路·探究

问题1 （1）如何除去Na 2CO 3固体中少量的NaHCO 3杂质？ （2）如何除去Na 2CO 3溶液中少量的NaHCO 3杂质？ （3）如何除去NaHCO 3溶液中少量的Na 2CO 3？

（4）在饱和Na 2CO 3溶液中通入足量的CO 2，有何现象？ 思路:NaHCO 3固体受热分解，NaHCO 3能与NaOH 反应生成Na 2CO 3,而Na 2CO 3与NaOH 不反应。Na 2CO 3+H 2O+CO 2══2NaHCO 3利用此反应可以除去NaHCO 3溶液中少量的Na 2CO 3杂质。 探究:（1）加热。（2）加适量的NaOH 溶液。（3）通足量CO 2。（4）析出固体（理由是NaHCO 3的溶解度比Na 2CO 3的溶解度小）。

问题 2 向澄清石灰水中通CO 2气体会不会产生越通越浑浊的现象？将含有碳酸氢钙的水加热，会有什么现象？

思路:澄清石灰水与CO 2反应生成沉淀，继续通入沉淀会消失。碳酸氢钙受热分解生成

CaCO3。

探究:不会，因为生成的碳酸钙与含有二氧化碳的水溶液继续反应，生成可溶性的碳酸氢钙，而含有碳酸氢钙的水溶液加热时，可溶性的碳酸氢钙又会分解生成不溶性的碳酸钙，这也是自然界中碳酸钙与碳酸氢钙的相互转化

典题·热题·新题

例1．（1）为什么碳元素的三种同素异形体物理性质差别很大，化学性质却相似？

（2）如何证明石墨、金刚石、C60都是由碳元素组成的？

解析：石墨、金刚石、C60中碳原子的排列方式（结构）不同，所以，性质不同，分析结构和组成是解决问题的关键，证明石墨、金刚石、C60都是由碳元素组成，因为同种元素的燃烧产物相同，所以，燃烧法可证明都含有碳元素。

答案：（1）由于石墨是层状结构、金刚石是空间立体网状结构、C60是球形小分子，它们碳原子的连接和排列方式不同，所以物理性质相差很大。由于组成元素都是碳元素，所以化学性质相似。

（2）可以用燃烧都生成二氧化碳的方法来证明这三种物质的组成元素相同。

深化升华注意此处空半格物质的结构决定物质的性质，所以分析一种或几种物质的性质时，要从结构入手分析，属于同素体的物质还有O2与O3，红磷和白磷等，它们之间都是物理性质不同，其中红磷与白磷化学性质相似，O2与O3化学性质略有不同。

例2．甲、乙两同学都来制取较纯净的碳酸钠溶液，分别设计了下列实验方案：

甲：如图Ⅰ所示实验装置，将大理石与稀盐酸反应得到的CO2直接通入氢氧化钠溶液中。

乙：如图Ⅱ所示，将氢氧化钠溶液分成两等份，用下列实验装置，再将大理石与稀盐酸反应得到的CO2经饱和碳酸氢钠洗涤后长时间通入其中一份氢氧化钠溶液中，并将所得溶液小心加热煮沸1～2分钟，以赶走溶解在溶液中的过量CO2；再将另一份氢氧化钠溶液与此份溶液混合。哪位同学能获得较纯净的碳酸钠？为什么？乙同学的加热煮沸有没有必要？

解析：向氢氧化钠溶液中通入二氧化碳时，若二氧化碳不足，则得到的是碳酸钠和氢氧化钠的混合物；若二氧化碳大于NaOH的物质的量、小于2倍的NaOH的物质的量，则得到的是碳酸钠和碳酸氢钠的混合物；若二氧化碳大于2倍的NaOH的物质的量，则得到NaHCO3。即二氧化碳的量很难控制。根据化学方程式：NaHCO3+NaOH══Na2CO3+H2O，等物质的量的NaHCO3和NaOH混合生成Na2CO3。如果乙同学加热煮沸赶尽溶解的CO2，则溶解的CO2与氢氧化钠反应，最终得到的是NaHCO3和Na2CO3的混合物。

答案：乙同学。向氢氧化钠溶液中通CO2，很难把握CO2的量，乙用等物质的量的碳酸氢钠与氢氧化钠反应，两者恰好完全反应，生成的是碳酸钠。煮沸是为了除去碳酸氢钠溶液中溶解的CO2，因碳酸氢钠在100℃以上才分解，所以不会使碳酸氢钠发生分解。

深化升华注意此处空半格向氢氧化钠溶液中通入二氧化碳，制取较纯净的碳酸钠溶液，要考虑CO2过量产生的碳酸氢钠和二氧化碳的溶解会带来杂质。所以，用等物质的量的碳酸氢钠与氢氧化钠反应，两者恰好完全反应，生成的是纯净的碳酸钠溶液。

例3．根据以下叙述，回答第（1）～（3）小题：

某化工厂按如下步骤进行生产：①以煤为燃料煅烧石灰石；②用饱和Na2CO3溶液充分吸收步骤①中产生的二氧化碳；③使步骤①中产生的氧化钙与水反应；④消石灰与碳酸钠反应。

（1）该厂生产过程中起始原料是____________；最终产品是____________。

（2）该厂生产过程的优点是（）

①排放的气体对大气无污染②生产过程中的部分产品可作为原料使用高温作业 A．只有①B．只有②C．①和②D．②和③

（3）写出生产过程中涉及的化学方程式：________________________。

解析：仔细读题，首先写出整个过程的化学方程式，即可得答案：原料是指需要加入的物质，先生成后消耗的不能算作原料，也不是最终产品。

答案：（1）石灰石、碳酸钠碳酸氢钠、氢氧化钠（2）C

（3）CaCO3高温CaCO3↓+H2O，Na2CO3+CO2+H2O══2NaHCO3↓

CaO+H2O══Ca（OH）2，Ca（OH）2+Na2CO3══CaCO3↓+2NaOH

深化升华注意此处空半格首先写出有关反应的化学方程式，以此分析原料和最终产品，从节约原料降低成本和污染环境方面，评价生产过程的优缺点。