发现碳单质的奇妙之处

1991年碳纳米管被发现．碳纳米管是由石墨中的碳原子层卷曲而成的管状的材料,管的直径一般为几纳米到几十纳米,管的厚度仅为几纳米．碳纳米管由于其独有的结构和奇特的物理、化学性质以及潜在的应用前景而受到人们的关注．左图为碳纳米管的微观示意图,每个节点上有一个碳原子．

知能概述

金刚石、石墨、C60是由碳元素形成的不同性质的单质,互为同素异形体,它们的物理性质有很大的差异．金刚石是最硬的天然物质,石墨是最软的矿物之一,而掺K的C60具有超导性,这是由于形成这些单质时碳原子的排列方式不同．但它们的化学性质相似,常温时其化学性质稳定,在一定条件下,表现出一定的化学活动性．

(1)可燃性

(2)还原性

特别注意构成三种不同单质的碳原子的结构都是,故碳原子相同,只是碳原子的排列不同而已．

注意与H2的化学性质相比较．

问题解决

例1　请用两种不同方法证明金刚石和石墨都是由碳元素所形成的单质．

解题思路　碳的单质的化学性质相同,金刚石与石墨在充足的O2中充分燃烧唯一的产物是CO2,定量实验证明所取样品质量与生成的CO2中碳元素的质量相等就可以证明其均为碳元素所形成的单质;金刚石与石墨在一定条件下的相互转化亦能证明以上说法．

例2　右图是木炭与氧化铜反应的实验装置图,下列说法错误的是(　)．

A．给酒精灯加网罩,目的是使火焰集中并提高温度

B．实验过程中,可观察到澄清石灰水变浑浊

C．碳在反应中发生了氧化反应,表现出还原性

D．实验结束后,应先停止加热,再将导气管从澄清石灰水中撤出

例2图

(广西壮族自治区南宁市中考题)

解题思路　木炭与氧化铜反应需在高温下进行,除图中所示以外还可以使用酒精喷灯,碳在反应后生成CO2,碳元素的化合价升高,发生了氧化反应,所以碳具有还原性;实验结束后若先停止加热,温度降低时,装置冷却,气体体积减小,石灰水会吸入试管中而导致其炸裂．

例3　经过学习我们认识到:化学反应的快慢、现象、生成物等与反应物量的多少、反应条件有着密切的关系．请各举一例说明:

(1)使用催化剂,能改变化学反应的速率:___________________________________________________________________________________________________．

(2)反应物的量不同,生成物可能不同:___________________________________________________________________________________________________．

(3)反应物的量不同,反应现象可能不同:___________________________________________________________________________________________________．

(天津市竞赛题)

解题思路　影响化学反应进行的速率、激烈程度、产物的类别的因素是很多的,如C在O2中燃烧,若两者的质量比为3∶8时,C充分燃烧生成CO2,产物为纯净物;若两者的质量比为3∶4时,产物为CO,亦为纯净物,但两者质量比介于3∶8与3∶4之间时,则产物既有CO2,也有CO,为混合物．

例4　据报道,科学家已经研制出世界上最薄的材料——碳膜片,其厚度只有一根头发的二十万分之一．如右图所示,这种碳膜片状如蜂巢,是由碳原子构成的六边形单元向外延展而成．下列有关碳膜片的说法中,正确的是(　)．

A．碳膜片属于单质

B．碳膜片与C60是同一种物质

C．碳膜片属于人工合成的有机高分子材料

D．碳膜片在氧气中完全燃烧的产物和碳在氧气中完全燃烧的产物不同

例4图

解题思路　碳膜片由碳原子构成,由碳元素组成,是只含一种元素的纯净物——单质,有机高分子材料属于有机化合物,显然碳膜片不是化合物,而C60形同足球,与碳膜片具有不同的结构,它们是两种不同的物质．

例5　为了探究不同物质、时间、数量等因素对吸附作用的影响,某校化学探究小组的学生设计了“木炭和活性炭吸附性的对比研究”实验．请你根据下列实验现象回答有关问题．实验探究过程如下:

实验一:用量筒取10mL红糖溶液注入烧杯中,加5g活性炭,充分搅拌后静置5min,将烧杯中的混合液过滤,得滤液①．另取10mL红糖溶液加入10g活性炭,充分搅拌后静置5min,将烧杯中的混合液过滤,得滤液②．

实验二:用量筒取10mL红糖溶液注入烧杯中,加5g木炭,充分搅拌后静置5min,过滤,得滤液③．另取10mL红糖溶液加入5g木炭,充分搅拌后静置10min,过滤,得滤液④．请从实验过程和现象中推断出有关结论．

(1)4种滤液都比原红糖溶液的颜色浅,说明_______________________．

(2)滤液②比滤液①的颜色浅,说明_______________________________．

(3)滤液④比滤液③的颜色浅,说明________________________________．

(4)滤液①比滤液③的颜色浅,说明________________________________．

解题思路　分析三组对比实验,结果如下．

例6　如下图所示,A管中盛有干燥的炭粉,C管中盛有干燥的氧化铜粉末,B,D两个U形管中装有氢氧化钠和氧化钙的固体混合物,用来充分吸收二氧化碳气体．将3．0g干燥的二氧化碳气体全部通入A管进行实验,实验结束后,B管质量增加0．8g,D管质量增加3．3g,计算进入C管和离开C管的一氧化碳的质量各为多少?

例6图

解题思路　以上实验中发生的化学反应有:

A中:(1)可计算A管中产生的CO质量,亦为进入C中的CO质量;

C中:(2)可计算参加反应的CO质量,亦为反应中消耗的CO质量．

(1)与(2)中所计算的CO质量差即为离开C管的CO气体的质量．

注意:A中反应和C中反应的条件不同,A中热源为酒精喷灯——高温,C中热源为酒精灯——加热．

氢氧化钠和氧化钙的混合物称为碱石灰,可吸收二氧化碳和水分．

1．金刚石、石墨和C60的化学性质相似,物理性质却有很大差异,其主要原因是(　)．

A．构成它们的原子大小不同

B．构成它们的原子数目不同

C．金刚石、石墨和C60由不同种原子构成

D．金刚石、石墨和C60里碳原子的排列方式不同

(天津市中考题)

2．有关碳和碳的氧化物的说法错误的是(　)．

A．碳单质燃烧只生成二氧化碳

B．在常温下,碳的化学性质不活泼

C．一氧化碳有毒,能污染空气

D．金刚石、石墨和C60都属于碳单质

(2019年辽宁省抚顺市中考题)

3．C60向人类展示了一个全新的碳世界．下列有关说法错误的是(　)．

A．C60的相对分子质量为720

B．C60在一定条件下可与氧气反应生成二氧化碳

C．金刚石、石墨和C60都是由碳元素组成的单质

D．保持C60化学性质的最小粒子是碳原子

第3题图

(2020年湖北省武汉市元月调考题)

4．已知氧化铜溶于盐酸生成易溶于水的氯化铜,当氧化铜中混有少量炭粉时,提纯的方法是(　)．

A．隔绝空气加热　B．在氢气流中加热

C．在氧气流中加热　D．加足量稀盐酸过滤

5．(双选)在相同温度和相同体积的条件下,气体压强(p)与气体分子数目(n)成正比关系(p＝kn)．若把ag碳和bg氧气放入一密闭容器中,测得容器内的气体压强为p,然后,提供一定条件使容器内的物质发生充分反应,待温度复原时,测得容器内的气体压强仍然为p．则a与b的关系可能为(　)．

6．航天飞机表面覆盖石墨瓦,主要是利用石墨(　)．

A．具有导电性、防辐射　B．密度小,减轻机身重量

C．熔点高、化学性质稳定　D．硬度小,有润滑作用

(全国复赛题)

加热时少量炭粉在氧气流中充分反应生成CO2气体,固、气分离可除去少量炭粉．

反应后,温度复原时,气体压强仍为p,说明反应前后气体的分子数目、气体体积不变．

当C与O2恰好完全反应生成CO2,或O2过量生成CO2时,反应前后气体体积不变．

7．2012年诺贝尔化学奖颁发给了美国科学家罗伯特·约瑟夫·莱夫科维茨和布莱恩·肯特·科比尔卡,以表彰他们哪方面的研究贡献?(　)

第7题图

A．准晶体　B．G蛋白偶联受体

C．C60　D．人工合成牛胰岛素

(江苏省“金钥匙”科技竞赛题)

8．活性炭可处理大气污染物NO．一定条件下的密闭容器中加入NO气体和活性炭,反应生成甲、乙气体．测得各物质的质量如下表所示．下列说法正确的是(　)．

A．x的值为23．88

B．反应中活性炭只起吸附作用

C．反应中有元素化合价的升高和降低

D．生成甲、乙气体的分子数之比为1∶2

(贵州省贵阳市中考题)

9．有关物质的性质、组成、结构及变化,有如下说法:

①金刚石和石墨的元素组成相同,性质也相同;

②用肥皂水可鉴别硬水和软水;

③由同种元素组成的物质可能是混合物;

④高钙奶粉中的“钙”指的是钙单质;

⑤NH4NO3中氮元素的化合价为＋1价．

其中正确的是(　)．(www.xing528.com)

A．①②　B．②③　C．①④　D．②⑤

(湖北省武汉市调考题)

10．(双选)一定量的碳与8．0g氧化铜混合加热,充分反应(如下图所示),反应前后测定装置Ⅰ、装置Ⅱ的质量记录如下．下列分析正确的是(　)．

第10题图

G蛋白偶联受体是一大类膜蛋白受体的统称．目前为止,研究显示G蛋白偶联受体只见于真核生物中,而且参与了很多细胞信号传导过程．

活性炭在化学反应中质量减少,故不仅仅起到吸附作用．

注意:装置Ⅰ减重1．1g,装置Ⅱ增重0．8g(CO2),则 反 应中有CO生成,所以碳过量且充分反应,CuO完全反应．

A．Ⅰ中减少的质量是氧元素的质量

B．Ⅱ中增加的质量是吸收的二氧化碳的质量

C．反应后Ⅰ中固体成分可能有3种情况

D．生成的气体可能是混合物

(上海市竞赛题)

11．C60发现使人类了解到一个全新的碳世界,根据下图回答问题:

第11题图

①C60属于__________(填“单质”或“化合物”);

②C60这种物质由___________(填“分子”或“原子”)构成;

③C60与金刚石、石墨具有相似的___________(填“化学”或“物理”)性质;

④足球可由橡胶制成,橡胶属于___________(填“有机”或“无机”)物．

(四川省成都市中考题)

12．下图中A是一种用于显示事物异同点的信息处理方法．两个圆分别代表金刚石和石墨的有关信息,两圆重叠的区域表示金刚石和石墨的共同特征,重叠区以外的部分表示它们独有的特征．请你在下面的空格内填写与图A、图B中(1)(2)(3)区域对应的适当内容(每处只要求填一点)．

第12题图

(1)____________________________________________________________;

(2)_____________________________________________________________;

(3)____________________________________________________________．

(山西省竞赛题)

13．右图是市场上出售的一种活性炭净水器示意图．这种净水器可以利用活性炭的_________作用除去异味等杂质．入水口在下方的优点是_________________．

第13题图

(河南省竞赛题)

橡胶是有机化合物,简称有机物．

14．2008年9月27日,太空第一次留下了“中国人的脚印”．我国研制的航天员舱外服为航天员成功进行太空行走提供了可靠的保证．

(1)航天员舱外服除了要隔热、散热外,在航天服这个密封的空间中还要有通信系统、动力系统、输送养料系统和废气处理系统,其中废气处理包括两个步骤:第一步,让废气进入一个装有木炭的盒子除去臭气,这一过程利用了木炭的_________性,发生了_________(填“物理变化”或“化学变化”);第二步,再用氢氧化锂(LiOH)作吸收剂除去二氧化碳(氢氧化锂和氢氧化钠都是碱,具有相似的化学性质),写出该反应的化学方程式_____________________________________．

(2)在太空舱里,NiFe2O4可用于促进宇航员呼出的CO2转化为O2,而自身的质量及化学性质保持不变,你认为NiFe2O4在这一反应中是_________．你对维持舱内O2,CO2气体含量的建议是___________．

(全国复赛题)

15．以下分别是金刚石、石墨和足球烯(C60)的晶体结构模型:

试回答下列问题:

第15题图

(1)三种物质的物理性质差异很大的原因是________________________,三种物质化学性质相似的原因是______________________________．

(2)写出足球烯在足量的氧气中燃烧的化学方程式:________________．

(3)像这样由同一种元素形成的几种性质不同的单质,叫作这种元素的同素异形体．以下属于同素异形体的是_________(填字母)．

A．氧气和臭氧(O3)

B．CO和CO2

C．红磷和白磷

D．黄铜和青铜

E．金刚石和足球烯

(4)从石墨的结构可以看出,石墨具有层状结构,每一层内碳原子排成正六边形,一个个正六边形排列成平面的网状结构(见右图),则在一个正六边形中拥有的碳原子数是________个．

(5)二氧化硅的结构跟金刚石类似,猜想二氧化硅的一种物理性质:_______________________________________________．

(6)木炭也是由碳元素组成的物质,它具有还原性．请用化学方程式举例说明木炭的还原性:________________________________________．

(江西省竞赛题)

16．某课外活动小组加热炭粉(过量)和氧化铜的混合物,再用下图所示装置,对获得的铜粉(含炭)样品进行实验．图中铁架台等装置已略去．请你帮助他们完成下列实验报告．

第16题图

(一)实验目的:______________________________________________．

(二)实验用品:

仪器:天平、分液漏斗、锥形瓶、硬质玻璃管、干燥管、酒精灯、洗气瓶等．

药品:红褐色(含炭)样品、过氧化氢溶液、二氧化锰、碱石灰(固体氢氧化钠和氧化钙的混合物)、浓硫酸等．

(三)实验内容:

(四)计算:样品中铜的质量分数＝_________(用含W,m1,m2的代数式表示)．

(五)问题和讨论:

实验完成后,老师评议说:按上述实验设计,即使C中反应完全,D中吸收完全,也不会得出正确的结果．经讨论,有同学提出在B与C之间加入一个装置．再次实验后,得到了较正确的结果．那么,原来实验所测得的铜的质量分数偏小的原因可能是_________________．在B与C之间加入的装置可以是_________,其中盛放的药品是_________．

(广东省竞赛题)

17．某兴趣小组对氧化铜与过量碳粉充分反应后的混合物重新进行实验,以测定混合物中铜的质量分数(实验装置如图所示,铁架台等固定装置已略去,装置气密性良好)．

第17题图1

【查阅资料】①浓硫酸不与CO2反应,具有吸水性,常用作干燥剂．

②碱石灰主要成分为CaO和NaOH,可吸收H2O和CO2．

【供选药品】铜粉(含碳)样品、二氧化锰、碱石灰;

浓硫酸、5%过氧化氢溶液、澄清石灰水、氢氧化钠溶液．

部分实验步骤如下:

Ⅰ．在硬质玻璃管中加入质量为m的铜粉(含碳)样品,丁中装入药品后的质量为m1．

Ⅱ．控制甲中的装置,缓缓产生气体．

Ⅲ．点燃酒精灯,当玻璃管中的药品充分反应后,熄灭酒精灯．

Ⅳ．继续通入气体,直到玻璃管冷却,称量丁的质量为m2．

试回答下列问题:

(1)甲处方框内应选用下列装置中的_________,该装置中发生反应的化学方程式为_________．

第17题图2

(2)装置戊的作用为_________．

(3)样品中铜的质量的表达式为_________________________．

(4)若无装置乙,会导致测得铜的质量分数_________(填“偏小”“偏大”或“无影响”)．

(2020年湖北省武汉市元月调考题)

例1　(1)将两种单质分别取一定量在氧气中完全燃烧均生成CO2,且生成的CO2气体中碳元素的质量与样品质量相等．　(2)

例2　D

例3　(1)加入催化剂时,过氧化氢溶液在常温下分解加速　(2)木炭充分燃烧时生成二氧化碳,不充分燃烧时生成一氧化碳　(3)硫在空气中燃烧发出微弱的淡蓝色火焰,在氧气中燃烧发出蓝紫色火焰(或碳在空气中燃烧发出红光,在氧气中燃烧发出白光)

例4　A

例5　(1)木炭和活性炭都具有吸附性　(2)吸附效果与吸附剂的质量多少有关　(3)吸附效果与吸附的时间长短有关　(4)吸附效果与吸附剂的种类有关

例6　进入C管的CO质量为2．8g,离开C管的CO质量为0．7g．

1．D　2．A　3．D　4．C　5．AC　6．C　7．B　8．C　9．B　10．BD

11．①单质　②分子　③化学　④有机

12．(1)可燃性　(2)导电性　(3)还原性

13．吸附　可使水与活性炭更充分地接触,达到更好的净化效果

14．(1)吸附　物理变化　　(2)催化剂　种植绿色植物,经光合作用来维持O2,CO2气体含量的相对稳定

15．(1)碳原子的排列方式不同　这三种物质都是由碳元素组成的　(2)(3)ACE　(4)2　(5)硬度大　(6)

16．(一)测定铜粉样品中铜的质量分数

(三)

(四)

(五)水蒸气通过C被D中碱石灰吸收　洗气瓶　浓硫酸(或“干燥管　碱石灰”)

17．(1)C(2)防止空气中的CO2和H2O被丁装置吸收(或进入丁装置中)　(3)　(4)偏小