碳的氧化物：纳米车的诞生与应用

美国科学家首次用有机分子和球形笼状分子C60制成了“纳米车”(如左图),每辆“纳米车”是用一个有机分子和4个球形笼状分子“组装”而成．“纳米车”可以用来运输单个有机分子、生产复杂的材料和药物,成为“纳米生产”中的有用工具．“纳米车”的诞生,说明人类操纵分子的技术进入一个新阶段．

知能概述

1．一氧化碳与二氧化碳物理性质的比较:

2．一氧化碳与二氧化碳化学性质的比较:

3．二氧化碳的特殊反应:

非金属氧化物大多能与水反应生成对应的酸,而酸又能与碱反应生成对应的盐,但CO却不能与水反应生成对应的酸,也就无法生成对应的盐,故有“不成盐氧化物”之称,NO,NO2亦为不成盐氧化物．

金属镁燃烧不能用二氧化碳灭火．

问题解决

例1　现用含二氧化碳和水蒸气杂质的某还原性气体来测定一种铁的氧化物(FexOy)的组成,可能用到的实验装置如图所示(装置可重复使用):

例1图

(1)按照气体的流向,装置的接口顺序为___________(填写字母接口)．

(2)装置中NaOH溶液的作用是___________________________________,反应的化学方程式是_________________________________________________．

(3)实验过程中澄清石灰水没有明显变化,固体CuSO4颜色部分变为蓝色,该还原性气体的化学式是___________________________．

(4)当装置中的FexOy全部被还原后,称得剩余固体的质量为16．8g,固体CuSO4质量增加了7．2g．FexOy中铁元素和氧元素的质量比为________,该铁的氧化物的化学式为__________．

(5)如果没有浓硫酸,测定结果即铁元素与氧元素的质量的比值将会__________(填“偏大”“偏小”或“无影响”)．

(湖北省竞赛题)

解题思路　遵循“先除杂再干燥”的原则,选择仪器接口排序．检验CO2的方法是将其通入澄清石灰水中,若澄清石灰水未变浑浊,证明反应中并无CO2气体生成．若反应前没用浓H2SO4吸收水分,则测定生成水的质量偏大,氧元素的质量亦偏大,则铁元素质量/氧元素质量偏小．

例2　在加热条件下,H2和CO两种气体都能还原CuO固体,但实验装置却不同(如下图所示)．

例2图

(1)写出编号仪器的名称:a_________,b_________．

检验气体时,应先检验是否含有水蒸气,然后再检验其他气体,因为通过溶液检验气体时,也会使气体湿润(含有水)从而影响对水蒸气的检验．而要用溶液除去气体中的杂质时,应先除去其他气体,最终除去水蒸气,即“证明”在前,“干燥”在后．

无水硫酸铜为白色粉末,但极易吸收水分形成结晶水合物(CuSO4·xH2O),呈蓝色,这是检验水的最灵敏、有效的方法．

(2)在装置A中添加用于通入H2的玻璃导管．

(3)H2和CuO反应的化学方程式为_______________________________;反应的基本类型为________．

(4)实验装置的设计应考虑反应物、生成物的性质和反应条件等因素．比较A,B两套实验装置,从反应物和生成物的性质角度分析各有哪些不同点并说明原因:

解题思路　为了排净试管中的空气,玻璃管应伸入试管底部药品上方;CO气体有剧毒,反应须在密封装置中进行,且尾气不能直接排入空气中．

例3　(1)近年来,人们都在喊:热、热、热．不少科学家认为地球表面变暖及一些异常气候与大气中二氧化碳的含量增加有一定的关系．下列反应都能放出二氧化碳气体,试分析判断,会向自然界排放大量“温室气体”——二氧化碳的主要化学反应是_________(填序号)．

试判断:若要减少大气中的二氧化碳气体,可利用的反应是________(填序号)．

(3)根据对(1)(2)的分析,你认为,为保护人类赖以生存的地球,我们应采取哪些措施以防止大气中二氧化碳含量的增加?_____________________．

解题思路　“温室效应”主要是由于现代社会过多燃烧煤、石油和天然气等化石燃料后放出大量的CO2进入大气而造成的,为减少大气中CO2的含量,一方面要减少CO2向大气中的排放,另一方面应通过植树造林、保护绿色植物,使它多吸收CO2来减缓温室效应．

甲烷气体也可以造成严重的“温室效应”,所以从源头上控制“温室效应”的最好方法就是开发新能源．

例4　某研究性学习小组设计的实验装置如下图所示,既可用于制取气体,又可用于验证物质性质．

例4图

(1)写出仪器A和B的名称:

A:_______;B:_______．

(2)当打开K1、关闭K2时,利用Ⅰ,Ⅱ装置可直接进行的实验是_________(填序号)．

①大理石与稀盐酸反应制取二氧化碳

②锌与稀硫酸反应制取氢气

小颖认为在不改变Ⅰ,Ⅱ装置的仪器及位置的前提下,该装置可用于过氧化氢溶液制取氧气,她的做法是_____________________________________;

实验室还可以用高锰酸钾制取氧气,化学方程式为__________________．

(3)当打开K2、关闭K1时,利用Ⅰ,Ⅲ装置可验证二氧化碳与水反应生成了碳酸,此时试管中盛放的物质是_________,可以观察到的现象是_____________________________________________(C为干燥管,用于防止液体倒吸)．

解题思路　由Ⅱ装置进气管短、出气管长可知其收集的气体密度比空气小,若用来收集密度比空气大的氧气,可将Ⅱ中装满水,利用排水法来收集．

例5　根据下列实验装置图,回答问题．

例5图1

(1)装置Ⅰ在实验室中可用于过氧化氢溶液制氧气,其反应的化学方程式为________．

(2)在化学实验中,对装置稍加改装或采用不同的组合时,就能完成多种实验．如将装置Ⅱ改为Ⅳ后,可以顺利进行草酸受热分解的实验．

草酸是一种有机物,常温时为一种无色透明晶体,加热时易分解．草酸受热分解的化学方程式为:

酸能使紫色石蕊试液变为红色,现象明显,可以证明是否有酸生成．

根据改进后图Ⅳ所示实验装置推测草酸还具有的物理性质为_______________________________________．

(3)现将装置Ⅳ与装置Ⅲ相连,对草酸受热分解后所得产物的组成和性质进行探究．实验开始前E中左右液面在同一水平面上．

①装置Ⅲ中A可用于收集反应生成的水,还具有_________的作用;

例5图2

②实验过程中,D中一直无明显现象,说明此时尾气中一定没有________,E中球形容器内液面会________(填“升高”“降低”或“不变”)．

(湖北省武汉市中考题)

解题思路　固体加热时,装置内的气体受热膨胀,而停止加热时,由于温度降低,装置内气体体积变小,极易造成水的倒吸,而使其炸裂,装置Ⅲ中A装置就能很好地控制这种情形的发生．

1．对比分析不同物质的共性与差异性是学习化学的有效方法．下列关于CO2和CO的各项对比,有错误的是(　)．

(陕西省中考题)

2．如图为一氧化碳还原氧化铁实验．下列说法中正确是(　)．

A．开始时应先预热玻璃管,后通入一氧化碳

B．实验中玻璃管里粉末由黑色逐渐变成红棕色

C．参加反应的氧化铁和一氧化碳质量比为40∶7

D．将尾气点燃或收集,可防止一氧化碳污染空气

第2题图

(2019年河南省中考题)

实验装置的改装可以折射物质的性质．试管底部弯曲,则受热熔化的物质就不会顺试管流下．

液态二氧化碳在压强减小时会迅速地全部气化,不留任何残留物．

3．常德市每年常出现因各种原因导致的一氧化碳中毒事件．下列说法不正确的是(　)．

A．一氧化碳是无色有刺激性气味的有毒气体

B．冬天用煤火取暖或使用燃气热水器时,一定要注意室内通风

C．香烟点燃后产生的烟气中含有一氧化碳和尼古丁等有害物质

D．驾驶员在密闭车库内发动汽车或长时间运行车载空调,可能导致一氧化碳中毒

(2019年湖南省常德市中考题)

4．1．6g某物质在氧气中完全燃烧生成4．4g二氧化碳和3．6g水,关于该物质的组成有下列论断:①一定含C,H;②一定不含O;③可能含O;④一定含O;⑤分子中C,H的原子个数比为1∶2;⑥分子中C,H的原子个数比为1∶4．其中正确的是(　)．

A．①②⑥　B．①②⑤　C．①③⑥　D．①④⑤

5．如图所示实验中,①④为用紫色石蕊溶液润湿的棉球,②③为浸过紫色石蕊溶液的干燥棉球。下列能准确描述实验现象的是(　)．

A．④比①先变红,②③不变红

B．①比④先变红,②③不变红

C．④变红,①②③不变红

D．①变红,②③④不变红

第5题图

(广东省中考题)

6．有关物质之间的部分转化关系如下图所示．下列说法中错误的是(　)．

A．实验室制取和收集X和O2,可选用相同的实验装置

B．①和⑤都可以通过化合反应实现

C．②和⑥都能利用物质的可燃性实现

D．②和③都属于化合反应

第6题图

(湖北省武汉市调考题)

7．(双选)我们知道大气中的二氧化碳气体能像温室的玻璃或塑料薄膜那样,使地面吸收的太阳光的热量不易散失,从而使全球变暖,这种现象叫“温室效应”．能产生“温室效应”的气体除二氧化碳外,还有臭氧(O3)、甲烷、氟氯代烷等．以下四种说法正确的是(　)．

A．CO2和CO的混合物中,碳的质量分数不可能达到45%

B．等质量的氧气和臭氧,所含的氧原子数一定相等

C．甲烷的爆炸极限的范围(5%～15%)比氢气的爆炸极限的范围(4%～74．2%)小,所以点燃甲烷前不一定要检验纯度

D．氟氯代烷中只含有氟和氯两种元素

(江西省竞赛题)

8．有下列四种实验设计及操作,实验过程中其现象不足以说明CO2与NaOH溶液发生了反应的是(　)．

燃烧后有CO2和H2O生成,则原物质中一定会有碳元素和氢元素,若其中碳、氢元素质量之和等于1．6g,则原物质中一定不含氧．所以是否含氧元素应根据计算来确定．

CO2中碳的质量分数为27．3%,CO中碳的质量分数为42．9%；CO2与CO的混合物中,碳的质量分数应介于两者之间．

这些实验都是根据CO2与NaOH反应后,容器内的气体体积减小、压强减小,与大气压强形成压强差而设计的,注意B中是NaOH的稀溶液．

第8题图

(江苏省竞赛题)

9．用图甲所示装置进行实验,先后将溶液快速全部推入,测得一段时间内压强变化如图乙所示．

第9题图

(1)先推入的溶液是_________________．

(2)bc段压强不变,原因是_________________．

(3)cd段压强变大,用化学方程式解释:_________________．

(2019年北京市中考题)

10．半水煤气是工业合成氨的原料气,其主要成分是H2,CO,CO2,N2和水蒸气．某化学兴趣小组为检验半水煤气的某些成分,设计的实验方案如图所示．

第10题图

查阅资料可知碱石灰是CaO和NaOH的混合物．回答下列问题:

(1)A瓶中产生白色沉淀,证明半水煤气中含有_________,反应的化学方程式是_________________________________．

(2)B装置的作用是_____________．C装置的硬质玻璃管中发生置换反应的化学方程式是_________________________________．

(3)证明半水煤气中含有H2的现象是_______________________________．(www.xing528.com)

(4)证明半水煤气中含有CO的现象是_____________________________．

(5)测定半水煤气中H2,CO质量的实验方案如下:

若步骤Ⅳ中浓硫酸质量增加ag,步骤Ⅴ的KOH溶液质量增加bg,则半水煤气中H2与CO的质量比为_________(用含字母a,b的代数式表示)．

(2019年四川省绵阳市中考题)

11．如图是燃料在使用过程中的碳循环示意图．

第11题图

(1)除了燃料燃烧释放大量CO2外,常见释放CO2的途径还有______________,空气中的CO2含量增多导致的后果是___________________．

(2)利用海水进行碳储存,可以缓解空气中CO2过多的问题．写出水吸收CO2发生反应的化学方程式:_______________________________;CO2可较长时间存在于深海,其原因是__________________________．

(3)科学家采取“组合转化”技术,将CO2转化为化工原料,其反应的化学方程式:,则X的化学式为_________．

(4)生物燃料(如酒精)可来源于植物体,写出酒精燃烧的化学方程式:______________________________;结合图示信息,从碳循环角度说出生物燃料的优点有_____________________________________________．

(福建省厦门市中考题)

12．兴趣小组的同学用如图所示的装置进行草酸晶体分解实验的研究,请你参与过程分析．

【查阅资料】

(1)实验室常用氢氧化钠溶液除去二氧化碳,用澄清石灰水检验二氧化碳．

(2)草酸晶体(H2C2O4·3H2O)在浓硫酸作用下受热分解,化学方程式为

信息题应从题给信息中搜索出有利于解题的相关知识点:如草酸晶体在浓硫酸作用下受热分解,并从化学方程中得知产物是CO2,CO,H2O．

第12题图

Ⅰ:【问题讨论】

(1)实验前应该先___________．

(2)进入D装置的气体是纯净、干燥的CO,则A,C装置中的试剂依次是___________(填名称)．

(3)写出A装置中发生反应的化学方程式___________．

(4)B装置的作用是___________．

(5)对D装置加热前和停止加热后,都要通入过量的CO,其作用分别是:①加热前___________;②停止加热后___________．

(6)证明草酸晶体分解产物中存在CO的现象是__________．

Ⅱ:【实验评价】

反思:请指出上述实验装置的一个明显缺陷___________．

(甘肃省兰州市中考题)

13．类价二维图反映的是元素的化合价与物质类别之间的关系,构建类价二维图是化学学习的重要方法．图1是某同学绘制的关于碳元素的类价二维图．

第13题图1

(1)a处氢化物为天然气的主要成分,其化学式为_________;b处对应物质的类别是_________．

(2)煤的主要成分是单质碳．图2是用煤合成水煤气的反应微观示意图．

第13题图2

该反应中方框丁中微粒的图示为_________,甲对应的物质表现出了________性．

(3)类价二维图中的物质在一定条件下可以相互转化．请从含碳物质中选择合适物质完成下列表格:

(2019年甘肃省兰州市中考题)

14．某化学兴趣小组用下图装置验证一氧化碳还原氧化铜,并探究其还原产物的组成．

(1)装置及反应原理探究

第14题图

有些元素有多种化合价,故可以形成多种类别的物质．如氯元素的化合价有－1,0,＋1,＋3,＋5等价态,可形成,这些不同的物质．

【交流与反思】

只要假设合理,方法正确,根据实验现象和数据就能得出结论．

①B装置中浓硫酸的作用为_______________________________________．

②说明CO能还原CuO的现象为__________________________________．

③上述整套装置中发生的化学反应,其中属于化合反应的化学方程式为_________________________________(不考虑CO2与H2O的反应)．

(2)产物成分探究

【查阅资料】Ⅰ．一氧化碳还原氧化铜,除生成铜外还可能生成氧化亚铜(Cu2O);

Ⅱ．Cu2O为不溶于水的红色固体;

Ⅲ．Cu2O＋H2SO4CuSO4＋Cu＋H2O．

【提出问题】红色固体中含有什么物质?

【猜想假设】假设一:红色固体只含Cu;

假设二:红色固体只含Cu2O;

假设三:______________________________________________．

【实验验证】该小组为验证上述假设,取少量红色固体,加到足量稀硫酸中,观察到溶液变为蓝色,红色固体部分溶解．

【实验结论】根据上述实验结果,可知红色固体中一定含有___________．

【数据处理】为进一步确定红色固体的成分,甲、乙两同学分别称取各自实验后的一定质量的红色固体,加到足量稀硫酸中使其充分反应,经过滤、洗涤、干燥后,称量剩余红色固体质量如下表。请完善表中内容:

(山东省潍坊市中考题)

15．将燃着的镁条伸入充满二氧化碳的集气瓶内,可看到镁条继续剧烈燃烧,在瓶底有白色固体粉末并夹杂少量黑色固体,瓶内壁也附着一些黑色固体．将生成物取出,用足量的盐酸处理,结果发现白色物质溶解,黑色物质不溶．请回答下列问题:

(1)你猜测这种黑色固体物质是________．

(2)写出镁条在集气瓶中发生反应的化学方程式__________________,该反应的基本类型属于_________反应．

(3)从该实验中你能得到哪些信息___________,___________．(写出两条)

(江西省竞赛题)

16．某小组在学习“二氧化碳与氢氧化钠溶液反应”时,进行了如下探究:

【提出问题】　二氧化碳是与氢氧化钠反应,还是溶解在水中?

【查阅资料】

①15℃,101kPa时,二氧化碳的溶解度如下:

②15℃时,在酒精中氢氧化钠易溶、碳酸钠微溶．

③通常情况下,稀溶液的体积约等于溶剂的体积．

【实验设计】　在15℃,101kPa时,制取二氧化碳并用于实验甲、实验乙．

第16题图

【分析与表达】

(1)如果二氧化碳与氢氧化钠反应,化学方程式是___________,那么氢氧化钠应___________保存．

(2)实验前,两套装置都进行气密性检查,实验甲装置气密性检查的方法是__________．

(3)实验甲中,同时滴入等体积的水和氢氧化钠溶液后的现象是______．

(4)实验乙中,将氢氧化钠完全滴入锥形瓶中,注射器会自动向内移动并将酒精推入锥形瓶,活塞的移动速度是___________．(填答案字母)

A．先慢后快　B．先快后慢　C．先慢后快,再变慢

实验乙中,还可能观察到的现象是_________________．

(5)实验乙中,120mL酒精___________(填“能”或“不能”)换成水,原因是_________________．

(6)实验乙结束时,注射器中酒精的体积为20mL,则与氢氧化钠反应的二氧化碳体积至少是___________mL．

(7)由以上探究可知,二氧化碳能溶于水,也能与氢氧化钠反应,但实验乙的数据还不够准确,造成实验乙误差的原因可能有____________．(写一条)

(四川省成都市中考题)

例1　(1)abefdcghjkef(或abefdchgjkef)

(2)除去CO2　

(3)H2　(4)21∶8　Fe3O4　(5)偏小

例2　(1)试管　锥形瓶

(2)(导管需画到接近试管底部)

例2答图

(3)　置换反应

(4)

例3　(1)①②④　(2)②　(3)减少化石燃料燃烧,开发新能源,大量植树造林

例4　(1)分液漏斗　锥形瓶　(2)②　在装置Ⅱ中装满水后再进行制取　MnO2＋O2↑　(3)紫色石蕊试液　紫色石蕊试液变红(合理即可)

例5　(1)(2)熔点低　(3)①防倒吸(或安全瓶)　②CO2　降低

1．C　2．D　3．A　4．A　5．A　6．D　7．AB　8．B

9．(1)氢氧化钠溶液　(2)氢氧化钠溶液与二氧化碳充分反应,反应停止　(3)Na2CO3＋2HCl＝2NaCl＋H2O＋CO2↑

10．(1)CO2

(2)吸收CO2和水蒸气,

(3)C中黑色粉末变红,D中集气瓶内壁出现水雾并有液滴．

(4)C中黑色粉末变红,E中澄清石灰水变浑浊．

(5)

11．(1)动植物的呼吸　全球气候变暖,两极冰川融化(或其他合理答案)

(2)低温高压下CO2的溶解度较大,不易逸出(或其他合理答案)

(3)H2

(4)可再生且吸收CO2(或其他合理答案)

12．【问题讨论】(1)检查装置气密性　(2)氢氧化钠溶液、浓硫酸　(3)H2O　(4)检验CO2是否除尽　(5)①将装置中的空气排尽,防止发生爆炸　②防止空气进入,铁又被氧化　(6)装置D中红色粉末变成黑色

【实验评价】缺少尾气处理装置

13．CH4　盐　(2)氧化　(3)治疗胃酸过多

14．(1)①干燥CO气体(或吸收水蒸气)　②C装置玻璃管中黑色粉末变红色,D装置中溶液变浑浊③

(2)【猜想假设】红色固体含有Cu和Cu2O　【实验结论】Cu2O　【数据处理】①假设二成立(或红色固体中只含Cu2O)　②假设三成立(或红色固体含有Cu和Cu2O)

15．(1)碳　(2)置换

(3)镁可以在CO2中燃烧　由镁引起的火灾,不能用CO2灭火器灭火

16．(1)密封　(2)用手紧握左边的试管,只要U形管内液面会出现右高左低的现象,一段时间后回落到原位置,则装置气密性良好,同理检验右侧试管　(3)右侧液面升高,左侧液面下降,一段时间后,右侧液面缓慢下降,左侧上升,右侧液面仍高于左侧　(4)B　在锥形瓶中观察到白色浑浊现象　(5)不能二氧化碳在水中的溶解度大于在酒精中的溶解度　(6)67　(7)水分子和酒精分子的间隔不同,酒精具有挥发性