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第六章 碳和碳的氧化物
碳的几种单质
适用学科 初中化学 适用年级 初三
适用区域 人教版区域 课时时长（分钟） 120
知识点 1.碳元素组成的几种性质不同的单质 2.碳单质的物理性质和用途比较 3.单质碳的化学性质
教学目标 1.了解金刚石和石墨的物理性质和主要用途 2.知道碳单质的化学性质 3.知道C60分子的结构特点和潜在应用前景 4.了解木炭和活性炭的吸附性
教学重点 碳的化学性质
教学难点 碳单质物理性质不同的原因
自1985年富勒烯C60首次被发现以来，人们对碳的单质有了新的认识，并建立一门崭新的富勒烯分支学科。C60诸多异乎寻常的性能，使它对化学、物理、材料、医药、微电子等领域产生了深远的影响，在应用方面显示出诱人的前景。C60是由60个碳原子构成的球形分子，其独特的结构赋予了它特殊的物理、化学性质。在工业应用中与碱金属形成的复合体系是优良的高温超导材料，与氢化物可作为吸氢材料，用C60薄膜作为基质材料可以制成手指状组合型的电容器......今天我们就来学习这个特殊的物质是怎么构成的。
使用建议说明：碳元素组成的不同单质主要是需要学生了解即可。中考相关考题难度系数不大。
1、定义
由同一种元素碳组成的几种不同的单质：金刚石、石墨、C60、无定形碳等，这些单质的物理性质有较大的差异，其原因是碳原子的空间排列不同；但他们的化学性质相同，其原因是决定它们化学性质的是碳原子。
使用建议说明：此块内容偏文字记忆型的比较多，学生大多很容易理解。但是也要注意新题型的出现情况。
1、金刚石和石墨的物理性质与用途的比较见下表：
颜色、状态 硬度 导电性 熔点 用途
金刚石 无色、透明的正八面体的固体 很大 不导电 很高 划玻璃、制钻头、钻石
石墨 深灰色、有金属光泽、不透明的鳞片状固体 很小 导电 很高 润滑剂、电极、制铅笔芯
2、C60分子
金刚石、石墨都是由碳原子直接构成的物质，没有分子可言。但C60是由60个碳原子构成分子，由分子构成物质。60分子形状类似于足球，所以有人称其为“足球烯”。现在不仅仅发现C60。还发现C70、C80、C120……形成庞大的碳烯族。
3、几种无定形碳的比较见下表：
色态 制法 用途
木炭 灰黑色多孔固体 木材隔绝空气加强热 作燃料、冶炼金属、制黑火药、制活性炭、吸附剂
焦炭 浅灰色多孔固体 烟煤隔绝空气加强热 冶炼生铁
活性炭 黑色粉末 木炭在高温下用水蒸气处理 净化多种气体和液体，作防毒面具吸附剂
炭黑 黑色粉末 含碳物质不完全燃烧 制造油墨、油漆、颜料、作橡胶制品的填料
小结：结构性质用途。
说明：①木炭．焦炭．活性炭和炭黑都是由石墨的微小晶粒和少量杂质组成的，均属混合物，无一定几何形状，所以叫无定形碳。
②木炭．活性炭因具有疏松多孔的结构，表面积很大，所以吸附能力很强。吸附是被吸附物(有色液体、有毒气体等)吸附在其表面(细孔管道内)，这个过程是物理变化。
③“碳”和“炭”的区别：“碳”是指核电荷数为6的碳元素，在描述物质组成时用“碳”，如二氧化碳。“炭”
是指由碳元素组成的几种无定形物质。如木炭、活性炭等。
使用建议说明：碳单质的化学性质主要注意几个对比。尤其是碳的还原实验，很喜欢考查相关的实验题。对于此处的现象考查，一直是重点。
常温下碳具有稳定性 我国古代用墨书写或绘制的画，年深日久不褪色——碳在常温下化学性质稳定，现在填写档案，用碳素笔
高温下 可燃性 反应经常发生在以煤为燃料的火炉里 ※相同反应物在不同的条件反应产物可能不同
还原性 ①碳和CuO反应：2CuO+C2Cu+CO2↑ 现象：黑色的CuO变成红色，有使澄清石灰水变浑浊的气体产生 ②碳和CO2反应：CO2+C2CO
使用建议说明：此处内容主要用于教师课堂的精讲，每个题目结合试题本身、答案和解析部分，教师有的放矢的进行讲授或与学生互动练习。
我国古代一些书法家、画家用墨（用炭黑等制成）书写或绘制的字画能够保存很长时间而不变色，这是因为单质碳具有 （ ）
A、可燃性 B、还原性 C、在常温下，化学性质不活泼 D、吸附性
【答案】C
【解析】A、B项是碳的化学性质，但都与题干无关，D项是碳的物理性质，只有C项切合题意，墨（用炭黑等制成）书写或绘制的字画能够保存很长时间而不变色，这是因为单质碳在常温下的化学性质不活泼。
化学下列说法中，正确的是 （ ）
A、金刚石、石墨都是由碳原子构成的，都很硬
B、单质碳具有还原性
C、用活性炭可除去硬水中的氯化钙杂质
D、木炭燃烧时吸收大量的热
【答案】B
【解析】A选项错，金刚石、石墨都是由碳原子构成的，但由于两者之间的碳原子排列方式不同，两者具有不同的物理性质。金刚石是自然界中最硬的物质，但石墨很软。B选项是正确的，单质碳都由碳元素组成，具有还原性，是他们共有的化学性质。C选项错误，用活性炭能够吸附水中的固体杂质．颜色和气味，但不能吸附可溶于水的氯化钙杂质。
石墨烯是新发现的二维空间材料，它是由石墨制成的新型碳单质。金刚石、石墨、C60和石墨烯的结构示意图如下所示，下列关于这四种物质的说法中正确的是(　　)。
A、都是黑色固体
B、都质软，可作润滑剂
C、碳原子排列方式都相同
D、在氧气中充分燃烧都生成二氧化碳
【答案】D
【解析】金刚石是无色晶体，A错；金刚石的硬度很大，不能作润滑剂；石墨质软，可作润滑剂，B错；在这些单质中碳原子的排列方式不同，使得物理性质差别很大，C错；这四种物质均是由碳原子直接构成的，因此完全燃烧生成物都是二氧化碳。
纳米材料被誉为21世纪最有前途的新型材料。纳米碳管是一种由碳原子构成的直径为几个纳米（1 nm=10-9 m）的空心管。下列说法错误的是（ ）
A、纳米碳管是一种新型的有机化合物
B、纳米碳管如果完全燃烧，生成物是二氧化碳
C、纳米碳管材料管道多，表面积大，吸附能力强
D、纳米碳管在常温下化学性质稳定
【答案】A
【解析】本题是信息给予题。结合题目所给信息，并迁移课本中关于碳单质的性质来解答。依题意，纳米碳管是由碳原子构成的。所以，它的化学性质在常温下很稳定；如果完全燃烧，生成物为CO2；纳米碳管又是一个空心管，所以表面积大，吸附能力强。有机物是含碳的化合物而纳米管只有碳，故A错。
在物质的各大家庭中，有一家兄弟多，老大骨头硬，光彩照人，身价百万；老二又软又滑，生活学习都有它；老三似足球，科研工作都喜欢它。
举出老大的一种用途____________。
(2) 请你猜出老二是___________，用途有______________。
(3) 请你写出老三的化学式______________。
【答案】（1）钻头；（2）石墨 作铅笔芯电极、润滑剂 ；（3）C60
【解析】此处均为碳单质的重点用途，学生直接根据性质决定用途相关原理进行记忆即可。
碳元素有金刚石，石墨和无定形碳等多种单质，下列关于碳单质的叙述正确的是（ ）
A、都是黑色固体
B、碳原子的排列方式都相同
C、在氧气中充分燃烧时，都生成二氧化碳
D、都能使红墨水褪色
【答案】C
【解析】碳为金刚石时，其不为黑色固体，碳原子排列方式的不同导致其有多种形式，只有活性炭的吸附性才能使红墨水褪色。
使用建议说明：在对课堂知识讲解完，把握了重点突破了难点以及练习精讲了之后，再用练习马上进行课堂检测，根据学生情况建议分3个难度层次：易，中，难。
1、下列物质的用途与该物质的物理性质无关的是( )
A、石墨做润滑剂 B、金刚石做玻璃刀
C、活性炭做冰箱里的除臭剂 D、焦炭做炼铁高炉中的还原剂
2、1985年科学家发现C60分子是由60个碳原子构成的，它的形状像足球(图C)，因此叫足球烯。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A．图B分别是金刚石和石墨的结构示意图。田中小黑点均代表碳原子。
用你所学知识回答下列问题。
(1)金刚石、石墨、足球烯、碳纳米管物理性质有较大差异的原因是什么
__________________________________________。
(2)常温下足球烯和碳纳米管的化学性质是否活泼？简要说明理由。
__________________________________________。
(3)请设计一个方案，证明足球烯和碳纳米管都是由碳元素组成的(用文字简要叙述)。
__________________________________________。
3、下列变化属化学变化的是（ ）
A、木炭燃烧 B、活性炭吸附毒气
C、石墨导电 D、金刚石切割玻璃
【答案】
1、D
2、(1)碳原子排列方式不同 (2)不活泼。碳单质的化学性质常温下稳定
(3)将它们放在充满氧气的密闭容器中燃烧，测定其生物是CO2，且CO2中碳元素的质量等于燃烧前碳单质的质量
3、A
【解析】
1、焦炭做炼铁高炉中的还原剂,涉及到化学反应，体现的是其化学性质。
2、碳原子排列方式不同导致物理性质有较大差异；碳单质构成的物质化学性质都不活泼；将它们放在充满氧气的密闭容器中燃烧，测定其生物是CO2，且CO2中碳元素的质量等于燃烧前碳单质的质量。
3、燃烧类的反应均为化学反应，体现了化学变化。
4、用墨绘制的字画能够保存多年而不褪色，这是由于碳（ ）
A、具有还原性 B、具有可燃性 C、常温下性质稳定 D、不溶于水
5、下列物质中硬度最大的是（ ）
A、石墨 B、铁 C、金刚石 D、石灰石
6、继发现C60后，C70也已制得。下列有关C70的说法正确的是（ ）
A、它是一种化合物 B、它是一种单质
C、它是一种混合物 D、它的相对分子质量是70 g
7、纳米材料被誉为21世纪最有前途的新型材料。纳米碳管是一种由碳原子构成的直径为几个纳米（1 nm=10-9 m）的空心管。下列说法错误的是（ ）
A、纳米碳管是一种新型的有机化合物
B、纳米碳管如果完全燃烧，生成物是二氧化碳
C、纳米碳管材料管道多，表面积大，吸附能力强
D、纳米碳管在常温下化学性质稳定
8、下列关于碳的几种单质的组成和用途的说法错误的是（ ）
A、璀璨夺目的天然钻石是由碳元素组成的
B、长期未用而难开启的铁锁，可在锁孔中加入少量铅笔芯末作润滑剂
C、铅笔芯是用铅和少量碳粉制成的
D、活性炭可作防毒面具的滤毒剂
9、下表列出了1 cm3活性炭所能吸附的常见气体的体积。试分析活性炭吸附气体的体积跟气体的哪些性质有关？哪些性质的气体易被活性炭吸附？
N2 NH3 CO2 O2 N2 Cl2
气体沸点/℃ -252 -33 -78 -183 -196 34
吸附气体体积/Ml 4.5 178 97 35 11 494
【答案】
4、C 5、C 6、B 7、A 8、C 9、与气体的相对分子质量、沸点等有关；相对分子质量越大，沸点越高的气体越易被吸附。
【解析】
4、碳的化学性质非常稳定，所以碳可以保存较长时间
5、碳单质中，金刚石的硬度最大
6、其仅由一种元素组成，所以为单质
7、其仅由一种元素组成，所以为单质而不是化合物
8、铅是一种有毒的重金属，不能用来做铅笔
9、与气体的相对分子质量、沸点等有关；相对分子质量越大，沸点越高的气体越易被吸附。
10、下图向盛有二氧化氮气体的集气瓶里投入几块木炭，为什么红棕色会消失？漏斗中液面为什么会上升 为什么用漏斗而不直接用导管插入水中
11、碳元素是组成许多物质的基本元素。
（1）化石燃料主要包括煤． 和天然气，它们都含有碳元素，其中天然气的主要成分是 （写化学式）。
（2）很多天然矿石中含有碳元素，菱锰矿的主要成分是碳酸锰（MnCO3），其中锰元素的化合价 。
（3）在 440℃和高压条件下，金属钠与二氧化碳反应能生成金刚石（C）和碳酸钠，该反应的化学方程式为 。
（4）“碳海绵”是已知最轻的固体材料（如下图所示），由碳元素组成，具有多孔结构，弹性好。它对石油有很强的吸附能力（不吸水），将吸入的石油挤出后仍可恢复原状。下列关于碳海绵的说法正确的是 （填字母序号）。
A、具有吸附性
B、可重复使用
C、可处理海上石油泄漏
12、甲、乙两同学都做过鉴别碳粉和氧化铜两种黑色粉末的实验，各设计如下方案：
甲：将两种黑色粉末分别在空气中燃烧，有火星出现并且黑色粉末逐渐减少的是碳粉。
乙：将两种黑色粉末分别放在试管里，通入氢气后加热，有红亮物质出现的是氧化铜。
你认为最佳方案是___________（填“甲”或“乙”）；简要说明理由。
【答案】
10、木炭具有疏松多孔的结构，有效面积大，有强烈的吸附性，能把大量的气体或染料等微小粒子吸附在表面，所以，二氧化氮气体被木炭吸附了，红棕色会消失。二氧化氮被吸附后，集气瓶内的气体减少，压强变小了，所以，漏斗中液面会上升。如果直接用导管插入水中，则烧杯中水会沿着导管进入集气瓶中。
11、(1) 石油 CH4
(2) +2
(3)4Na＋3CO2C＋2Na2CO3
(4)A 、B 、C
12、甲 甲方案只要点燃木炭就行，不需要再消耗其他能源，既经济实惠，又简便易行；乙方案需要加热，得消耗热能，制取所使用的氢气要消耗化学药品，并且，使用氢气具有很大的危险性。
使用建议说明：此处内容主要用于教师对本节课重点内容进行总结，一方面是对本节课的重点难点内容的回顾，更重要的是针对这节课学生出现的问题再次进行复习提问等，以达到让学生课上掌握的目的，同时可以对下节课内容进行简单的铺垫，以体现出本节课内容与下节课内容之间的关系。
1、碳元素组成的单质为：金刚石．石墨．C60．无定形碳
2、碳单质组成的物质的物理性质的对比
3、单质碳的化学性质：可燃性、还原性
使用建议说明：此处内容主要用于教师根据学生掌握情况有针对性的进行课后作业的布置，掌握好的同学可以适当的布置难度大一些的作业，成绩一般的同学可以以基础题和巩固题目为主，但是一定要控制作业的数量，给学生布置的作业一般不要超过5题，这样学生才能保证做题的质量。
1、古代字画能长期保存，是由于单质碳在常温下具有(　　)
A、稳定性　　　B、氧化性
C、还原性 D、助燃性
2、下列关于金刚石、石墨、C60的说法不正确的是( )
A、它们都是电的良导体
B、石墨质软，可作铅笔芯
C、C60是一种新型的单质
D、金刚石硬度大，可切割大理石
3、中华炭雕(主要成分是木炭)是一种集观赏与空气净化于一体的工艺品，关于它的说法错误的是( )
A、炭雕摆设要远离火种
B、炭雕艺术品可以长久保存
C、炭雕是轻质透明的固体
D、炭雕能吸附室内有害气体
4、当前人们已经认识到无节制排放二氧化碳的危害，纷纷提倡“国家应低碳发展经济，个人应低碳生活”。下列做法不符合上述理念的是( )
A、尽量采用公共交通工具出行
B、拆除低效率的小型燃煤发电厂
C、积极研究开发氢气燃料
D、拒绝使用含碳元素的物质
5、 金刚石、石墨、木炭和C60都是由碳元素组成的单质，下列关于碳的单质的叙述正确的是（ ）
A、都是黑色固体
B、在氧气中充分燃烧时都生成二氧化碳
C、碳原子的排列方式相同
D、一定条件下，石墨转化成金刚石是物理变化
【答案】
1、A 2、C 3、D 4、C 5、B
6、下列关于碳单质的说法中正确的是(　　)
A、C60的相对分子质量为720
B、金刚石、石墨和C60都由碳元素组成，结构相同
C、木炭具有还原性，常温下可以将氧化铜中的铜还原出来
D、石墨很软，不能用于制石墨电极
7、碳和碳的化合物都是非常重要的物质。
(1)碳原子的结构示意图为 ,碳原子的核电荷数是______________。
(2)碳的单质有多种，具有下列结构的碳单质中，由分子构成的是_______(填选项号)。
(3)上海世博会体现的“低碳”亮点主要降低了___________气体的排放。
8、把下列各物质与其对应的主要用途用线连接起来。
A、石墨 ⑴ 填充滤毒罐、用于冰箱去味剂
B、金刚石 ⑵ 可作电极材料
C、活性炭 ⑶ 用于冶炼生铁
D、焦炭 ⑷可用于裁割玻璃
【答案】
A
(1)6 (2)C (3)CO2(或二氧化碳)
8、A （2）；B（4）； C（1）；D（3）
9、碳和碳的化合物都是非常重要的物质。
(1)碳原子的结构示意图为，碳原子的核电荷数为________。
(2)碳的单质有多种，具有下列结构的碳单质中，由分子构成的是________。
(3)用木炭还原氧化铜的实验如图所示。
①酒精灯加网罩的目的是____________________________________________________；
②刚开始预热，试管b中立即产生气泡，但石灰水不变浑浊，原因是________________________________________________________________________；
③继续加热，观察到石灰水逐渐变浑浊，黑色粉末中出现红色物质。请你写出带点部分的化学方程式：____________________；
④停止加热时，应先将导管从试管b中撤出，并用弹簧夹夹紧橡皮管，待试管a冷却后再把试管里的粉末倒出。这样操作的原因是______________________________________________________________。
(4)上海世博会体现的“低碳”亮点主要是降低了________气体的排放。
10、化学兴趣小组的同学们在实验室发现一些黑色粉末，是做“碳还原氧化铜”的实验时剩余的药品，于是对其成分进行探究。
【猜想与实验设计】小红猜测：黑色粉末是CuO。她设计了如下图所示的实验装置。
【实验步骤】取适量该粉末放入玻璃管中，打开K通入CO，排尽空气后加热。
【实验现象】
【实验结论】该黑色粉末是CuO。B装置中反应的化学方程式为_____________________。
【评价与反思】
（1）小芸认为该实验装置存在安全隐患，需要改进的是_________________________；小芸还认为小红的实验结论是有欠缺的，她认为该黑色粉末的成分是_________________________________，理由是________________________________________________。
（2）小红经过反思，改进了实验并确认了黑色粉末的成分。请填写下表。
实验步骤 实验现象 实验结论
【答案】
9、(1)6　(2)C
(3)①提高酒精灯火焰的温度
②开始排出的是试管内的空气
③C＋2CuO 高温 2Cu＋CO2↑
④防止生成的铜被氧化
(4)二氧化碳
10、【实验结论】Ca(OH)2＋CO2 = CaCO3↓＋H2O
（1）增加尾气处理装置 一定含氧化铜，也可能是混有炭粉的氧化铜 含有炭粉的氧化铜也能出现同样的实验现象
（2）
实验步骤 实验现象 实验结论
①关闭K，②取适量该粉末放入玻璃管中，③加热。 若A中黑色粉末变红，B中的澄清石灰水变浑浊。 该黑色粉末是炭粉和氧化铜的混合物。
若A、B中均无明显现象。 该黑色粉末是氧化铜。
其他方法，例如：实验步骤①取少量黑色粉末称重，②置于在空气中充分加热冷却后再称重，实验现象和实验结论若质量减少则该黑色粉末是炭粉和氧化铜的混合物；若质量不变则该黑色粉末是氧化铜。
此处内容主要是针对教师在这节课上的比较成功的地方和比较失败的地方进行反思总结，同时也可以利用问卷星或调研表等对学生进行调研，以便于更好的总结和反思自己的教学。
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