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一、碳的单质
1．物质的结构决定性质
同一种元素可以组成不同的单质，以单质形式存在的碳有金刚石、石墨和等，由于它们的碳原子排列方式不同，即结构不同，它们的性质也存在较大的差异。由此也可以知道：物质的结构决定其性质。这三种常见单质的空间排列如图所示。
2．金刚石、石墨和C60的比较
金刚石
石墨
C60
物理性质
颜色
无色透明
深灰色
─
状态
正八面体形状的固体
细鳞片状固体
形似足球
光泽
加工琢磨有夺目光泽
有金属光泽
─
硬度
天然物质中硬度最大
质软、有滑腻感
─
导电性
不导电
导电性好
有超导性
熔点
很高
很高
─
主要用途
可用来裁玻璃、切割大理石、加工坚硬的金属，制作钻探机钻头，作装饰品（钻石）
作铅笔芯、润滑剂、电极等
材料学、超导体等
相互关系
─
3．无定形碳
无定形碳：由石墨的微小晶体和少量杂质构成，没有固定形状。常见的无定形碳：木炭、活性炭、焦炭、炭黑。
颜色、状态
制法
用途
木炭
灰黑色的多孔性固体
木材隔绝空气加强热（木材干馏）
燃料、黑火药、制活性炭、冶炼金属
活性炭
灰黑色多孔颗粒状固体
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
焦炭
浅灰色多孔性固体
煤隔绝空气加强热（煤干馏）
冶炼金属
炭黑
极细的黑色粉末
含碳物质不完全燃烧
墨、油墨、油漆、鞋油、燃料等，作橡胶制品的填料
4．碳的单质相关概念辨析
（1）由同种元素组成的不同单质，如金刚石和石墨、红磷和白磷等，其物理性质不同，但化学性质基本相同。
（2）同种元素组成的不同单质间可以相互转化，如石墨在一定条件下能转化为金刚石，这一转化过程中产生了新物质，属于化学变化，而不是物理变化。
（3）木炭和活性炭的吸附性是物理性质，所以木炭、活性炭对其他物质的脱色过程是物理变化。
（4）“碳”和“炭”的区别：“碳”是元素名称，是核电荷数为6的一类原子的总称，并不具体指某种物质。如碳元素、碳单质、二氧化碳等使用“碳”。“炭”只在木炭、活性炭、炭黑、焦炭等无定形碳的物质名称中使用。
二、碳的化学性质
1．常温下，碳单质的化学性质稳定
在常温下，碳的化学性质不活泼。碳受日光照射或与空气、水等接触都不容易起变化。
实际生活中利用这一性质有以下应用：
（1）需要长期保存的档案材料一般用碳素墨水书写。
（2）木质电线杆埋入地下部分用火烧焦。
2．碳能与氧气反应——可燃性
在点燃的条件下，碳可以在氧气（或空气）里燃烧，放出热量。
（1）氧气充足时，完全燃烧：C+O2CO2
（2）氧气不充足时，不完全燃烧：2C+O22CO
无论碳燃烧是否充分，都会放出热量，因此碳是生活生产中常用的燃料。
3．碳能与某些金属氧化物反应——还原性
单质碳在高温下可以和某些氧化物反应，夺取这些氧化物中的氧，表现出还原性。
（1）木炭还原氧化铜
①实验操作
a．把刚烘干的木炭粉末和氧化铜粉末混合均匀，小心地铺放进试管；
b．将试管固定在铁架台上。试管口装有通入澄清石灰水的导管；
c．集中加热；
d．过几分钟后，先撤出导气管，待试管冷却后再把试管里的粉末倒在纸上。观察现象并分析。
②实验现象
澄清的石灰水变浑浊；黑色固体逐渐变成红色。
③实验原理
C+2CuO2Cu+CO2↑
在碳还原氧化铜的反应中，C在反应中得到氧，发生氧化反应，具有还原性。CuO在反应中失去氧，发生还原反应，具有氧化性。
④实验操作目的及注意事项
a．反应开始的标志：澄清的石灰水变浑浊。
b．试管口应略向下倾斜：防止冷凝水倒流使试管炸裂。
c．在酒精灯上加罩的目的：使火焰集中并提高温度。
d．配制混合物时木炭粉应稍过量的目的：防止已经还原的铜被氧气重新氧化。
e．实验完毕后先熄灭酒精灯的后果：石灰水倒吸入热的试管中使试管炸裂。
（2）工业上，用焦炭和铁的氧化物反应冶炼铁：2Fe2O3+3C4Fe+3CO2↑
（3）高温下，木炭还能与二氧化碳反应：C+CO22CO↑
三、氧化反应与还原反应
1．氧化反应、还原反应
物质与氧发生的反应叫做氧化反应。含氧化合物中的氧被夺去的反应叫做还原反应。简记为“得氧被氧化，失氧被还原”。
2．氧化性、还原性
在反应中物质供给氧的性质叫做氧化性，物质夺取氧的性质叫做还原性。
在2CuO+C2Cu+CO2↑反应里，氧化铜失去氧而变成了铜单质，氧化铜发生还原反应。木炭是使氧化铜还原为铜的物质，它具有还原性，是还原剂。木炭跟氧化铜里的氧起反应生成了二氧化碳，又发生了氧化反应。氧化铜在反应中提供氧，具有氧化性，是氧化剂。
氧化反应与还原反应是从得氧失氧的角度研究化学反应的，不属于基本反应类型。氧化剂是指能够供给氧的物质，还原剂是指能够得到氧的物质，氧化剂、还原剂指的都是反应物。氧化反应和还原反应是针对化学反应中的某一反应物而言的，如C与CuO的反应中，C发生了氧化反应，CuO发生了还原反应。
四、碳燃烧时生成物的判断
氧气量充足时，碳充分燃烧：C+O2CO2
3 ：8 ： 11
氧气量不充足时，碳不充分燃烧：2C+O22CO
3 ：4 ： 7
依据反应的化学方程式可知，碳燃烧后生成何种气体由碳和氧气的质量决定。碳和氧气按一定质量比混合，反应后生成气体的情况可按如图所示数轴记忆（数轴下面的数字是碳和氧气的质量比）。
当m g碳与n g氧气反应时：
（1）时，生成物只有CO2，且O2有剩余。
（2）时，碳和氧气恰好完全反应，生成CO2。
（3）时，碳和氧气均无剩余，生成物既有CO2也有CO。
（4）时，碳和氧气恰好完全反应，生成CO。
（5）时，生成物只有CO，且C有剩余。
考向一 碳单质的结构与用途
典例1 （2017·江西）金刚石和石墨物理性质有很大差异的原因是
A．原子排列方式不同
B．原子大小不同
C．原子种类不同
D．原子数目不同
【答案】A
1．关于碳单质的组成和用途的说法不正确的是
A．用铅笔芯的粉末可以使锁的开启变的灵活
B．璀璨夺目的天然钻石是由碳元素组成的
C．活性炭可用作防毒面具的滤毒剂
D．铅笔芯主要用铅和少量碳粉制成
考向二 碳单质的化学性质

典例2 已知：2CuO+C2Cu+CO2↑。如图表示一定质量的CuO和C固体混合物在受热过程中各物质质量随时间的变化趋势。下列说法中，不正确的是
A．t1时，开始发生反应
B．t1和t2时，固体中铜元素质量保持不变
C．c是固体混合物的质量
D．d是二氧化碳的质量
【答案】C
2．石墨烯和碳纳米管都是新型碳单质，下列描述错误的是
A．二者属于不同物质
B．具有可燃性
C．在一定条件下可还原氧化铜
D．常温下它们的化学性质很活泼
过关秘籍
巧用碳单质的“三性”
1．“一性”：常温下的稳定性。
碳素墨水的使用、古代字画流传千百年不褪色都与其稳定性有关。
2．“二性”：可燃性。
注意熟悉木炭在氧气中燃烧的现象；燃烧产物与氧气的量有关。
3．“三性”：还原性。
重点掌握木炭还原氧化铜的实验装置、现象、反应原理及注意事项。
1．关于金刚石、石墨、C60的叙述，正确的是
A．都属于碳单质
B．都由碳原子构成
C．都具有导电性
D．完全燃烧产物不同
2．2016年12月，华为公司宣布即将推出高温长寿命石墨烯基锂离子电池。石墨烯是由碳原子构成的六边形单元向外延展而成的蜂窝状结构（如图所示）。下列说法正确的是
A．石墨烯是人工合成的化合物
B．石墨烯与石墨分别在氧气中完全燃烧的产物不同
C．石墨烯的碳原子排列方式与金刚石的相同
D．石墨烯转变成金刚石是一种化学变化
3．石墨烯是单层的石墨，它是已知世界上最薄、最坚硬的新型材料，有良好的导电性，具有很好的应用前景。下列有关石墨烯的说法正确的是
A．与C60是同一物质
B．属于新型的化合物
C．硬度小于金刚石
D．在氧气中燃烧可能生成CO2、CO或二者的混合物
4．王羲之是我国东晋时期的书法家，他的墨宝保存至今，极其珍贵。你认为他的书法能保存完好的原因是
A．因为王羲之的书法苍劲有力，不易褪色
B．因为书法所用的纸质地优良，经久耐用
C．因为墨的主要成分是碳，在常温下化学性质稳定
D．因为现代学技术发达，能够把古代书法还原本色
5．下列物质用途中，主要利用其化学性质的是　
A? 石墨可用于制铅笔芯
B．氦气可用于充飞艇
C．氢气可做高能燃料
D．玻璃刀头上镶的金刚石可用来裁玻璃
6．石墨烯是从石墨材料中剥离制得的，与金刚石、石墨一样，都只由碳元素组成。如图是金刚石、石墨、C60和石墨烯的微观结构示意图。下列说法错误的是
A．它们都是单质
B．它们的结构中碳原子的排列方式都相同
C．1个C60分子由60个碳原子构成
D．它们在氧气中充分燃烧时都生成二氧化碳
7．有关2CuO+C2Cu+CO2↑的反应，说法正确的是
A．CuO具有还原性
B．C发生了还原反应
C．反应前后氧元素的化合价没有改变
D．反应前后固体质量不变
8．下列对一些事实的解释不正确的是
事实
解释
A
用碳素墨水书写档案
常温下单质碳的化学性质稳定
B
石墨能够做电池的电极材料
石墨较软
C
焦炭可以把铁从它的氧化物矿石里还原出来
焦炭具有还原性
D
制糖工业中用活性炭来脱色以制白糖
活性炭具有吸附性
9．已知：C+2CuO2Cu+CO2↑。如图表示一定量的木炭和氧化铜固体混合物受热过程中，某变量y随加热时间的变化趋势，其中纵坐标y表示
A．固体的质量
B．固体中氧化铜的质量
C．二氧化碳的质量
D．固体中铜元素的质量分数
10．碳在氧气中燃烧，下列说法中，符合质量守恒定律的是
A．8 g碳和3 g氧气完全化合，可生成11 g二氧化碳
B．6 g碳和16 g氧气完全化合，可生成22 g二氧化碳
C．6 g碳和20 g氧气完全化合，可生成26 g二氧化碳
D．32 g碳和12 g氧气完全化合，可生成44 g二氧化碳
11．由下面实验现象可知，黑色粉末可能是
A．Fe3O4和C
B．Fe和CuO
C．MnO2和CuO
D．CuO和C
12．碳元素是组成许多物质的基本元素。
（1）元素周期表中碳元素信息如图所示，碳的原子序数是_____________。
（2）C60这种物质是由_____________（填“分子”或“原子”）构成。
（3）金刚石、石墨都是由碳元素形成的_____________（填“单质”或“化合物”），它们的物理性质_____________（填“相似”或“不同”），原因是_______________________________________。
（4）炭可用于冶炼金属，焦炭和三氧化二铁在高温下反应的化学方程式为　_________________________________________________________________。
1．[2017·鄂州]下列碳单质的各种用途中，利用了其化学性质的是
A．做钻头
B．做电极
C．冶炼金属
D．做冰箱除味剂
2．[2017·桂林]关于化学反应C+O2CO2，说法错误的是
A．反应前后分子种类没变
B．反应前后物质总质量相等
C．该反应放出热量
D．该反应为化合反应
3．[2017·兰州]下列有关碳单质的性质和结构，说法正确的是
A．金刚石和石墨的物理性质有很大差异是因为构成它们的原子大小不同
B．用墨书写或绘制的字画能保存很长时间而不变色是因为碳的化学性质不活泼
C．C60表示一个C60分子
D．所有碳单质燃烧只生成二氧化碳
4．[2017·长沙]下列有关碳单质的说法错误的是
A．金刚石、石墨充分燃烧的产物都是二氧化碳
B．金刚石和石墨的物理性质不同的原因是碳原子的排列方式不同
C．书写档案时规定使用碳素墨水，是因为常温下碳的化学性质不活泼
D．金刚石和石墨都是硬度最大的物质
5．[2017·福建]十八世纪，拉瓦锡用放大镜聚集日光使玻璃罩内的金刚石燃烧，得到二氧化碳。坦南特进一步研究确认金刚石仅由碳元素组成。下列说法错误的是
A．金刚石属于有机物
B．金刚石燃烧过程放出热量
C．金刚石具有可燃性
D．聚集日光使温度达到金刚石的着火点
6．[2016·泉州]石墨烯是由碳元素组成的非常优良的纳米材料，具有超强导电、导热的性能。关于石墨烯的认识错误的是
A．可作散热材料
B．是一种化合物
C．可做新型电池的电极
D．完全燃烧生成二氧化碳
7．[2016·南宁]如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
8．[2016·淄博]我们的祖先很早就掌握了炼铜的工艺，通过学习，同学们知道木炭可以作还原剂把氧化铜中的铜还原出来，小明查阅了大量的资料后，建议用超细炭粉与氧化铜粉末混合进行实验，他的理由是____________________________________________________。
（1）同学们按如图装置进行实验，当看到澄清的石灰水刚刚出现浑浊时，____________（填写“可以”或者“不能”）确定氧化铜和炭粉已经开始反应。
（2）为了使氧化铜中的铜完全被还原，对于下列三组氧化铜和炭粉的质量比例，你建议选择__________（填写字母），简要说明你的理由____________________________________________________。
A．36∶3 B．40∶3 C．48∶3
1．【答案】D
2．【答案】D
【解析】A、石墨烯和碳纳米管都是新型碳单质，是两种不同的单质，正确；B、石墨烯和碳纳米管都是新型碳单质，碳单质具有可燃性，正确；C、石墨烯和碳纳米管都是新型碳单质，碳单质具有还原性，在一定条件下可还原氧化铜，正确；D、石墨烯和碳纳米管都是新型碳单质，常温下它们的化学性质不活泼，错误。故选D。21世纪教育
1．【答案】A
【解析】A、金刚石、石墨和C60都是由碳元素组成的纯净物，都属于单质，正确；B、金刚石、石墨由碳原子直接构成，C60是一种由分子（每个分子由60个碳原子构成）构成的单质，错误；C、金刚石没有导电性，错误；D、因为它们都是由碳元素组成的，在氧气中充分燃烧时都生成二氧化碳，错误。故选A。
2．【答案】D
【解析】A、石墨烯是碳单质，错误；B、石墨烯是由碳元素组成的，在氧气中完全燃烧的产物和石墨在氧气中完全燃烧的产物相同，都是二氧化碳，错误；C、石墨烯的碳原子排列方式与金刚石的不同，错误；D、石墨烯转变成金刚石有新物质生成，是一种化学变化，正确。故选D。
3．【答案】D
【解析】A、石墨烯是由碳原子构成的，是单层的石墨与C60的碳原子排列方式不同，不是同一物质，错误；B、石墨烯是由碳原子构成的，也就是由一种元素组成的纯净物，属于单质，错误；C、石墨烯是单层的石墨，它是已知世界上最薄、最坚硬的新型材料硬度大于金刚石，错误；D、石墨烯由碳元素一种元素组成，所以完全燃烧时，碳与氧结合生成二氧化碳，不完全燃烧生成一氧化碳，正确。故选D。
4．【答案】C
5．【答案】C
【解析】A、石墨可制铅笔芯，利用了石墨的深灰色、质软，属于物理性质，错误；B、氦气用于充飞艇，是利用了氦气密度比空气小的性质，属于物理性质，错误；C、氢气可用作高能燃料，利用了氢气的可燃性，属于化学性质，正确；D、金刚石可用于裁玻璃，利用了金刚石的硬度大，属于物理性质。故选C。
6．【答案】B
【解析】A、单质是由一种元素组成的纯净物，从题干信息“石墨烯是从石墨材料中剥离制得的，与金刚石、石墨一样，都只由碳元素组成”看，它们都属于单质，正确；B、从图看，构成金刚石、石墨、C60、石墨烯碳原子的排列方式都不相同，错误；C、从C60的化学式看，1个C60分子是由60个碳原子构成的，正确；D、因为金刚石、石墨、C60、石墨烯都是由碳元素组成的，在氧气中充分燃烧时都生成二氧化碳，正确。故选B。
7．【答案】C
【解析】A、该反应中，碳夺取了氧化铜中的氧，具有还原性，错误；B、在该反应中，氧化铜失去了氧，发生了还原反应，错误；C、反应前后，氧元素的化合价均为﹣2价，正确；D、由质量守恒定律，由于有二氧化碳气体生成，反应后固体质量减少，错误。故选C。
8．【答案】B
【解析】A、因碳在常温下性质稳定，所以书写档案用碳素墨水，可保存时间长，故解释正确；B、因石墨可导电，所以可作电池的电极材料，故解释不正确；C、因碳具有还原性，能与金属氧化物反应，得到氧，金属氧化物失去氧，故解释正确；D、因活性炭具有吸附性，所以可用来吸附色素，故解释正确。故选B。
9．【答案】D
【解析】A、氧化铜和碳反应生成铜和二氧化碳，固体质量逐渐减小，错误；B、氧化铜的质量逐渐减小到零，错误；C、二氧化碳的质量应该从零开始不断增加，错误；D、铜元素质量不变，固体质量逐渐减小，所以固体中铜元素的质量分数逐渐增加，然后不变，正确。故选D。
10．【答案】B
【解析】由化学方程式C+O2CO2可知：每12份质量的碳和32份质量的氧在点燃的条件下完全化合生成44份质量的二氧化碳，即参加反应的碳、氧气和生成的二氧化碳质量之比=3∶8∶11。A、不符合各比例关系，碳足量，氧气不足，生成一氧化碳，错误；B、6 g碳和16 g氧气恰好完全反应生成22 g二氧化碳，正确；C、碳完全反应，氧气有剩余，生成22 g二氧化碳，错误；D、碳足量，有剩余，氧气不足，反应生成一氧化碳，错误。故选B。学@
11．【答案】D
12．【答案】（1）6
（2）分子
（3）单质 不同 它们的原子排列方式不同
（4）3C+2Fe2O34Fe+3CO2↑
【解析】（1）元素周期表中汉字名称左上方的数字表示原子序数，碳的原子序数是6。（2）C60这种物质是由分子构成。（3）金刚石、石墨都是由碳元素形成的单质，它们的物理性质不同，原因是它们的原子排列方式不同。（4）炭可用于冶炼金属，焦炭和三氧化二铁在高温下反应的化学方程式为3C+2Fe2O34Fe+3CO2↑。
1．【答案】C
【解析】必须经化学变化才能表现的性质叫化学性质，不需要发生化学变化就能表现的性质叫物理性质。 A、做钻头利用了金刚石硬度大的物理性质，不符合题意；B、做电极利用了石墨有良好的导电性的物理性质，不符合题意；C、冶炼金属，利用了碳的还原性，能和金属氧化物反应生成金属单质，属于碳的化学性质，符合题意；D、做冰箱除味剂利用了碳的吸附性的物理性质，不符合题意。故选C。
2．【答案】A
【解析】A、化学变化的实质是分子分成原子，原子再重新组合成新分子，反应前后分子种类一定发生了改变，错误；B、任何化学反应均遵守质量守恒定律，反应前后物质总质量相等，正确；C、碳具有可燃性，在氧气中燃烧放出热量，正确；D、该反应符合“多变一”的特征，属于化合反应，正确。故选A。
3．【答案】C
4．【答案】D
【解析】A、金刚石、石墨都是碳的单质，充分燃烧的产物都是二氧化碳；B、决定物质性质的是物质的组成和结构，金刚石和石墨的物理性质不同的原因是碳原子的排列方式不同；C、书写档案时规定使用碳素墨水，是因为常温下碳的化学性质不活泼，便于长期保存；D、金刚石是自然界中硬度最大的物质，石墨是自然界中硬度最小的物质。故选D。
5．【答案】A
【解析】A、有机物是含有碳元素的化合物，金刚石是由碳元素组成的单质，不属有机物，错误；B、燃烧放出热量，正确；C、金刚石是由碳元素组成的，具有可燃性，正确；D、燃烧需要同时满足三个条件：一是要有可燃物，二是可燃物要与氧气接触，三是温度要达到可燃物的着火点，由资料可知用放大镜聚集日光使玻璃罩内的金刚石燃烧，聚集日光使温度达到金刚石的着火点，正确。故选A。
6．【答案】B
【解析】A、石墨烯具有超强导热性，所以可作散热材料，正确；B、石墨烯是由碳元素组成的，属于单质，不属于化合物，错误；C、石墨烯具有超强导电性，可做新型电池的电极，正确；D、石墨烯是由碳元素组成，完全燃烧生成二氧化碳，正确。故选B。
7．【答案】D
【解析】A、给酒精灯加罩，目的是使火焰集中并提高温度，正确；B、实验过程中生成了二氧化碳，可观察到澄清石灰水变浑浊，正确；C、碳在反应中与氧结合，发生了氧化反应，表现出还原性，正确；D、实验结束后，应先将导气管从澄清石灰水中撤出，再停止加热，防止液体倒流引起试管炸裂，错误。故选D。
8．【答案】（1）增大反应物的接触面积，使反应更充分
（2）不能
（3）A 反应中炭粉会与试管内的氧气反应而部分消耗，故稍过量的炭粉有利于反应的进行

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