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知识梳理
1.三种碳单质的物理性质及用途
名称金刚石石墨C60
外观无色透明、正八面体状固体深灰色、不透明、细鳞片状的固体C60分子形似足球，有金属光泽的固体
导电性几乎不导电良好几乎不导电
硬度天然存在的最硬物质天然存在的最软的物质之质脆
导热性很差良好很差
用途玻璃刀、钻探机上的钻头、装饰品等电极、高温润滑剂、制铅笔芯等制作新器、制备新材料、超导体等
2.碳的其他单质
木炭和活性炭都具有___________，木炭可以吸附有颜色的大的粒子，也可以吸附有臭味的气体。活性炭比木炭的吸附性更强，所以一般使用___________作为防毒面具里的滤毒剂。炭黑在常温时非常稳定，故用炭黑墨汁绘的画和书写的字久不变色。
3.CO2和CO物理性质
(1)通常状况下，二氧化碳和一氧化碳都是没有颜色、没有气味的气体。二氧化碳气体的密度比空气的大，能溶于水；一氧化碳气体的密度比空气的小，难溶于水。
(2)一定条下CO2存在下列变化：
升华是指固态物质不经过液态直接变为气态的现象。干冰升华是物质状态间的变化，并没有生成新物质，属于物理变化。干冰升华时要吸收大量的热，可作制冷剂。
4.碳单质、CO、CO2的化学性质
化学性质用途
C1.稳定性(常温下)
2.可燃性
燃料
CO1.可燃性
2CO+O2 2CO2
2.毒性燃料
CO21.不燃烧，也不支持燃烧，不供给呼吸
2.与水反应
CO2+H2O====H2CO3
3.与石灰水反应
CO2+Ca(OH)2====CaCO3↓+H2O制作碳酸饮料、作温室气体肥料、灭火、干冰作制冷剂等
5.二氧化碳的实验室制法
(1)实验室制取气体的思路和方法:
首先要研究气体实验室制取的化学反应原理，即选择合适的反应物和反应条(如常温、加热、加催化剂等)，还要选择合适的实验装置，并需研究如何验证制得的气体就是所要制的气体。
(2)实验室制取二氧化碳的反应原理为：_________________________________________。
(3)常用的实验室制取CO2的装置如图：
图5-4
(4)CO2的收集: CO2密度比空气大、能溶于水且与水
反应生成碳酸，一般只用向上排空气法收集CO2气体。收集气体时，导气管应伸到集气瓶底部以排尽集气瓶中空气，使收集到的气体纯度较高。
(5)CO2气体的验证:
①检验方法：将生成的无色、无味的气体通入到澄清的石灰水中，若澄清的石灰水变浑浊，则该气体为CO2。反应的化学方程式为：CO2+Ca(OH)2====CaCO3↓+H2O。
②验满的方法：将一根燃着的木条放在集气瓶口(不要伸入瓶内)，如果木条立即熄灭，则CO2气体已集满。
(6)实验室制取二氧化碳的操作步骤：
一般步骤为：①按要求连接好仪器 ②检查装置的气密性 ③向反应器中装入大理石 ④向长颈漏斗中注入稀盐酸 ⑤收集气体 ⑥验满
6.二氧化碳的循环以及对生活和环境的影响
(1)二氧化碳的生成和消耗：人和动植物的呼吸、化石燃料的燃烧都产生二氧化碳。而自然界消耗二氧化碳主要依靠绿色植物的____________以及水和矿物质对二氧化碳的溶解。
(2)大气中二氧化碳增多的原因及危害：人口增多、大量使用化石燃料、大量森林遭到破坏、导致大气中二氧化碳含量不断上升，引起了____________。
(3)控制温室效应的措施：减少化石燃料的使用；开发新能或清洁能；大力植树造林，严禁乱砍滥伐等。
疑难突破
1.利用图5-5中间的集气瓶能收集到什么样的气体？
剖析：首先可以肯定这里使用的是排空气法收集这种气体。既然这种气体从上面进，只能让瓶中原的空气从下面出去。密度怎样的气体进之后不会向下运动，而会向下挤压空气，让空气从下面排出呢？只能是密度比空气小的气体。
图5-5
2.在某些题目中会出现：刚刚制出的二氧化碳气体用导气管通入到澄清的石灰水中，未观察到浑浊现象。请思考其原因可能有哪些？
剖析：原因从这样几个方面去考虑：
(1)制出的二氧化碳气体是否有问题；
(2)澄清的石灰水是否有问题；
(3)制取二氧化碳所选装置是否有问题，装置是否漏气；
(4)酸的浓度是否过大。
问题探究
问题 将CO2气体通入紫色石蕊试液，紫色石蕊试液会变成红色。设计实验探究是什么使紫色石蕊试液变红的？
探究：实验一：向干燥的紫色石蕊试纸上面洒水，
实验二：将干燥的紫色石蕊试纸放入盛有CO2气体的集气瓶。
实验三：先向干燥的紫色石蕊试纸上面洒水，然后再将湿润的紫色石蕊试纸放入盛有CO2气体的集气瓶。
现象：实验一、实验二中的紫色石蕊试纸未变红，实验三中的紫色石蕊试纸变红了，说明紫色石蕊试液变红是CO2气体和水共同作用的结果，实质上是：
CO2+H2O====H2CO3
是H2CO3使紫色石蕊试液变红的。
典题精讲
例1 如图5-6所示，水槽内盛有少量新制的澄清石灰水，点燃阶梯上的蜡烛，用玻璃钟罩将其扣在水槽内。
图5-6
(1)实验观察到的现象有:
①__________________，原因是__________________；
②__________________，原因是__________________；
③__________________，原因是__________________。
(2)小明用上述实验测定空气中O2的体积分数，结果发现与理论数据有偏差，其原因可能是__________________。(装置的气密性好)
思路解析 两支蜡烛都熄灭是毫无疑问的，哪一支蜡烛先熄灭?蜡烛在很小的空间内燃烧，放出的热量使生成的CO2分子的间隔变大，从而使CO2的密度变小，大部分CO2就集中在钟罩的上部。随着燃烧的进行，钟罩上部的CO2越越多，由于CO2不能支持燃烧，高处蜡烛会先熄灭，低处蜡烛也相继熄灭。蜡烛燃烧生成的CO2被澄清的石灰水吸收，石灰水变浑浊； CO2被吸收后，钟罩内压强要减小，钟罩内水面上升。钟罩内的液面为什么不能上升约1/5体积呢?应围绕蜡烛燃烧和石灰水吸收CO2这两个反应去考虑：钟罩内的O2是否消耗完了，生成的CO2是否全部被吸收了?由于CO2不能支持燃烧，当钟罩内CO2浓度过高，在O2没有消耗完之前，蜡烛熄灭是很有可能的；如果摇动钟罩，CO2可能会被全部吸收，而实验中并没有摇动的操作，因此CO2没有被全部吸收也是很有可能的。
答案：(1)①高处蜡烛先熄灭，低处蜡烛后熄灭 产生的热量使CO2的密度变小而上升，集中在钟罩的上部
②澄清的石灰水变浑浊 CO2+Ca(OH)2====CaCO3↓+H2O
③钟罩内液面上升 石灰水吸收CO2后，钟罩内压强减小
(2)钟罩内O2没有消耗完或生成的CO2没有被石灰水全部吸收等
例2(经典回放)(1)实验室制取大量CO2气体，是否能用稀硫酸和大理石为原料？__________(填“是”或“否”)。为什么？________________________________________。
图5-9
(2)图5-9是实验室制备CO2的装置图。该装置的特点是：打开弹簧夹，大理石和盐酸接触，发生反应；关闭弹簧夹后，盐酸被反应产生的CO2气体压回长颈漏斗，与大理石分离，停止反应。用该装置制备CO2可起到节约药品和取用方便的效果。图5-10装置中哪些可以起到与图5-9装置相同的效果？__________ (填写编号)。
图5-10
思路解析 (1)实验室制取 CO2气体常用稀盐酸跟大理石(或石灰石)反应，其反应原理是盐酸中的HCl跟石灰石中的CaCO3反应，生成能溶于水的CaCl2、H2O和CO2气体。由于生成的CaCl2能不断溶解在盐酸溶液中，生成的CO2气体不断挥发，所以反应能持续不断地平稳进行。若用稀硫酸跟大理石反应时，其反应原理为：H2SO4+CaCO3====CaSO4+H2O+
CO2↑。由于生成的CaSO4微溶于水，就会使大理石表面被生成的CaSO4包裹，造成CaCO3不能再跟H2SO4接触，使反应逐渐停止。(2)正确解答第(2)问的关键是认真审题，弄清各实验装置的反应原理。装置图中的多孔塑料片本身不与盐酸反应，但它能使大理石跟稀盐酸之间实现接触或隔开的转换，进而实现反应进行或停止的控制。A中的大理石跟盐酸间没有隔离装置，不能控制反应，B中的盐酸可通过球形干燥管的下端细孔进入到管内球中，使盐酸跟大理石反应产生气体，关闭导气管时，管内生成的气体又可以把盐酸压到管外，而大理石留在管内，使反应停止。C是错误装置。D中的玻璃珠与盐酸不发生反应，但玻璃珠之间有间隔，盐酸可自由透过，能实现反应自由控制。
答案：(1)否 因为大理石与稀硫酸反应生成微溶的CaSO4覆盖在大理石表面，阻止了硫酸与大理石的进一步反应 (2)BD
知识导学
重点理解以下几点有助于认识这三种单质。金刚石、石墨和C60都是由碳元素组成的单质，但由于碳原子的排列不同(见图5-3)，物理性质有很大的差异，用途也有较大不同；金刚石和石墨在一定条下可相互转化，属于化学变化；可以组成不同单质，如：碳元素的单质有金刚石、石墨和C60等。因此，我们不能说“由同种元素组成的物质叫单质”。
图5-3
物质的结构、性质和用途的关系为：
物质的组成结构 物质的性质 物质的用途
注意：吸附是物理现象，与吸收具有不同的含义。由于木炭疏松多孔，有很大的表面积，因此它具有吸附性，活性炭的吸附性比木炭更强。吸附作用是将气体或溶液里的微小粒子吸附在固体表面，没有生成新物质，属于物理变化。而吸收一般为化学变化，如：CO2气体被澄清的石灰水吸收的过程中生成了碳酸钙沉淀等物质，就是化学变化。
理解CO的毒性、溶解性可联系日常生活的事例如，煤气：主要成分是一氧化碳气体。同学们很难理解家中烧的煤气为何有难闻的气味。原因是煤气公司在家用煤气中掺入少量难闻的杂质气体，就是为了一旦发生泄漏，能够及时发现，采取合理措施，避免造成人的中毒甚至爆炸事故。另外，冬天用煤炉火取暖时有人担心煤气中毒，临睡前在火炉上和地上放两大盆冷水，很明显，这种做法不能达到预防中毒的目的，原因是一氧化碳气体难溶于水。
CO2能溶于水和CO2能与水反应，二者有本质的区别：前者是物质的溶解性，是不需要发生化学变化就表现出的性质，属于物理性质；后者是在化学变化中表现出的性质，属于化学性质。
所有碳单质的化学性质都相同。比如金刚石、石墨和C60以及木炭等都是由碳元素组成的，其碳原子的最外层电子的数目一样多(都是4个)，因此，不同碳单质的化学性质相同。
碳单质的化学性质在常温下稳定。但随着温度的升高，能和许多物质发生化学反应。反应的条不同，产物也不同。如：碳和氧气在点燃条下反应，氧气充足时生成的是CO2，而氧气不充足时主要生成CO。
从CO和CO2分子构成不同表明它们在性质上有很大的差异。CO能进一步与氧结合生成CO2，表现出CO具有还原性。CO2可提供氧，表现出氧化性。
了解一氧化碳毒性的原因。一氧化碳具有毒性，其原因是一氧化碳与血红蛋白结合，使人体缺氧导致中毒，与二氧化碳含量过高使人窒息死亡有着本质区别。二氧化碳没有毒，但空气中二氧化碳的体积分数过高会使人头晕甚至窒息死亡。
利用二氧化碳在自然界中的存在与循环，解释二氧化碳的生态平衡问题、环境保护以及许多工农业生产的有关问题(比如：温室效应、大棚蔬菜的增产等)；运用二氧化碳的性质，还可针对控制二氧化碳的排放及吸收的研究，增强同学们关心人类重大问题的社会责任感。
(1)对学习实验室制取气体的思路和方法的要点提示：
a.选择反应时，要考虑原料易得，反应条要求不高，操作简便安全，反应速率适中，生成的气体不易混入其他气体，便于收集。
b.实验室制取气体的装置包括发生装置和收集装置两部分。选择气体发生装置要根据反应物的状态和反应条；选择气体的收集装置应考虑气体的密度和气体的溶解性及气体是否与水反应。
c.验证气体时，实验现象要明显。
(2)对选择实验室制取二氧化碳的药品的要点提示：
反应中所选的药品在反应时反应速率适中，大理石(或石灰石)价格较低。一般不用其他药品代替的理由：
①不用纯CaCO3或Na2CO3等代替大理石，是因为它们与盐酸反应速率太快，不便于控制；
②不用浓盐酸，因为浓盐酸易挥发出HCl气体使CO2不纯；
③不能用H2SO4代替盐酸，是因为H2SO4与CaCO3反应生成微溶的CaSO4会覆盖在大理石的表面，阻止了反应的继续进行。
(3)对实验室制取CO2的装置选择的要点提示：
一般情况下，若所需反应物的量较大，常用广口瓶、平底烧瓶、锥形瓶等仪器代替大试管做反应器。为防止生成的气体从长颈漏斗口逸出，其下端管口必须浸没在液面以下；反应器中导气管稍露出胶塞即可。
(4)CO2的收集方法应从它的溶解性和密度上考虑。
(5)CO2气体的检验方法从它的特性上考虑：它能使澄清的石灰水变浑浊。
它既不能燃烧，也不支持燃烧，能使燃着的火柴熄灭。
(6)实验室制取二氧化碳的操作步骤可简单记忆为：“连—检—装—注—集—验”。
利用二氧化碳在自然界中的存在与循环，解释二氧化碳的生态平衡问题、环境保护以及许多工农业生产的有关问题(比如：温室效应、大棚蔬菜的增产等)。
疑难导析
首先明确常用收集气体的方法是排空气法和排水集气法。利用排空气法收集主要考虑气体的密度大小，然后联系具体的题目分析。集气瓶排空气法收集气体时“短进长出”，说明该气体密度比空气小；“长进短出”，说明该气体密度比空气大，二者不能混淆。用水去吸收处理剩余气体，说明该气体易溶于水。
实质上：这套集气装置原理与向下排空气法收集气体的原理相同。
分析原因的题目首先弄清每一个实验步骤，然后检查每一个实验步骤中可能出现的错误，特别是每个实验步骤中要注意的问题。未观察到浑浊现象的原因很多，可从装置的选择、装置的气密性、酸的浓度、石灰水的有效性等方面作答。
注意：答案不固定，符合要求即可。
问题导思
题目提供的信息是：将CO2气体通入紫色石蕊试液，紫色石蕊试液会变成红色。要求我们设计实验探究是什么使紫色石蕊试液变红的？我们的思路应该是：(1)分析CO2气体通入紫色石蕊试液后，溶液中有哪些物质：CO2气体、水，还可能有CO2气体和水共同作用下的产物。
(2)设计实验探究是哪一种物质使紫色石蕊试液变色的。实验设计的方向是：运用控制变量的手段，分别给紫色石蕊、CO2气体这一个变量，看紫色石蕊是否变红；水这一个变量，看紫色石蕊是否变红；CO2气体和水这两个变量都给它，看紫色石蕊是否变红。
(3)根据实验现象分析，到底是什么使紫色石蕊试液变红的。
典题导考
绿色通道 密闭容器内压强的大小与气体的多少有直接关系：气体减少，所产生的压强也会减少。
典题变式 1.(2005北京海淀) 小明组装了如图5-7所示的装置A、B进行趣味实验。(注：锥形瓶和滴管中分别盛放不同物质)
图5-7
(1)使用装置A进行实验时，将滴管中的物质加入到锥形瓶中，发现气球鼓起。你推测锥形瓶中的物质可能为(写出一种即可，下同)__________，滴管中的物质可能为__________；
(2)使用装置B进行实验时，将滴管中的物质加入到锥形瓶中，发现气球也鼓起。你推测发生反应的化学方程式为 ____________________；
(3)请你说出装置A、B中气球都能鼓起的共同原理是 ______________________________。
答案：(1)CO2 NaOH溶液 (2)Zn+H2SO4====ZnSO4+H2↑
(3)锥形瓶内外存在气体压强差
2.可用推拉注射器活塞的方法检查图5-8中装置的气密性。当缓慢拉活塞时，如果装置气密性良好，可观察到( )
图5-8
A.长颈漏斗下端口产生气泡 B.瓶中液面上升
C.长颈漏斗内有液面上升 D.注射器内有液体
答案：A
绿色通道 初中化学有关气体的实验室制法的题目：(1)选择气体发生装置时：要考虑反应物的状态和反应条。如固、液反应不需加热的，都可选用制取CO2气体的装置。
(2)选择气体的收集装置时：应考虑气体的密度和气体的溶解性及气体是否与水反应。如能溶于水或能与水发生反应的气体，都不能用排水法收集。
典题变式 (2004新疆中考) 下面是实验室发生和收集氧气、氢气和二氧化碳等气体的仪器装置图(图中A—G是仪器装置代号)：
图5-11
(1)将装置A和E(或G)连接，可用于制取_____________，将装置B和G(或F)连接，可用于制取_____________，将装置B和E连接，可用于制取_____________。
(2)实验室常用加热氯化铵和氢氧化钙的固体混合物制氨气(NH3)。氨气是密度比空气小、极易溶于水的气体。制取氨气时，应选用上述装置中的___________和___________(填编号)。
(3)实验室可用nO2固体和浓盐酸的混合物共热制得氯气。可选用的气体发生装置是_____________。
(4)硫化氢是一种有毒气体，其密度比空气大，能溶于水。实验室常用块状固体硫化亚铁(FeS)和稀硫酸在常温下反应制取硫化氢气体。可选用_____________作气体发生装置，收集装置是D，气体由_____________ (填“a”或“b”)导入集气瓶。硫化氢加热到300℃可发生分解反应，生成单质硫和氢气。试写出其化学反应方程式__________________________。
答案：(1)氧气 氢气 二氧化碳
(2)A F (3)C (4)B a H2S H2+S
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