鲁科版化学必修一第3章第一节碳的多样性

化学必修一 HUAXUEBIXIUYI 第三章第一节 碳的多样性  自然界中碳的存在 碳元素既是构成生物体的基本元素，又是构成地壳中岩石和化石燃料（煤、石油、天然气) 的主要元素，碳在自然界中的存在形态有游离态和化合态两种。 ( 1 )以游离态存在的物质是单质，包括石墨、金刚石等。 （2 )以化合态存在的物质又分为无机物和有机物，无机物包括碳的氧化物和碳酸盐、碳酸 氢盐等，有机物包括烃以及烃的衍生物等。 一、多种多样的碳单质 1、同素异形体 课本62 （1 )同素异形体的概念：由同一种元素组成的性质不同的几种单质，叫作该元素的同素异 形体。 （2）常见的同素异形体： 金刚石、石墨、C60的是碳元素的同素异形体；氧气、臭氧（O3）是氧元素的同素异形体； 红磷、白磷是磷元素的同素异形体等。 注意说明。记在课本62 同素异形体必须满足下列三个条件：①必须是同种元素；②必须是单质；③必须结构不同。 （3）有关同素异形体的理解：记在课本62 ①金属元素无同素异形体，部分非金属元素有同素异形体； ②同素异形体是由于形成单质的原子个数及排列方式不同而造成的； ③同素异形体之间的差异主要体现在物理性质上，而化学性质相似； ④同素异形体之间的转化是化学变化而不是物理变化。 知识延伸 由于同素异形体由同种元素组成，因此同素异形体往往具有相似的化学性质，但由于构成同素异形体各种 单质的原子间连接方式不同(即结构不同)，因此同素异形体的物理性质往往有很大的差别。 2、金刚石、石墨、C60的比较 金刚石 石墨 C60 结构特点 正四面体空间网状结构， 碳原子间以共价键结合 平面正六边形的层状结构，同一层的 碳原子间以共价键结合，层与层之间 以分子间作用力结合容易发生相对滑 动 由60个碳原子构成的形似 足球的分子，碳原子位于 球的表面，呈正六边形和 正五边形排列 物理性质 无色透明晶体，硬度大， 熔、沸点高，不导电 深灰色细鳞片状晶体，硬度小，熔、 沸点高，能导电 灰黑色固体，熔、沸点低， 不导电，具有独特性质 用途 常用来制作饰品和切割工 具 常用来制电极、铅笔芯，做润滑剂等 应用于材料科学等领域 结构模型 化学性质 化学性质相同，在氧气中均可燃烧生成CO2，化学程式为C+O2===CO2 点燃 课本63 3、同素异形体的证明方法 记在课本63 可以通过金刚石和石墨在氧气中燃烧都生成二氧化碳或金刚石和石墨在一定条件下可以相 互转化来证明金刚石和石墨是碳元素的同素异形体。 4、碳单质的化学性质 （1）碳的稳定性；碳原子的最外层电子数为4，常温条件下，不易得失电子，因此，在常 温条件下，碳的化学性质不活泼。记在课本63 如用墨书写的字画虽年深日久，但不褪色；书写重要的档案资料时，用碳素墨水；栽木桩 时，把栽入泥土的一端用火烤焦。 (2)碳的可燃性 记在课本63 ①氧气充足时，碳与氧气反应生成二氧化碳。C+O2===CO2 ②氧气不足时，碳与氧气反应生成一氧化碳。2C+O2===2CO （3）碳的还原性 记在课本63 ①焦炭可以把铁从它的氧化物矿石里还原出来。2Fe2O3+3C===4Fe+3CO2 ↑ ②碳与二氧化碳反应。 C+CO2 === 2CO ③制水煤气的反应。 C+H2O === CO + H2 点燃 点燃 高温 高温 高温 二、广泛存在的含碳化合物 1、常见的含碳化合物。学习指导48 自然界中，碳元素是形成化合物种类最多的元素，尽管碳元素有多种同素异形体，但它 在自然界中主要以化合物的形式存在。课本64 (1）所有的有机化合物：如蛋白质、淀粉、油脂，以及石油、液化气、天然气等的主要 成分。学习指导49 (2）无机化合物：如CO、CO2、H2CO3 、碳酸盐、碳酸氢盐等 2、碳的氧化物—CO和CO2的比较 记在课本62 氧化物 CO CO2 物理性质 无色、无味气体，有毒，难溶于水 无色、无味气体，无毒，能溶于水 化学性质 ①可燃性2CO+O2===2CO2 ②还原性CO+CuO===CO2+Cu Fe2O3+3CO===2Fe+3CO2 ③不成盐氧化物 ①酸性氧化物CO2+H2O ===H2CO3 CO2+NaOH===NaCO3+H2O CO2+Ca（OH）2===CaCO3↓+H2O CO2过量时，可使碳酸的正盐转化为酸式盐： CO2+NaCO3+H2O ===2NaHCO3 CaCO3+H2O +CO2===Ca（HCO3）2 ②氧化性 CO2+C===2CO ③不能燃烧，也不支持燃烧 实验室制法 HCOOH CO↑+H2O CaCO3+2HCl===CaCl2+CO2↑+H2O 收集方法 排水法 向上排空气法 检验方法 点燃后在火焰上方罩个干燥的烧杯，无水雾 出现；罩一个沾有石灰水的烧杯，出现浑浊 将CO2通入澄清石灰水中，澄清石灰水变浑浊 工业制法 C+H2O === CO + H2 CaCO3===CaO+CO2↑ 主要用途 做还原剂、燃料、化工原料 制冷剂、气体肥料，用于灭火人工降雨，制纯碱、 尿素、汽水 点燃 高温 高温 高温 浓硫酸 高温 高温 知识延伸 CO2气体与某些溶液的反应规律 记在课本62 往某溶液中不断通入CO2至过量时，若现象为“先产生白色沉淀，后沉淀逐渐溶解”，则有以下 几种情况： ①往澄清石灰水中不断通入CO2气体的反应为： CO2+Ca（OH）2===CaCO3↓+H2O CaCO3+H2O +CO2=== Ca (HCO3) 2 ②往氢氧化钡溶液中不断通入CO2气体的反应为： Ba(OH)2 + CO2 === BaCO3↓+H2O BaCO3+H2O +CO2===Ba(HCO3) 2 ③往次氯酸钙溶液中不断通入CO2气体的反应为： Ca(ClO)2 +H2O +CO2 === CaCO3↓ + 2HClO CaCO3+H2O +CO2===Ca (HCO3) 2 3、碳酸钠和碳酸氢钠的比较 学习指导49 （1）碳酸钠和碳酸氢钠的物理性质与用途的比较 化学式 Na2CO3 NaHCO3 学名 碳酸钠 碳酸氢钠 俗称 纯碱、苏打 小苏打 色态 白色固体 白色固体 溶解性 易溶于水 较易溶于水（溶解度较Na2CO3小) 用途 用于玻璃、肥皂、造纸、纺织等工业 用于制发酵粉、灭火器，医疗上用于治疗胃酸过多 注意说明 Na2CO3和NaHCO3的水溶液均呈碱性，物质的量浓度相同时， Na2CO3溶液的pH大于NaHCO3 溶液的pH。课本64 （2）碳酸钠和碳酸氢钠的化学性质。学习指导49 ①碳酸钠和碳酸氢钠化学性质的实验探究 实验探究：碳酸钠和碳酸氢钠的化学性质 假设：碳酸钠能与盐酸、氢氧化钠、氢氧化钙和二氧化碳反应； 碳酸氢钠能与盐酸、氢氧化钠、氢氧化钙和二氧化碳反应； 实验方案及实验记录： 实验内容 实验现象 结论 将碳酸钠和碳酸氢钠同时加入到 等量的盐酸中，并用导管将生成 的气体通入澄清石灰水中 盐酸中都有大量气泡冒出，澄清 石灰水变浑浊 碳酸钠和碳酸氢纳都能与盐酸反 应，并都能产生二氧化碳 将碳酸钠和碳酸氢钠分别加到等 量的氢氧化钠溶液中，并用pH试 纸测反应后溶液的pH 加入碳酸钠后溶液的pH几乎不变， 但大于加人碳酸氢钠后溶液的pH 碳酸钠不与氢氧化钠反应，碳酸 氢钠能与氢氧化钠反应 将碳酸钠和碳酸氢钠分别加到等 量的氢氧化钙溶液中 两溶液中都有白色沉淀生成 碳酸钠和碳酸氢钠都能与氢氧化 钙反应 将二氧化碳分别同时通入饱和碳 酸钠、碳酸氢钠溶液中 饱和碳酸钠溶液中有白色晶体析 出，饱和碳酸氢钠溶液中无明显 现象 碳酸钠能与二氧化碳反应，碳酸 氢钠不与二氧化碳反应 实验结论：碳酸钠能与盐酸、氢氧化钙和二氧化碳等反应，碳酸氢钠能与盐酸、氢氧化钠、氢 氧化钙等反应。 学习指导49 ②碳酸钠和碳酸氢钠的化学性质比较 化学性质 碳酸钠 碳酸氢钠 与HCl反应 Na2CO3+2HCl===2NaCl+CO2↑+H2O NaHCO3+HCl===NaCl+CO2↑+H2O 与NaOH反应 不反应 HCO3 -+OH-===CO3 2-+H2O 热稳定性 不易分解 受热易分解 2NaHCO3===Na2CO3+CO2↑+H2O 与Ca（OH）2反应 Na2CO3+Ca(OH) 2===CaCO3↓+2NaOH 2NaHCO3（过量）+Ca(OH) 2===CaCO3↓ +2H2O+Na2CO3 与CO2反应 Na2CO3+CO2+H2O===2NaHCO3 不反应 相互转化 溶液中：NaHCO3+NaOH===Na2CO3+H2O Na2CO3+CO2+H2O===2NaHCO3 固体中：2NaHCO3===Na2CO3+CO2↑+H2O △ △ 学习指导49 课本65 三、碳及其化合物间的转化 1、自然界中碳及其化合物间的转化 碳及其化合物在自然界中的转化如图3-1-1所示： 涉及的化学方程式： 2C+O2=== 2CO C+O2 ===CO2 CO2 + Ca（OH）2 === CaCO3↓+ H2O CaCO3 + CO2+H2O === Ca (HCO3) 2 CO2 + H2O 糖类 点燃 点燃 （1 )以动、植物为主要载体的转化 课本66 ①植物通过光合作用吸收空气中的二氧化碳，形成葡萄糖并释放出氧气，葡萄糖再转化为淀粉。 ②植物被动物采食后，淀粉被动物吸收并转化为葡萄糖，部分葡萄糖在动物体内被氧化为二氧化碳。 ③植物和动物在呼吸过程中吸入氧气，放出二氧化碳。 ④动物的遗体经微生物分解破坏，最后变成二氧化碳、水和其他无机盐，这些物质又被植物利用。 ⑤化石燃料如煤、石油、天然气等是动植物遗骸经过长期演化形成的，它们燃烧时释放出二氧化碳。 （2）以海水为主要载体的转化 空气中的二氧化碳有很大一部分被海水吸收，这种交换发生在空气和水的界面处。溶入水中的二氧 化碳逐渐转化为碳酸盐沉积于海底形成新的岩石，或通过水生生物的贝壳和骨骼转移到陆地。这些 碳酸盐又与空气中的二氧化碳和水反应，生成碳酸氢盐而溶于水归入海洋。 （3）自然界中美妙的石笋、钟乳石和石柱的形成 ①溶洞的形成原理 课本67 石灰岩的主要成分是碳酸钙。碳酸钙遇到溶有二氧化碳的水时，会慢慢变成可溶于水的碳酸氢钙 Ca (HCO3) 2当受热或压强突然变小时，水中的碳酸氢钙会分解，重新变成碳酸钙沉积下来。 在自然界里不断发生上述反应，石灰岩逐渐变成碳酸氢钙而溶解掉，形成溶洞；碳酸氢钙不断分 解，生成的碳酸钙逐渐沉积，形成千姿百态的钟乳石、石笋和石柱。 ②实验探究“溶洞”的形成 实验探究：溶洞的形成原理 实验准备：将CO2通入澄清石灰水中，得到CaCO3白色沉淀，备用。 实验步骤及实验现象： 实验步骤 实验现象 化学方程式 向得到的悬浊液中继 续通入足量的CO2气体 白色沉淀逐渐溶解 CaCO3 + CO2+H2O === Ca (HCO3) 2 将所得溶液小心加热 溶液重新变浑浊， 并冒出气泡 Ca (HCO3) 2===CaCO3 ↓+ CO2↑+H2O △ 实验结论：CaCO3和Ca (HCO3) 2之间可以相互转化，溶洞中的石笋、钟乳石和石柱就是通 过它们之间的相互转化形成的。 学习指导51 知识延伸 自然界在永不停息地进行着碳的转化，这种转化形式多种多样，速度也有快有慢，总体上处于 平衡状态。但是，由于现代化工业社会过多燃烧煤炭、石油和天然气，这些燃料燃烧后放出大 量的二氧化碳气体进入大气，破坏了这种平衡，造成了“温室效应”。 2、生产和生活中碳及其化合物间的转化 (1)高炉炼铁 课本68 ①原料：焦炭、铁矿石。 ②高炉煤气的主要成分：CO、CO2、N2等。 ③反应原理 CO的生成：C+O2 ===CO2 C+CO2 ===2CO 还原铁的氧化物：Fe2O3+3CO===2Fe+3CO2 炉渣的形成：CaCO3 === CaO+ CO2 ↑ CaO+SiO2 === CaSiO3 点燃 高温 高温 高温 高温 (2)木炭燃烧 C+O2 ===CO2 2C+O2 ===2CO 2CO +O2 ===2 CO2 C+CO2 ===2CO 上述反应中，C、CO做还原剂，CO2 、O2做氧化剂。 (3)工业制水煤气：C+H2O（g）===CO+H2。记在课本69 (4)水垢的形成 Ca (HCO3) 2===CaCO3 ↓+ CO2↑+H2O Mg (HCO3) 2=== MgCO3 ↓+ CO2↑+H2O MgCO3 +H2O === Mg (OH)2 + CO2↑ ,[相同条件下， MgCO3的溶解度大于Mg (OH)2的溶解度] 3、无机化合物与有机化合物间的转化 课本69 1828年，德国化学家维勒用无机物氰酸铵（NH4CNO）合成出有机化合物——尿素，打破了无机物和有 机物之间的界限。 点燃 点燃 点燃 高温 高温 △ △ △ 注意说明 水垢的主要成分是CaCO3和Mg (OH) 2，加入醋酸，可以将CaCO3等物质溶解。 学习指导52 拓展点1、Na2CO3溶液与盐酸反应的现象分析 （1)现象分析 Na2CO3溶液与盐酸作用时，滴加顺序不同，实验现象不同，产生的CO2的量也可能不同。 ①把Na2CO3溶液逐滴滴加到盐酸中，开始时盐酸相对过量，则发生反应： Na2CO3 +2HCl===2NaCl+CO2↑ +H2O，即一滴加就有CO2气体放出。 ②把盐酸逐滴滴加到Na2CO3溶液中，开始时Na2CO3相对过量，则发生反应： Na2CO3 + HCl === NaCl+NaHCO3继续滴加盐酸时，才发生反应： NaHCO3 + HCl === NaCl +CO2↑ +H2O即开始阶段无明显现象，后来才有CO2气体放出。 因此，只有在盐酸相对于Na2CO3溶液过量时，两种滴加方式最终产生的CO2的量才会相同，否 则，后一种滴加方式产生的CO2比前一种滴加方式产生的CO2要少。 ③应用上述实验可在不另加试剂的前提下鉴别Na2CO3溶液和盐酸 具体操作如下：取两种溶液各少许分别放入两支试管中，编号为A、B，用胶头滴管取A溶液逐 滴滴入B中，若立即产生气泡，则A溶液为碳酸钠溶液；若开始无现象，滴加一段时间 之后才有气泡产生，则A溶液为盐酸。 (2) Na2CO3 、NaHCO3和盐酸反应的比较 ①放出CO2的快慢不同：由于Na2CO3需要逐步结合两个H+才放出CO2 ，因此NaHCO3与盐酸 反应放出CO2较快。 ②耗酸量不同：等质量的Na2CO3与NaHCO3分别与盐酸反应，前者耗酸多；等物质的量的 Na2CO3与NaHCO3分别与盐酸反应，前者耗酸多。