化学人教版九上同步讲义：第17讲 金刚石、石墨、C60（含解析）

第17讲 金刚石、石墨、C60
知识图谱
碳单质及其化学性质
知识精讲
一．金刚石、石墨和C60
1．金刚石、石墨、C60是由碳元素组成的三种不同的单质，所以，在一定条件下，将石墨转化为金刚石的变化是化学变化。
2．金刚石、石墨的物理性质和用途
3．金刚石是天然存在的最硬的物质。
4．C60分子是一种由60个碳原子构成的分子，它形似足球，这种足球结构的碳分子很稳定。
5．金刚石、石墨、C60物理性质不同的原因：碳原子的排列方式不同。
6．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
二．碳的化学性质
1．单质碳的物理性质各异，而各种单质碳的化学性质却完全相同。
2．在常温下，碳的化学性质不活泼。
3．碳具有可燃性：，
碳在氧气中燃烧的现象：燃烧剧烈，发出白光；放热；生成能使澄清石灰水变浑浊的气体。
4．碳具有还原性：
，
单质碳的还原性可用于冶金工业。
三．木炭还原氧化铜的实验
1．实验操作
（1）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；
（2）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；
（3）集中加热；
（4）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．化学方程式：
4．注意事项
（1）反应开始的标志：澄清的石灰水变浑浊；
（2）在酒精灯上加网罩的目的：使火焰集中并提高温度；
（3）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；
（4）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。
三点剖析
一．考点：
1．碳单质的物理性质
2．碳单质与氧气的反应及碳单质的还原性
二．重难点：
1．碳单质与氧气的反应
2．木炭还原氧化铜的实验
三．易错点：
1．“碳”与“炭”的区别。“碳”是元素名称，指元素，“炭”是指由碳元素组成的部分单质。如：木炭、活性炭等。
2．木炭、活性炭的吸附性属于物理性质，吸附过程中发生的变化是物理变化。
碳单质的性质和用途
例题1、 下列各选项中，解释与事实不吻合的是（ ）
A.A B.B C.C D.D
例题2、 如图是甲、乙两种物质的结构示意图，图中小圆圈均代表碳原子．这两种物质在氧气中完全燃烧后的产物都是二氧化碳，但它们的物理性质却明显不同，如导电性、硬度等．据此，下列说法错误的是（ ）
A.甲乙两种物质中的碳原子大小相同 B.将甲乙两种物质混合后得到的是纯净物
C.甲乙两种物质中原子的空间排列方式不同 D.甲乙两种物质由相同的原子构成
例题3、 （1）“南水北调”工程中线的正式通水，缓解了河南人民的用水困难。水烧开后出现水垢，生活中常用的________来降低的硬度，用________区分硬水与软水。
（2）金刚石硬度大，石墨质软，因为________；水与过氧化氢化学性质不同的原因是________。
随练1、 金刚石和石墨都是由________组成的单质，它们的物理性质有很大的差异的原因是________________________；防毒面具中常用的滤毒剂是________，舞台上出现云雾缭绕的情景，通常用________．
随练2、 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
随练3、 宏观和微观之间存在着必然联系，建立正确的微粒有利于化学的学习，请从微观角度回答下列问题：
（1）阿伏加德罗指出分子和原子的区别，完善了道尔顿的原子学说。分子和原子的本质区别是________。
（2）金刚石、石墨和C60性质存在很大差异是因为________
木炭还原氧化铜的实验
例题1、 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.给酒精灯加网罩，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
例题2、 已知A、B为两种黑色粉末，D为红色单质。A、B、C、D、E五种物质之间的转化关系如下图所示：
请回答：B、E的化学式为：B_____________；E_____________
写化学方程式：①____________________________；②____________________________________
例题3、 某同学设计了如图的实验，进行碳还原性性质的验证，对实验进行分析并回答：
（1）检查装置气密性的方法是：将导管浸入水中________说明装置气密性良好。
（2）证明碳具有还原性的实验现象是________。
（3）酒精灯上加网罩的作用是________。
（4）实验结束后，若先撒走酒精灯，后撤走盛石灰水的试管，可能导致的后果是________。
例题4、 为确定木炭还原氧化铜后的固体成份，请你与兴趣小组的同学完成以下探究
【对固体猜想】
猜想Ⅰ：全部是金属铜； 猜想Ⅱ：除铜外，还含有氧化铜；
猜想Ⅲ：除铜外，还含有木炭； 猜想Ⅳ：除铜外，还含有氧化铜、_______________．
【进行实验】实验流程见下图：
【问题与讨论】
（1）步骤②包括溶解、_______两步操作，它们共同用到的玻璃仪器是烧杯、________．
（2）气体C的化学式为_______，D的化学式为______，由此推出固体B中含有________（写化学式），步骤④发生反应的化学方程式为______________________．
（3）结合（2）的结论推断：如果溶液A显蓝色，则溶液A的溶质的化学式为
_________，说明样品中含有_______，则证明猜想_______成立；如果溶液A无色，则证明猜想_______成立．
随练1、 用木炭还原氧化铜的实验如图所示．请回答相关问题：
（1）酒精灯加网罩的目的是______________________；
（2）加热试管①一会儿后可观察到的现象是_____________________________．试管②的现象是__________________________．
（3）写出①、②中反应的化学方程式：
①____________________________________；
②____________________________________．
随练2、 某同学进行木炭还原氧化铜实验操作，其中正确的是（ ）
A.碳还原氧化铜时，要把刚烘干的碳粉和氧化铜粉末要均匀混合后，平铺在试管底部，试管口略向下倾斜，错误；
B.反应结束时，实验结束时，要先撤出导气管，再移走并熄灭酒精灯，错误；
C.用酒精灯先预热，然后再集中加热，正确；
D.盛放药品的试管口略向下倾斜，错误；
随练3、 用木炭还原氧化铜的实验装置如图所示，请回答问题。
（1）酒精灯加金属网罩的目的是________；
（2）装置①中的现象是________，发生反应的化学方程式为________。
随练4、[多选题] 木炭还原氧化铜和一氧化碳还原氧化铜的实验装置如图所示。
下列说法正确的是（ ）
A.两个实验中都可观察到红色固体变黑的现象
B.两个实验的相关反应中，只有铜元素的化合价发生改变
C.两个实验的操作中都要先撤离石灰水中的导管，再停止加热
D.木炭和一氧化碳，都能使氧化铜还原成铜，表现出还原性
随练5、 某化学小组的同学用木炭和氧化铜在高温下反应制取单质铜，并对产生气体的成分
进行探究．实验装置如图所示：
猜想Ⅰ：气体为二氧化碳；
猜想Ⅱ：气体含有二氧化碳，还含有一氧化碳．CO气体能使湿润的黄色氯化钯试纸变蓝色．
（1）点燃A处酒精灯，数分钟后发现试管中的黑色固体物质变红，该红色物质是　　；
（2）实验证明猜想Ⅱ是正确的，请将能证明该结论的反应现象填入下表中：
实验反思：
（3）小组同学对一氧化碳产生的原因进行了分析：
①原因一：木炭和氧化铜在高温条件下直接发生反应产生CO；
②原因二：反应 C+2CuO2Cu+CO2↑中的一种产物和反应物木炭又发生了新的化学反应，产生了CO．
请你从原因一、原因二中选择一种，用化学方程式表示发生反应的原理：　　．
（4）在设计装置时还要考虑环保因素，因此要在装置C处添加　　装置．
拓展
1、 下列物质由原子构成的是（ ）
A.蒸馏水 B.氯化钠 C.金刚石 D.C60
2、 金刚石、石墨和C60都是由碳元素组成的单质，下列说法中正确的是（ ）
A.它们是同一种物质 B.它们碳原子的排列方式不同
C.它们的化学性质不同 D.它们的物理性质相同
3、 石墨烯是由碳元素组成的、性能非常优良的纳米材料，具有超强导电、导热的性能．下列关于石墨烯的认识中错误的是（　　）
A.石墨烯是一种有机化合物 B.石墨烯可用作散热材料
C.石墨烯可用作新型电池的电极 D.石墨烯完全燃烧只生成二氧化碳
4、 用如图所示的玻璃管进行碳还原氧化铜实验．
（1）当A处的黑色固体变红时，可观察到B处的现象是________________________．
（2）查阅资料发现：反应生成的红色固体除了铜以外还可能含有氧化亚铜（Cu2O），氧化亚铜可以与硫酸发生如下反应：
Cu2O+H2SO4Cu+CuSO4+X，该反应中X的化学式为_______．
5、 某化学兴趣小组在做木炭与氧化铜反应的实验时，小吴建议用超细炭粉与氧化铜粉末进行实验，有利于反应的进行，下列三种氧化铜和碳的质量比例，小施建议选择________的比例。
A．32︰3
B．40︰3
C．48︰3
你认为小施这样选择的理由是什么？写出该反应的化学方程式。

6、 碳与氧化铜恰好完全反应，有关量的变化见图，分析正确的是（ ）
A.（a﹣b）表示反应消耗的碳的质量
B.（a﹣b）表示反应前后固体中氧元素的质量
C.b表示生成的铜的质量
D.b表示生成的二氧化碳的质量
7、 对含碳物质的用途与性质解释错误的是（ ）
A.书写档案规定使用碳素墨水－碳的化学性质稳定
B.石墨能够做电池的电极材料－石墨能够导电
C.焦炭可以把铁从它的氧化物矿石里还原出来－焦炭具有氧化性
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
8、 某学习小组学习完碳的还原性后，对碳还原氧化铜后生成的气体是否一定是二氧化碳产生了怀疑．
【查阅资料】
①在本实验中为了保证实验成功，通过碳的质量是要过量的．
②被还原出来的铜在温度较高时很容易与空气中的氧气反应生成氧化铜．
③氮气不与碳、氧化铜产生反应，可用来隔绝空气（氧气）．
【提出问题】木炭还原氧化铜产生的是什么气体？
根据质量守恒定律可知，产生的气体有三种情况
①全部是CO2②全部是CO ③　　；
若猜想②成立，木炭还原氧化铜反应的化学方程式为：　　．
【设计方案】由于二氧化碳可以被石灰水吸收面一氧化碳不能被石灰水吸收，从二氧化碳质量关系可以确定气体的组成．
【实验】
【结论】根据数据处理结果，得出猜想　　成立．
答案解析
碳单质及其化学性质
碳单质的性质和用途
例题1、
【答案】 B
【解析】 A、液氧和氧气都能使带火星的木条复燃是因为它们是由氧分子构成的，同种物质的分子性质相同，故A解释正确；
B、酒精做温度计的填充物是利用了酒精分子的间隔受热变大，遇冷变小，故B解释错误；
C、金刚石坚硬而石墨质地很软，是由于碳原子的排列方式不同，故C解释正确；
D、食物腐烂变质的过程中有新物质生成，分子本身发生了改变。故D解释正确；
例题2、
【答案】 B
【解析】 A、根据碳原子大小不会改变，所以甲乙两种物质中的碳原子大小相同；故A说法正确；
B、根据纯净物只含有一种物质，并且有且只有一个化学式，由此可知甲乙两种物质混合后得到的是混合物；故B说法错误；
C、根据甲、乙两种物质的结构示意图，即可判断甲乙两种物质中原子的空间排列方式不同；故C说法正确；
D、根据碳元素组成的单质，碳的同素异形体知识，判断甲乙两种物质甲乙两种物质由相同的原子构成；故D说法正确。
例题3、
【答案】 （1）煮沸；肥皂水
（2）碳原子排列方式不同；分子构成不同
【解析】 （1）生活中常用煮沸的方法降低水的硬度；用肥皂水区分硬水与软水，泡沫多的是软水，泡沫少的是硬水；
（2）金刚石硬度大，石墨质软，因为碳原子排列方式不同；水与过氧化氢化学性质不同的原因是分子构成不同。
随练1、
【答案】 碳元素；碳原子的排列方式不同；活性炭；干冰
【解析】 金刚石和石墨都是由碳元素组成的单质，它们的物理性质有很大的差异的原因是碳原子的排列方式不同；由于活性炭具有吸附性，防毒面具中常用的滤毒剂是活性炭，由于干冰易升华吸热，舞台上出现云雾缭绕的情景，通常用干冰．
随练2、
【答案】 D
【解析】 A、金刚石、石墨均是碳元素形成的单质，具有可燃性，充分燃烧的产物都是二氧化碳，故选项说法正确．
B、金刚石和石墨的物理性质不同，是因为碳原子的排列方式不同，故选项说法正确．
C、书写档案时规定使用碳素墨水，是因为碳素墨水的主要成分是碳，在常温下，碳的化学性质不活泼，故选项说法正确．
D、金刚石是天然存在的硬度最大的物质，石墨是最软的矿物之一，故选项说法错误．
随练3、
【答案】 （1）在化学变化中分子可以再分而原子不可以再分
（2）碳原子的排列方式不同
【解析】 （1）分子和原子的本质区别是在化学变化中分子可以再分而原子不可以再分。
（2）金刚石、石墨和C60性质存在很大差异是因为碳原子的排列方式不同。
木炭还原氧化铜的实验
例题1、
【答案】 D
【解析】 A、给酒精灯加网罩，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．
例题2、
【答案】 C或CuO；CaCO3；①C+2CuO2Cu+CO2↑；②CO2+Ca(OH)2＝CaCO3↓+H2O
【解析】 暂无解析
例题3、
【答案】 （1）双手紧贴容器外壁，若导管口有气泡冒出，放开手后导管中出现上升的水柱
（2）试管内黑色粉末变红，澄清石灰水变浑浊
（3）使酒精灯火焰更加集中，提高温度
（4）石灰水倒吸入试管，引起试管炸裂
【解析】 （1）检查装置气密性的方法：将导管浸入水中，双手紧贴容器外壁，若导管口有气泡冒出，放开手后导管中出现上升的水柱，说明装置气密性良好。
（2）碳具有还原性，在高温下能与氧化铜反应生成铜和二氧化碳，发生的实验现象是：试管内黑色粉末变红；澄清石灰水变浑浊。
（3）酒精灯火焰加上网罩后火焰会集中，从而提高了火焰的温度。
（4）该实验结束时先撤导管后灭酒精灯的目的是：防止温度降低，试管内气压减小，石灰水倒吸入试管，引起试管炸裂，所以若先撒走酒精灯，后撤走盛石灰水的试管，可能导致的后果是石灰水倒吸入试管，引起试管炸裂。
例题4、
【答案】 氧化铜、木炭；（1）过滤；玻璃棒（2）CO2；CuO；Cu、C；CuO+H2SO4═CuSO4+H2O（3）CuSO4；氧化铜；Ⅳ；Ⅲ
【解析】 【对固体猜想】通过前三个猜想可知其中一定含有铜，关键是看是否含有木炭、氧化铜，所以也有可能木炭和氧化铜都存在；
【问题和讨论】（1）固体粉末最后变成固体与液体分离，所以要先将粉末溶解，进行过滤将不溶于液体的固体与液体分离开；溶解时用到的仪器是烧杯、玻璃棒；过滤时用到铁架台、烧杯、漏斗、玻璃棒；所以共同的玻璃仪器是烧杯和玻璃棒；
（2）气体通入澄清石灰水中变浑浊，说明该气体是二氧化碳；由于黑色固体与硫酸反应生成蓝色溶液，说明黑色固体中含有铜元素，又因为铜与硫酸不反应，所以黑色固体是氧化铜；由于固体B经过灼烧生成二氧化碳和氧化铜，所以固体B中含有木炭和铜；氧化铜与硫酸反应的反应物是氧化铜和硫酸，生成物时硫酸铜和水，用观察法配平；
（3）由于粉末与硫酸反应生成蓝色溶液A，所以A中溶质是硫酸铜，由于铜与硫酸不反应，所以说明粉末中一定含有氧化铜，由于通过后面的推断已经知道其中一定含有木炭了，所以再含有氧化铜时，猜想Ⅳ就正确了；如果A溶液是无色，说明不存在氧化铜，但还存在木炭，所以猜想Ⅲ正确．
随练1、
【答案】 （1）集中火焰提高温度（2）固体由黑色逐渐变红；石灰水变浑浊（3）①C+2CuO2Cu+CO2↑；②CO2+Ca（OH）2═CaCO3↓+H2O
【解析】 （1）酒精灯火焰加上网罩后火焰会集中，从而提高了火焰的温度；
（2）碳和氧化铜反应能生成铜和二氧化碳，所以①中的现象应该是固体由黑色逐渐变红；二氧化碳能使澄清的石灰水变浑浊，故试管②的现象是石灰水变浑浊；
（3）试管①中发生的化学反应是碳和氧化铜生成二氧化碳和铜，其方程式为：C+2CuO 2Cu+CO2↑；试管②中发生的化学反应是二氧化碳与氢氧化钙反应生成碳酸钙沉淀和水．
随练2、
【答案】 C
【解析】 暂无解析
随练3、
【答案】 （1）使火焰集中并提高温度
（2）①黑色固体变为红色；②C＋2CuO2Cu＋CO2↑。
【解析】 （1）酒精灯加金属网罩的目的是使火焰集中并提高温度；
（2）在高温条件下，碳具有还原性，能将氧化铜还原成铜，所以装置①中的现象是：黑色固体变为红色，发生反应的化学方程式为：C＋2CuO2Cu＋CO2↑。
随练4、[多选题]
【答案】 C D
【解析】 A、一氧化碳、木炭均具有还原性，均能与氧化铜反应生成铜，两个实验中都可观察到黑色固体变红的现象，故选项说法错误。
B、反应中氧化铜转化为了铜，铜元素的化合价发生了改变；碳、一氧化碳中碳元素的化合价也发生了改变，分别由0价、＋2价，变为＋4价，故选项说法错误。
C、两个实验中均使用了石灰水，都要防止液体倒吸，都要先撤离石灰水中的导管，再停止加热，故选项说法正确。
D、木炭和一氧化碳都能使氧化铜还原成铜，均夺取了氧化铜中的氧，均表现出还原性，故选项说法正确。
随练5、
【答案】 （1）铜．
（2）
（3）原因一：CuO+CCu+CO↑（或原因二CO2+C2CO）；
（4）一只点燃的酒精灯（或套上一只气球等）．
【解析】 （1）试管中发生反应C+2CuO2Cu+CO2↑，产生红色的铜．
（2）二氧化碳使澄清石灰水变浑浊，以此检验是否有二氧化碳气体产生，可用湿润的氯化钾试纸变色检验产生了一氧化碳气体；
（3）原因一中木炭和氧化铜在高温条件下直接发生反应产生CO，该反应的化学方程式为：CuO+CCu+CO↑；原因二中能和木炭反应的为二氧化碳，该反应的化学方程式为：CO2+C2CO；
（4）因为一氧化碳为有毒气体，需进行处理，则在C装置后面增加一个尾气处理装置，如放置一只点燃的酒精灯或套上一只气球等．
故答案为：（1）铜．
（2）
（3）原因一：CuO+CCu+CO↑（或原因二CO2+C2CO）；
（4）一只点燃的酒精灯（或套上一只气球等）．
拓展
1、
【答案】 C
【解析】 A、蒸馏水是由水分子构成的，故选项错误．
B、氯化钠是由钠离子和氯离子构成的，故选项错误．
C、金刚石属于固态非金属单质，是由碳原子直接构成的，故选项正确．
D、C60是由C60分子构成的，故选项错误．
2、
【答案】 B
【解析】 A、因为三者分子组成不同，所以是不同物质，错误；
B、三者是由碳元素组成的不同单质，结构不同，排列方式不同，所以正确；
C、它们都是有同一种元素组成的单质，所以化学性质相似，所以不正确；
D、它们的碳原子的排列方式不同，结构不同，物理性质也不同，所以不正确。
3、
【答案】 A
【解析】 A．石墨烯是由一种元素组成的单质，而不是化合物，故错误；
B．石墨烯具有超强导热性，所以可作散热材料，故正确；
C．石墨烯具有超强导电性，可做新型电池的电极，故正确；
D．石墨烯是由碳元素组成，完全燃烧生成二氧化碳，故正确．
故选A．
4、
【答案】 （1）澄清的石灰水变浑浊（2）H2O
【解析】 （1）碳还原氧化铜产生铜和二氧化碳，因此会观察到澄清的石灰水变浑浊；
（2）化学反应前后原子的种类和个数都不变，根据方程式可以看到反应前后铜原子的个数都是2个，硫原子的个数都是1个，而反应前氢原子的个数是2个，反应后缺少两个氢原子，反应前氧原子的个数是5个，反应后缺少一个氧原子，因此X的分子中含有两个氢原子和一个氧原子，因此是水．
5、
【答案】 A
6、
【答案】 C
【解析】 木炭还原氧化铜的化学反应方程式为：C+2CuO2Cu+CO2↑，由图像可知：随着反应的进行，物质的质量逐渐减小，恰好完全反应后不再发生变化，则纵坐标表示的是固体的质量；
A、由反应方程式知，反应前固体是碳与氧化铜，反应后固体为铜，依据质量守恒定律可知：a﹣b，固体质量的减少是生成的二氧化碳的质量，故错误；
B、由A分析可知，减少的应该是二氧化碳的质量，故错误；
C、反应生成的固体是铜，则b表示的是生成的铜的质量，正确；
D、b是生成的铜的质量，不是二氧化碳的质量，故错误．
7、
【答案】 C
【解析】 A、书写档案规定使用碳素墨水是利用碳的化学性质稳定，解释正确，故A错误．
B、因石墨可导电，所以可作电池的电极材料，解释正确，故B错误．
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，C解释错误，故C正确．
D、因活性炭具有吸附性，所以可用来吸附色素，解释正确，故D错误．
8、
【答案】 【提出问题】③一氧化碳与二氧化碳的混合物； C+CuOCO↑+Cu；
【实验】
【结论】③．
【解析】 【提出问题】根据质量守恒定律可知，产生的气体有三种情况：①全部是CO2；②全部是CO；③一氧化碳与二氧化碳的混合物；
若猜想②成立，则碳和氧化铜反应的化学化学方程式为：C+CuOCO↑+Cu；
【实验】由于碳能与空气中的氧气反应生成了二氧化碳．所以，先通入氮气能排出玻璃管内的空气，防止对实验造成干扰，目的是：排除玻璃管内空气对实验的干扰；
二氧化碳与氢氧化钙反应生成碳酸钙沉淀和水，反应的化学方程式是：CO2+Ca（OH）2=CaCO3↓+H2O
【结论】由于碳与氧化铜反应生成了铜和二氧化碳气体，根据质量守恒定律可得反应生成的气体质量为：50g+2g+8g﹣55.6g=4.4g．由题意可知，“集气瓶和石灰水的总质量为100g”、“称得集气瓶和石灰水的总质量为104g”，则可知生成二氧化碳的质量为4g，则4.4g气体中有一氧化碳．由上述计算分析可知，猜想③成立．
【反思】因为一氧化碳有毒，会污染空气，如果猜想②成立，则尾气的处理的方法是点燃．
故答案为：
【提出问题】③一氧化碳与二氧化碳的混合物； C+CuOCO↑+Cu；
【实验】
【结论】③．
1