2011—2012学年化学鲁科版必修1同步教学案：第3章 自然界中的元素：3.1　碳的多样性

第1节　碳的多样性
第1课时　碳的单质及含碳化合物
一、多种多样的碳单质
1．同素异形体
由____________组成的__________的几种单质，如氧元素的同素异形体有____和____，碳元素的同素异形体有______、__________和__________等。
2．碳的同素异形体
　　物质性质　　 金刚石(C) 石墨(C) C60
外观 无色透明晶体 ____色、不透明的片状固体 灰黑色固体
结构 由________构成的________结构 由____________构成的____结构 由________和________排列而成的“____”分子
硬度 很大 ____，在纸上可留痕迹
导电性 不导电 良好 不导电
思维拓展
1．金刚石、石墨和C60均是由碳元素组成的单质，为什么物理性质不同？
二、广泛存在的含碳化合物
1．种类繁多的含碳化合物
碳的化合物
2．Na2CO3和NaHCO3
　　物质内容　　 碳酸钠 碳酸氢钠
化学式 Na2CO3 NaHCO3
俗名 苏打或纯碱 小苏打
颜色状态 白色固体 白色固体
溶解性 __溶于水 __溶，(比Na2CO3溶解度小)
稳定性 稳定，受热难分解 受热分解，化学方程式为________________________________________
与盐酸反应 Na2CO3＋2HCl===2NaCl＋CO2↑＋H2O NaHCO3＋HCl===NaCl＋CO2↑＋H2O
与NaOH反应 不反应 NaHCO3＋NaOH===Na2CO3＋H2O
用途 制玻璃、造纸 发酵粉、治疗胃酸过多
相互转化关系 Na2CO3NaHCO3
知识点1　碳单质的多样性
1．金刚石、石墨、C60性质有所不同，是由于(　　)
A．构成原子不同
B．原子的各自排列方式不同
C．具有不同的几何外形
D．硬度不同
2．1996年诺贝尔化学奖授予斯莫利等三位化学家，以表彰他们发现富勒烯(C60)，开辟了化学研究的新领域。富勒烯(C60)由于具有空心的类似足球形状的结构，也称为足球烯。对于下列有关C60的说法中正确的是(　　)
A．C60在一定条件下可以与CuO发生置换反应
B．C60的摩尔质量是720
C．金刚石、石墨和足球烯(C60)三者和足量氧气反应的最终产物不同
D．金刚石、石墨和足球烯(C60)的性质完全相同
知识点2　Na2CO3和NaHCO3的性质
3．1 mol过氧化钠与2 mol碳酸氢钠固体混合后，在密闭的容器中加热充分反应，排出气体物质后冷却，残留的固体物质是(　　)
A．Na2CO3
B．Na2O2、Na2CO3
C．NaOH'，Na2CO3
D．Na2O2、NaOH、Na2CO3
4．现有一包混有少量碳酸氢钠的碳酸钠固体，称得其质量为10.00 g，请回答：
(1)除去该混合物中的碳酸氢钠的方法是____________________________________
________________________________________________________________________。
(2)若将该混合物加热至质量不再变化时，剩余固体质量为9.38 g。计算原混合物中碳酸钠的质量分数。
练基础落实
1．下列关于金刚石、石墨和C60的说法中，正确的是(　　)
A．它们为同一种物质
B．都是碳的同素异形体
C．具有相同的结构
D．金刚石和石墨的相互转化是物理变化
2．当分别向下列物质中滴加盐酸时，会产生相同气体的是(　　)
①大理石　②方解石　③贝壳　④水垢　⑤白云石
A．只有①②③ B．只有②④⑤
C．只有①③④⑤ D．全部
3．中国科学家以CO2为碳源，钠为还原剂，在470℃、80MPa下合成金刚石，具有深远意义。下列说法不正确的是(　　)
A．由CO2合成金刚石是化学变化
B．金刚石是氧化产物
C．金刚石是碳的一种同素异形体
D．钠元素发生氧化反应
4．CO2通入下列溶液中，不可能产生沉淀的是(　　)
①CaCl2溶液　②Ca(OH)2溶液　③Na2CO3溶液　④Na2SO4溶液
A．①③ B．②③ C．②④ D．①④
5．可以说明溶液中大量存在CO的理由是(　　)
A．加入AgNO3溶液有白色沉淀产生
B．加入盐酸有无色无味气体产生
C．加入MgCl2时有白色沉淀产生，再加盐酸，沉淀溶解，且产生可使澄清石灰水变浑浊的无色无味气体
D．加入Ba(OH)2溶液有白色沉淀产生，再加稀盐酸，反应现象如选项C所述
6．向Na2CO3溶液中逐滴加入稀盐酸，直到不再生成CO2气体为止，则该过程中，溶液的HCO浓度变化趋势为(　　)
A．逐渐减小
B．先逐渐增大，而后减小
C．逐渐增大
D．先逐渐减小，而后增大
练方法技巧——巧用物质间量的关系求解
7．某二价金属碳酸盐和碳酸氢盐的混合物与足量盐酸反应，消耗H＋和产生CO2的物质的量之比为6∶5，则该混合物中碳酸盐与碳酸氢盐的物质的量之比是(　　)
A．1∶1 B．1∶4 C．1∶3 D．1∶2
练综合拓展
8．如图，两只相同的试管中，盛有浓度和体积均相同的盐酸，试管口系两个相同的气球，内盛有质量相同的碳酸钠、碳酸氢钠。同时将气球中的固体倒入盐酸中，将有何现象？________________________________________________________________________，
由此得出的实验结论为____________________________________________________。
9．近年来科学家在氦气中给石墨电极通电，石墨挥发，在其挥发产生的黑烟中发现了C60，C60的金属渗入物具有可贵的超导性质。这种C60是____________元素的一种__________，其摩尔质量为__________；若要确定其组成元素，可将它在足量的氧气中燃烧，再用________(试剂)来检验生成的________气体，现象是______________________________。
10．已知NaHCO3的溶解度很小。在饱和的NH3和NaCl混合溶液中通入CO2，可析出NaHCO3(固体)：NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl据此，我国杰出的化学家侯德榜博士设计出了生产纯碱的方法：
―→
这被人们称为侯氏制碱法，打破了帝国主义对我国经济的一种封锁，大长了中国人的民族志气。
试回答下列问题：
(1)写出由NaHCO3制取Na2CO3的化学方程式：______________________________。
(2)如果Na2CO3(固体)中混有NaHCO3(固体)，应如何除去？______________(写出方法)；如果NaHCO3(溶液)中混有Na2CO3(溶液)，应如何除去？_________________________
(写出化学方程式)。
(3)某课外活动小组，接受实验室的任务，用Na2CO3制取NaOH固体，提供的原料只有纯碱和石灰石。请将你的实验方案用流程图表示出来：____________________________。
第3章　自然界中的元素
第1节　碳的多样性
第1课时　碳的单质及含碳化合物
基础落实
一、
1．同一种元素　性质不同　O2　O3　石墨　金刚石　C60
2．深灰　正四面体　空间网状　平面六边形　层状　正五边形　正六边形　足球　质软
思维拓展
　物质的结构决定物质的性质。金刚石、石墨和C60内部碳原子的排列方式不同，决定了其性质的不同。
二、
1．甲烷、淀粉　CO、CO2　CaCO3　CaMg(CO3)2　MgCO3　FeCO3
2．易　易　2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O
对点训练
1．B　[金刚石、石墨、C60三者是碳元素的同素异形体，构成原子完全相同，只是其内部碳原子排列方式不同，才导致它们结构不同，所以性质不同。]
2．A　[利用类比的解题思想，碳能够还原氧化铜，由于C60也是一种碳的单质，应该也能够和CuO发生置换反应生成Cu和CO，A正确；摩尔质量是有单位的，C60的摩尔质量是720 g·mol－1；金刚石、石墨和足球烯(C60)三者的主要成分都是碳，和足量氧气反应的最终产物相同，都是CO2；但这三者碳原子的排列方式不同，结构不同，故物理性质有很大差异，由此可知B、C、D都错误。]
3．A　[根据反应式：2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O,2Na2O2＋2H2O===4NaOH＋O2↑，2Na2O2＋2CO2===2Na2CO3＋O2；根据计量关系，可知2 mol NaHCO3生成CO2和H2O各1 mol，Na2O2只有1 mol，故其恰好和CO2反应生成Na2CO3和O2，气体排出后，只剩余Na2CO3。]
4．(1)将混合物加热至不再产生气体为止
(2)83.2%
解析　(1)据NaHCO3受热分解生成Na2CO3、H2O(g)、CO2，将混合物加热至不再产生气体为止，可除去该混合物中的NaHCO3。
(2)该原混合物中含NaHCO3的质量为x，则：
2NaHCO3Na2CO3＋H2O＋CO2↑
2×84g·mol－1　　　 　(18＋44)g·mol－1
x　　　　　　　　　　(10.00－9.38)g
解得x＝1.68 g　w(Na2CO3)＝×100%＝83.2%。
课后作业
练基础落实
1．B
2．D　[这五种物质的主要成分中均含有CaCO3，分别滴加盐酸时，均产生CO2气体。]
3．B　[CO2与Na反应时＋4价的碳被还原为金刚石(0价)，故金刚石是还原产物。]
4．D
5．C　[检验CO要设法排除HCO、Cl－、SO 等离子的干扰。]
6．B　[首先因CO＋H＋===HCO，所以溶液中HCO浓度逐渐增大，而后HCO＋H＋===H2O＋CO2↑，所以溶液中HCO浓度减小。]
练方法技巧
7．D　[设二价金属R的碳酸盐(RCO3)的物质的量为n1，其碳酸氢盐[R(HCO3)2]的物质的量为n2，则：
RCO3＋2HCl===RCl2＋CO2↑＋H2O
n1　　　2n1　　　　　　n1
R(HCO3)2＋2HCl===RCl2＋2CO2↑＋2H2O
n2　　　　　2n2　　　　　　2n2
由：＝ 解之得：＝。]
练综合拓展
8．盛NaHCO3的气球鼓起的速率快；盛NaHCO3的气球鼓起的较大　NaHCO3与盐酸反应的速率快，相同质量的NaHCO3、Na2CO3与足量盐酸反应，NaHCO3放出的CO2量多
解析　此题比较Na2CO3、NaHCO3与盐酸反应的异同：二者都能与盐酸反应，盐酸足量都能放出CO2。但由于存在CO＋H＋===HCO，HCO＋H＋===H2O＋CO2↑的顺序。因此，相同条件下：①Na2CO3比NaHCO3放出CO2的速率慢；②相同质量的Na2CO3消耗的盐酸比NaHCO3多，但放出的CO2量NaHCO3比Na2CO3多。
9．碳　同素异形体　720 g·mol－1　澄清石灰水　CO2　澄清石灰水变浑浊
解析　C60是一种球形分子，属于碳单质。同金刚石、石墨一样都是碳的同素异形体，其摩尔质量为12 g·mol－1×60＝720 g·mol－1，其燃烧的最终产物是CO2，只要检验出CO2即可确定其组成元素。
10．(1)2NaHCO3Na2CO3＋H2O＋CO2↑
(2)加热　Na2CO3＋H2O＋CO2===2NaHCO3
(3)
解析　除去Na2CO3中的NaHCO3，可用加热的方法使NaHCO3分解为Na2CO3；除去NaHCO3溶液中的Na2CO3，可通入CO2将Na2CO3转化为NaHCO3——转化法是化学上常用的除杂方法。
实验室制取NaOH，可用Na2CO3溶液和Ca(OH)2溶液反应：Na2CO3＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋2NaOH，过滤可得NaOH溶液，蒸干可得NaOH固体。
第2课时　碳及其化合物间的转化
一、自然界中碳及其化合物间的转化
1．转化形式
2．溶洞及钟乳石、石笋的形成
(1)溶洞形成的化学方程式为_______________________________________________。
________________________________________________________________________
(2)钟乳石、石笋形成的化学方程式为______________________________________
________________________________________________________________________。
二、生产和生活中碳及其化合物间的转化
1．高炉炼铁
(1)原料：______和__________(主要成分是______)。
(2)过程(实际起还原作用的是______)
①CO的产生
相关反应的化学方程式为：_______________________________________________
②铁矿石被还原
相关反应的化学方程式为_________________________________________________；
________________________________________________________________________；
________________________________________________________________________。
2．木炭燃烧(用化学方程式表示)
①________________________________________________________________________，
②________________________________________________________________________，
③________________________________________________________________________，
④________________________________________________________________________。
3．水垢
(1)主要成分：____________。
(2)形成过程(用化学方程式表示)：
________________________________________________________________________。
4．碳在无机物和有机物间的转化
1828年，德国化学家______用无机物氰酸铵(NH4CNO)首次合成了有机物__________[分子式为CO(NH2)2]，开创了以含碳无机化合物合成有机化合物的先河。
知识点1　自然界中碳元素的转化
1．(1)图瓦卢是由多个珊瑚礁形成的岛国。由于大气中CO2含量的剧增，大量珊瑚礁(主要成分是碳酸钙)被海水侵蚀，其原因是(用化学方程式表示)：_____________________。
(2)温室效应导致海平面上升，引起温室效应的人为原因主要是_________________。
(3)为了控制温室效应，各国科学家提出了不少方法和设想。有人根据液态CO2密度大于海水密度的事实，设想将CO2液化后，送入深海海底以减小大气中CO2的浓度。为使CO2液化，可采用的措施是(　　)
A．减压、升温 B．增压、升温
C．减压、降温 D．增压、降温
(4)科学家研究发现，用“汽水”(一种能释放CO2的弱酸性溶液)浇灌植物能促进植物的生长。原因是它能(　　)
①加强呼吸作用　②加强光合作用　③改良碱性土壤、调节pH　④加强植物蒸腾作用
A．①② B．②③ C．③④ D．②③④
(5)快速、有效地减缓大气中CO2大量增加的生态学措施是(　　)
A．使用天然气等燃料
B．控制全球人口增长
C．植树造林，保护森林
D．立即减少煤和石油的燃烧
知识点2　生产和生活中碳元素间的转化
2．古代的“药金”外观与金相似，常被误认为是金子。冶炼方法如下：将碳酸锌、赤铜(Cu2O)、木炭混合加热至800℃得金光闪闪的“药金”。
(1)“药金”的主要成分是_________________________________________________。
(2)有关冶炼的化学方程式是__________________，____________________，
____________________。
练基础落实
1．下列不属于自然界中碳的循环过程的是(　　)
A．植物光合作用
B．动物的遗体被微生物分解破坏，最终变成二氧化碳等物质
C．空气中的二氧化碳被海水吸收，通过水生生物的贝壳和骨骼转移到陆地
D．石墨矿的开采利用
2．具有可燃性和还原性的固体单质是(　　)
A．H2 B．C C．Fe D．CO
3．下列能与人体血液中的血红蛋白结合的一种有毒气体是(　　)
A．氯气 B．氮气 C．一氧化碳 D．甲烷
4．要除去CO2气体中的CO，常用的方法是(　　)
A．通过澄清的石灰水
B．通过燃烧的炭层
C．通过水
D．通过燃烧的CuO粉末
5．形成钟乳石的主要化学反应是(　　)
①CaO＋H2O===Ca(OH)2　②Ca(OH)2＋CO2===CaCO3＋H2O　③CaO＋CO2===CaCO3　④CaCO3＋CO2＋H2O===Ca(HCO3)2　⑤Ca(HCO3)2CaCO3＋H2O＋CO2↑
A．①② B．②③ C．③④ D．④⑤
6．地球大气中CO2、CH4等气体含量上升，会使地球表面温度升高，即产生“温室效应”，下列说法不正确的是(　　)
A．控制温室气体排放，遏制全球变暖趋势是社会可持续发展的保障
B．CH4是目前全球变暖的最主要温室气体
C．大气中CO2含量猛增，会破坏自然界中碳及其化合物的平衡
D．遏制全球变暖趋势的最有效措施是减少使用化石燃料
练方法技巧——利用反应本质巧判断
7．用足量的CO还原32.0 g某氧化物，将生成的气体通入足量澄清石灰水中，得到60 g沉淀，则该氧化物是(　　)
A．FeO B．Fe2O3 C．CuO D．Cu2O
练综合拓展
8．设定下图所示装置中的反应是完全进行的：
(1)分别写出A、B、C装置中的化学反应方程式：____________________________
________________________________________________________________________；
(2)若D装置中的澄清石灰水是少量的，将可能观察到的现象：___________________；
用化学方程式解释上述现象：_____________________________________________。
9．用下面的装置将一定量的CO2和CO的混合气体进行分离和干燥。(图中的a、b均为可以控制气体的通过和液体的加入的止水夹和活塞，实验前均已关闭，仪器的固定装置已省略)。请选择适宜的试剂，完成上述实验。可供选择的试剂有：浓硫酸、稀硫酸、浓盐酸、稀盐酸、澄清石灰水、氢氧化钠溶液、紫色石蕊试液。
(1)甲装置的瓶中盛放的试剂是______________，分液漏斗中盛放的试剂是_____，乙装置的瓶中盛放的试剂是______________。
(2)打开a时，首先分离出的气体是________(填名称)；要得到另一种气体，正确的操作是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
10．为了测定人体新陈代谢呼出气体中CO2的体积分数，某学生课外活动小组设计了如图所示的实验装置：
实验用过量NaOH溶液吸收气体中的CO2，准确测量瓶Ⅰ中溶液吸收CO2后增重及剩余气体的体积(实验时只用嘴吸气和呼气)，请填空。
(1)图中瓶Ⅱ的作用是____________________________________________________。
(2)对实验装置尚有如下A、B、C、D 4种建议，你认为合理的是________(填代号)。
A．在E处增加CaCl2干燥管
B．在F处增加CaCl2干燥管
C．在E、F两处增加CaCl2干燥管
D．不必增加干燥管
(3)将插入溶液的导管下端改成具有多孔的球泡(如图Ⅲ)，有利于提高实验的准确度，其理由是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)实验时先缓缓吸气，再缓缓呼气，反复若干次，得如下数据：瓶Ⅰ增重a g，收集到的气体体积(标准状况)为b L，该呼出气体中CO2的体积分数(列出算式)为________。
(5)实验时若猛呼猛吸，会造成不安全后果。猛吸时会______________，猛呼时会______________。
第2课时　碳及其化合物间的转化
基础落实
一、
2．(1)CaCO3＋CO2＋H2O===Ca(HCO3)2
(2)Ca(HCO3)2CaCO3＋CO2↑＋H2O
二、
1．(1)焦炭　铁矿石　Fe2O3　(2)CO　①C＋O2CO2；C＋CO22CO　②3Fe2O3＋CO2Fe3O4＋CO2　Fe3O4＋CO3FeO＋CO2　FeO＋COFe＋CO2
2．①2C＋O2(不足)2CO　②2CO＋O22CO2　③C＋O2(充分)CO2　④CO2＋C2CO
3．(1)CaCO3等　(2)Ca(HCO3)2CaCO3↓＋CO2↑＋H2O
4．维勒　尿素
对点训练
1．(1)CaCO3＋CO2＋H2O===Ca(HCO3)2
(2)大量燃烧煤、石油等矿物燃料
(3)D　(4)B　(5)C
解析　二氧化碳微溶于水，溶于水后会与碳酸钙反应，导致碳酸钙溶解。增大压强、降低温度有利于气体液化。
植物的呼吸作用放出CO2；植物蒸腾作用与外界温度及水分有关，与CO2的浓度无关；植物的光合作用需要吸收CO2，且CO2溶于土壤的水生成的碳酸电离的H＋可以改良碱性土壤、调节pH，促进植物对Ca2＋、Mg2＋的吸收。所以“汽水”浇灌植物能促进植物的生长。
随着社会的进步，对能源的消耗也将进一步增多，所以不可能立即减少煤和石油的燃烧，使用天然气等燃料也会产生CO2，只有绿色植物的光合作用会吸收大量的CO2，且见效快。
2．(1)Zn、Cu
(2)ZnCO3ZnO＋CO2↑　C＋2Cu2O4Cu＋CO2↑　C＋2ZnO2Zn＋CO2↑
解析　解答本题可借用“相似类推”，将旧知识迁移应用于题给信息。解题思路为：由碳酸钙、碳酸镁在高温时分解生成金属氧化物和二氧化碳的事实可推知：碳酸锌在高温时也分解，生成氧化锌和二氧化碳气体；由碳与氧化铜在高温时反应生成铜和二氧化碳的事实可推知：碳在高温时也能将赤铜(Cu2O)中的铜和氧化锌中的锌置换出来，本身被氧化成二氧化碳。
课后作业
练基础落实
1．D　[A、B、C三项都属于碳的循环；石墨矿的开采利用属于人类生产，不属于自然界中碳的循环。]
2．B　[碳能燃烧，并且常用作还原剂。]
3．C　[CO与血红蛋白结合的能力比O2与血红蛋白结合的能力强；氯气有毒，但不与血红蛋白结合。]
4．D　[CO不同于CO2的性质是它具有还原性，要除去CO应选氧化性的物质与之反应，将其耗尽，CuO具有氧化性。]
5．D　6.B
练方法技巧
7．B　[n(CO2)＝n(CaCO3)＝＝0.6 mol，分析CO还原氧化物的反应本质为：CO＋[O]===CO2，氧化物中所含O原子的物质的量为0.6 mol。结合选项，若氧化物含有1个O原子，则其相对分子质量为＝53.3，不合题意；若氧化物含3个O原子，则其相对分子质量为＝160，B符合题意。]
练综合拓展
8．(1)CaCO3CO2↑＋CaO　CO2＋C2CO　3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2
(2)生成白色沉淀后又逐渐溶解　CO2＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋H2O，CaCO3＋CO2＋H2O===Ca(HCO3)2
解析　这是一道对C、CO、CO2性质进行综合考查的题目。所需要掌握的知识点有CaCO3具有热不稳定性、CO2＋C2CO、CO的还原性(高温条件)、CO2是酸性氧化物等。尤其是CO2作为一种多元酸酸酐，与不同量的碱反应时，产物有酸式盐和正盐之别，需要引起特别注意，若需充分吸收CO2，需要过量的碱。如果仅仅是鉴定CO2的存在，可以用澄清石灰水。而如果吸收CO2，则最好选用足量的一定浓度的NaOH类碱溶液(因澄清石灰水中OH－浓度较小)。
9．(1)氢氧化钠溶液　稀硫酸(或浓硫酸)　浓硫酸　(2)一氧化碳　关闭止水夹a，打开活塞b
解析　要把CO2和CO的混合气体进行分离，可从二者的化学性质差异入手，因为CO是不成盐氧化物，与碱溶液不发生反应；而CO2是酸性氧化物，可与碱溶液反应生成碳酸盐。在分离时，先把CO2转化为碳酸盐的形式贮存到甲瓶中，再将CO分离出来，通过分液漏斗向甲瓶中的碳酸盐溶液里加入硫酸，此时碳酸盐就会转化成CO2，再通过乙瓶中浓硫酸的干燥后，就可以达到分离二者的目的。值得说明的是在甲瓶中盛放的应是氢氧化钠溶液，而不适宜用澄清石灰水，因为氢氧化钙属于微溶物质，在室温下的溶解度小(为0.165 g)，它吸收CO2的容量很有限。
10．(1)除去被吸入的空气中的CO2　(2)D
(3)可增大气体与溶液的接触面积，使气体中的CO2被充分吸收
(4)×100%
(或×100%)
(5)把瓶Ⅰ中的NaOH溶液吸入口中　把瓶Ⅱ中的NaOH溶液吹出瓶外