碳的单质

1.同种元素可以组成不同的单质

不同的元素可以组成不同的单质，例如，氧气是由氧元素组成的单质，氢气是由氢元素组成的单质。同一种元素也可以组成不同的单质，金刚石、石墨和$C_{60}$都是由碳元素组成的不同单质。

说明：

（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）由同种元素组成的不同单质可以相互转化，如石墨在一定条件下能转化为金刚石，此变化是化学变化，而不是物理变化。

（3）由同种元素组成的物质可能是单质也可能是混合物，但不可能是化合物。

2.金刚石、石墨和$C_{60}$

碳的单质	金刚石（C）	石墨（C）	$C_{60}$
组成元素	碳元素
构成	碳原子		$C_{60}$分子
物理性质	无色透明、不导电、硬度很大，是天然存在的最硬的物质	深灰色（有些教材中为黑色）有金属光泽、不透明、很软、有滑腻感、具有优良的导电性、熔点高、耐高温	具有一些特殊的物理性质
结构
	由于金刚石具有硬度大的性质，所以可以用来裁玻璃、切割大理石、加工坚硬的金属、作钻头等。还可用作装饰品	石墨质软，可以制铅笔芯；具有优良的导电性，可以制石墨电极、石墨电刷；具有滑腻感、熔点高、耐高温，可以制成高温下工作的机器的润滑剂	广泛应用于超导、催化、材料、医学及生物领域

$C _ {60}$：$C _ {60}$分子是一种由60个碳原子构成的分子，它形式足球，这种足球结构的$C _ {60}$分子很稳定。$C _ {60}$的独特结构决定了它具有一些特殊的物理和化学性质。

拓展：

（1）金刚石和石墨组成元素的实验证明

①把金刚石和石墨放在充足的氧气中灼烧，产物都是二氧化碳。

②把石墨放在高温高压条件下反应，石墨转化为金刚石，科学家利用此反应制得了人造金刚石。

$C（石墨）\underset {催化剂} {\stackrel {高温、高压} {=}} C（金刚石）$

实验证明金刚石和石墨都是由碳元素组成的。

（2）铅笔芯的制作

最早的铅笔确实是用铅制作的，因为铅较软，能在纸上写出字迹，人们就用铅作铅笔芯，铅笔因此而得名。随着科技的发展，人们发现铅对人体有害，后来改用石墨作铅笔芯，现在大家用的铅笔芯是用石墨与黏土制作而成的，黏土的比例越高，铅笔越硬，所以就有了不同型号的铅笔。

3.无定形碳

木炭、焦炭、活性炭、炭黑等通常称为无定形碳，主要是由结构类似石墨的微小晶体和少量杂质构成的，属于混合物。

（1）【实验】木炭的吸附性

（2）木炭经水蒸气高温处理可以得到更大表面积的活性炭，活性炭的吸附作用比木炭还要强，防毒面具里的滤毒罐就是利用活性炭来吸附毒气的，制糖工业中也利用活性炭来脱色以制白糖；此外，活性炭还用于净水和吸附装修产生的对人体有害的气体等。

（3）焦炭用于冶金工业，作还原剂。

说明：木炭和活性炭具有疏松多孔的结构，因此具有吸附能力，可以吸附气体或溶液里的色素。其中孔隙越多，跟气体或溶液的接触面积越大，吸附能力越强。吸附过程属于物理变化，吸附性属于物理性质。

（4）炭黑用于制造油墨、油漆、鞋油、橡胶工业的填充剂等。将炭黑加到橡胶里，可以增加橡胶的耐磨性。

说明：

“碳”与“炭”的区别方法

“碳”是指碳元素，是核电荷数为6的同一类原子的总称，具有广泛、概括的含义，并不是具体指某种物质，如二氧化碳中的碳是指二氧化碳中含有碳元素。而“炭”是指具体的物质，如木炭、焦炭、活性炭、炭黑等。

单质碳的化学性质

1.碳在常温下的稳定性

（1）常温下碳的化学性质不活泼。它受日光照射或与空气、水分接触，都不容易发生变化。

（2）实际应用：①需长期保存的档案材料一般用碳素墨水书写。

②古代书画历经千百年不褪色。

③木质电线杆埋入地下部分用火烧焦。

④钻石恒久远，一颗永流传。

说明：碳原子的结构决定单质的性质，碳原子核内质子数为6，原子结构示意图为，最外层有4个电子，既不容易得电子，也不容易失电子，所以常温下碳的化学性质不活泼。碳的化学性质稳定是有前提条件的，必须在常温下，因为随着温度的升高，碳的活动性会增强。

2.碳与氧气的反应一一点燃条件下的可燃性

（①碳在氧气中燃烧，不论燃烧充分与否，反应过程中都放出热量。②一般情况下，未特殊说明碳是不充分燃烧，通常就是指碳充分燃烧，生成物为CO₂）

（1）碳与充足的氧气在加热或点燃的条件下反应生成二氧化碳$C+O_{2}\stackrel{点燃}{=}CO_{2}$，碳在氧气中燃烧的现象：发出白光，放出热量，生成能使澄清石灰水变浑浊的气体。

（2）在氧气不足的条件下，碳燃烧不充分，生成一氧化碳：$2C+O_{2}\stackrel{点燃}{=}2CO$。

3.碳与某些氧化物的反应一一高温条件下的还原性

【实验】用木炭还原氧化铜（装置如图所示）

（1）实验操作：①检查装置气密性；②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；③将试管固定在铁架台上（试管口略向下倾斜），导管伸入澄清石灰水中；④用酒精灯（可加网罩以使火焰集中并提高温度，最好使用酒精喷灯）加热混合物几分钟；⑤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。

（2）实验现象：开始加热时，导管口处有气泡冒出；过一会儿黑色粉末变为光亮的红色，澄清石灰水变浑浊。

（3）实验分析：开始加热时，试管中的空气受热体积膨胀而逸出；温度达到高温后，木炭与氧化铜开始反应，生成的铜为红色固体，另一种生成物二氧化碳为无色气体，能使澄清石灰水变浑浊。

（4）反应的化学方程式：$C+2CuO\stackrel{高温}{=}2Cu+CO_{2}↑$。

（5）实验结论：木炭与CuO在高温下发生反应，生成铜和二氧化碳；木炭具有还原性。

（6）性质的应用∶单质碳的还原性可用于冶金工业，如：焦炭可以把铁从它的氧化物矿石里还原出来（$2Fe_{2}O_{3}+3C\stackrel{高温}{=}4Fe+3CO_{2}↑$）；在高温条件下，碳还能使二氧化碳转变成一氧化碳（$CO_{2}+C\stackrel{高温}{=}2CO$）。

注意：

（1）酒精灯加网罩的目的是使火焰集中并提高温度。

（2）停止加热时先撤出导管，防止石灰水倒吸入试管中使试管炸裂。

（3）冷却后再把试管里的粉末倒出，防止热的铜被重新氧化为CuO。

（4）木炭粉要烘干，目的是排除水蒸气的干扰，使实验现象更明显。

（5）木炭与氧化铜发生化学反应时理论上的质量比为3∶40，做该实验时木炭粉与CuO的质量比要稍大于3∶40，原因是反应中木炭粉会与试管内的氧气反应而部分消耗，稍过量的木炭粉有利于反应的进行。

拓展：氧化还原反应

从得氧失氧的观点讲：

氧化反应，还原反应。物质跟氧发生的反应叫做氧化反应，含氧化合物里的氧被夺去的反应叫做还原反应。

氧化剂，还原剂。在反应中提供氧的物质是氧化剂，得到氧的物质是还原剂。

氧化性，还原性。在反应中提供氧使其他物质发生氧化反应的物质所具有的性质叫氧化性，夺取氧使其他物质发生还原反应的物质所具有的性质叫还原性。即氧化剂具有氧化性，还原剂具有还原性。

（1）上述三组概念，都是针对反应物而言的。

（2）氧化反应和还原反应同时发生的这类反应叫氧化还原反应，氧化还原反应不属于基本反应类型。

（3）氧化还原反应中一定有元素的化合价发生改变，有些元素的化合价升高，同时有些元素的化合价则要降低。