2021版高考化学鲁科版一轮教师用书：第3章第1节　碳的多样性

第1节　碳的多样性考纲定位要点网络1.了解碳元素单质及其重要化合物的制备方法，掌握其主要性质及其应用。2.了解常见碳元素单质及其重要化合物对环境的影响。  碳单质及其氧化物1．同素异形体(1)定义：由同一种元素组成的性质不同的几种单质。(2)实例：氧元素的同素异形体有O2和O3；磷元素的同素异形体有红磷和白磷。2．多种多样的碳单质(1)碳的三种常见同素异形体单质的结构 金刚石：立体网状结构；石墨：层状结构；C60：足球形分子物理性质金刚石：熔点很高、硬度很大；石墨：硬度较小、电的良导体用途金刚石用于制造切割刀具，石墨用于制造电极、铅笔芯。C60可作催化剂或催化剂载体(2)碳的化学性质(写出有关化学方程式)3．碳的氧化物(1)一氧化碳①物理性质：无色无味的气体，难溶于水，有毒。②化学性质a．可燃性：2CO＋O22CO2；b．还原性：与Fe2O3反应Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2。(2)二氧化碳①物理性质：无色无味的气体，密度比空气大，可溶于水。②化学性质CO2＋H2OH2CO32NaOH＋CO2 ===Na2CO3＋H2O或NaOH＋CO2===NaHCO3与H2ONa2O＋CO2===Na2CO3Na2CO3＋CO2＋H2O===2NaHCO32Na2O2＋2CO2===2Na2CO3＋O2CO2＋C2COCO2＋2Mg2MgO＋C③用途：化工原料、灭火剂。干冰用作制冷剂、人工降雨。④实验室制取原理：CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O。注意：①用大理石制CO2时，不能用稀硫酸，因为生成的CaSO4微溶，覆盖大理石表面阻止反应进行。②可以用启普发生器作发生装置制CO2。③除去CO2中的HCl可以用饱和NaHCO3溶液。[补短板](1)一般情况，非常活泼金属(Na、K等)才能够置换出水中的氢，但却能发生反应：C＋H2O(g)CO＋H2。(2)一般情况，CO2不支持燃烧，但金属镁可以在CO2中剧烈燃烧：CO2＋2Mg2MgO＋C。[知识应用]用化学方程式回答下列问题。(1)除去CO中混有的少量CO2：_________________________。(2)除去CO2中混有的少量CO：________________________。(3)除去CO2中混有的少量HCl：_______________________。(4)水煤气的制备反应方程式：__________________________。(5)将2 mol CO2通入含3 mol NaOH的溶液中，反应的化学方程式： ____________________________________________________。[答案]　(1)CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O(2)CuO＋COCu＋CO2(3)NaHCO3＋HCl===NaCl＋CO2↑＋H2O(4)C＋H2O(g)CO＋H2(5)2CO2＋3NaOH===Na2CO3＋NaHCO3＋H2O◎命题点1　CO2与NaOH溶液反应产物的判断1．在标准状况下，将3.36 L CO2气体通入200 mL 1.00 mol·L－1 NaOH溶液中，充分反应后溶液中c(CO)与c(HCO)的比值为(不考虑CO、HCO的水解)(　　)A．1∶1 　　　　 B．1∶2C．2∶1 D．1∶3B　[n(CO2)＝0.15 mol，n(NaOH)＝0.2 mol，n(CO2)∶n(NaOH)＝3∶4，其反应方程式：3CO2＋4OH－===CO＋2HCO＋H2O，故c(CO)∶c(HCO)＝1∶2。]2．在标准状况下，将4.48 L CO2通入100 mL 3 mol·L－1的NaOH溶液中，溶液中的溶质为________，其物质的量之比为________。[解析]　n(CO2)＝0.2 mol，n(NaOH)＝0.3 mol，n(CO2)∶n(NaOH)＝2∶3，可发生反应2CO2＋3NaOH===Na2CO3＋NaHCO3＋H2O。[答案]　Na2CO3、NaHCO3　1∶1数轴法判断CO2与强碱(OH－)反应的产物当n(OH－)∶n(CO2)的值不同时产物如下：◎命题点2　CO、CO2的有关性质探究3．(2019·信阳模拟)为检验二氧化碳气体中是否混有一氧化碳，某课外兴趣小组的同学设计了如图所示的实验装置：根据装置回答问题：(1)A装置的作用是_________________________________。(2)C中发生反应的方程式为____________________________。(3)B装置的作用是__________________________________。(4)若实验时观察到___________________________________，则证明原气体中一定含有一氧化碳。(5)该装置从安全角度考虑应如何改进？_____________________________________________________。[答案]　(1)吸收CO2，防止干扰CO检验(2)CO＋CuOCu＋CO2(3)检验CO2是否除尽(4)B中无明显现象，装置C中黑色粉末变成光亮的红色，D中澄清石灰水变浑浊(5)在装置C、D之间加一防倒吸装置，装置D加CO处理装置检验CO2中CO是否存在的思维模板各装置的作用是：A——除去混合气体中的CO2B——检验混合气体中CO2是否除尽C——CO还原CuO：CO＋CuOCu＋CO2D——安全瓶，防倒吸E——验证CO的氧化产物CO2F——除去尾气中的CO，防止污染环境确定混合气体中含有CO的实验现象是：C中的物质由黑色变成光亮的红色，B中无明显现象，E中的澄清石灰水变浑浊。 钠的碳酸盐——碳酸钠和碳酸氢钠1．Na2CO3与NaHCO3的物理性质比较名称碳酸钠碳酸氢钠化学式Na2CO3NaHCO3俗名纯碱或苏打小苏打颜色、状态白色粉末细小白色晶体水溶性易溶于水水中易溶，比Na2CO3的溶解度小2.Na2CO3和NaHCO3的化学性质及其应用(1)Na2CO3写出上述序号(①－④)所表示反应的化学方程式：①Na2CO3＋2HCl===2NaCl＋CO2↑＋H2O；②Na2CO3＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋2NaOH；③Na2CO3＋BaCl2===BaCO3↓＋2NaCl；④Na2CO3＋CO2＋H2O===2NaHCO3；⑤Na2CO3粉末与少量水作用结块放热形成晶体。(2)NaHCO3写出上述序号①、②、③所表示反应的化学方程式，④反应的离子方程式：①2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O；②NaHCO3＋HCl===NaCl＋CO2↑＋H2O；③NaHCO3＋NaOH===Na2CO3＋H2O；④Ca(OH)2过量：HCO＋Ca2＋＋OH－===CaCO3↓＋H2O；Ca(OH)2少量：Ca2＋＋2OH－＋2HCO===CaCO3↓＋CO＋2H2O。(3)Na2CO3、NaHCO3的用途①Na2CO3是一种非常重要的化工原料，在玻璃、肥皂、合成洗涤剂、造纸、纺织、石油、冶金、食品等工业中有着广泛的应用。②NaHCO3是焙制糕点所用的发酵粉的主要成分之一；在医疗上，它是治疗胃酸过多的一种药剂。3．侯氏制碱的化工流程及其原理(1)流程(2)原理(化学方程式)NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl；2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O。[补短板](1)Na2CO3与NaHCO3的转化。(2)不能利用固体中加入盐酸，反应是否生成气体来鉴别Na2CO3和NaHCO3固体，但可通过反应的剧烈程度来鉴别。(3)鉴别Na2CO3溶液和NaHCO3溶液时不能用Ba(OH)2或Ca(OH)2溶液鉴别，但可以用BaCl2或CaCl2溶液鉴别。(4)Na2CO3溶液和NaHCO3溶液能使酚酞变红的原因是盐在水中发生水解反应呈碱性：CO＋H2OHCO＋OH－和HCO＋H2OH2CO3＋OH－。[基础判断](1)向饱和Na2CO3溶液，Na2SiO3溶液，澄清石灰水中通入过量CO2溶液均生成白色沉淀。              (　　)(2)Na、Na2O、Na2O2、NaOH久置于空气中，最终均变成Na2CO3。 (　　)(3)NaHCO3与Na2CO3溶液逐滴滴入稀盐酸至过量，反应过程现象相同。 (　　)(4)纯碱去除油污的原因是纯碱是碱，与油污反应。 (　　)[答案]　(1)×　(2)√　(3)×　(4)×[知识应用]1．请设计实验方案，用50 mL 2 mol·L－1 NaOH溶液和足量的CO2气体，制取50 mL 1 mol·L－1的Na2CO3溶液。写出有关离子方程式。[答案]　将50 mL NaOH溶液，分成两等份，一份通入过量的CO2，然后与另一份混合。OH－＋CO2===HCO，HCO＋OH－===CO＋H2O。2．患有胃溃疡的病人不能服用小苏打药品的原因是什么？[答案]　若服用小苏打，胃中的酸与小苏打反应生成CO2气体，加重胃溃疡。◎命题点1　Na2CO3、NaHCO3的性质及其鉴别1．为除去括号内的杂质，所选用的试剂或方法不正确的是(　　)A．Na2CO3溶液(NaHCO3)，选用适量的NaOH溶液B．NaHCO3溶液(Na2CO3)，应通入过量的CO2气体C．Na2O2粉末(Na2O)，将混合物在氧气中加热D．Na2CO3溶液(Na2SO4)，加入适量Ba(OH)2溶液，过滤D　[Ba(OH)2与Na2CO3和Na2SO4均发生化学反应生成白色沉淀，不符合除杂的要求。]2．下列有关Na2CO3和NaHCO3比较中，不正确的是(　　)A．热稳定性：Na2CO3>NaHCO3B．相同温度下，0.1 mol·L－1盐溶液的pH：Na2CO3>NaHCO3C．等质量的碳酸钠和碳酸氢钠分别与足量盐酸反应放出气体的量：Na2CO3<NaHCO3D．相同温度下，0.1 mol·L－1盐溶液分别与0.1 mol·L－1盐酸反应的剧烈程度：Na2CO3>NaHCO3D　[相同温度下，同浓度的Na2CO3和NaHCO3溶液分别与0.1 mol·L－1盐酸反应，NaHCO3反应更剧烈。]3．某校化学课外小组为了鉴别碳酸钠和碳酸氢钠两种白色固体，用不同的方法做了以下实验，如下图Ⅰ～Ⅳ所示。(1)只根据图Ⅰ、Ⅱ所示实验，能够达到实验目的的是________(填装置序号)。(2)图Ⅲ、Ⅳ所示实验均能鉴别这两种物质，其反应的化学方程式为____________________________________________________；与实验Ⅲ相比，实验Ⅳ的优点是________(填字母)。A．Ⅳ比Ⅲ复杂B．Ⅳ比Ⅲ安全C．Ⅳ比Ⅲ操作简便D．Ⅳ可以做到用一套装置同时进行两个对比实验，而Ⅲ不行(3)若用实验Ⅳ验证碳酸钠和碳酸氢钠的稳定性，则试管B中装入的固体最好是________(填化学式)。[解析]　(1)图Ⅰ不能达到实验目的，因为无论碳酸钠还是碳酸氢钠均可以与盐酸反应产生二氧化碳，二氧化碳气体与澄清石灰水反应变浑浊；图Ⅱ可以鉴别，因为等质量的碳酸钠和碳酸氢钠与足量的稀盐酸反应，生成的二氧化碳气体的量不同，可根据气球膨胀程度来判断。(2)图Ⅲ、Ⅳ所涉及的化学方程式为2NaHCO3Na2CO3＋H2O＋CO2↑、Ca(OH)2＋CO2===CaCO3↓＋H2O，实验Ⅳ的优点是可同时做对比实验。(3)试管B装入碳酸氢钠，试管A装入碳酸钠，这样直接加热的碳酸钠，温度高，不分解，不能使澄清石灰水变浑浊，而间接加热的碳酸氢钠分解，使澄清石灰水变浑浊，表明了碳酸氢钠很不稳定。[答案]　(1)Ⅱ 　(2)2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O、Ca(OH)2＋CO2===CaCO3↓＋H2O　D　(3)NaHCO3Na2CO3和NaHCO3的鉴别方法◎命题点2　测定纯碱纯度的实验探究4．制得的碳酸钠样品中往往含有少量NaCl，现欲测定样品中Na2CO3的质量分数，某探究性学习小组分别设计了如下实验方案。(1)方案一：用下图所示方法和步骤进行实验：①操作Ⅰ涉及的实验名称有________、洗涤；操作Ⅱ涉及的实验名称有干燥、________。②该方案测得的样品中Na2CO3质量分数的计算式为________。(2)方案二：利用下图所示装置来测定纯碱样品中Na2CO3的质量分数(铁架台、铁夹等在图中均已略去)。实验步骤如下：a．按图连接装置，并检查气密性；b．准确称得盛有碱石灰的干燥管D的质量为83.4 g；c．准确称得6.0 g纯碱样品放入容器Ⅱ中；d．打开分液漏斗Ⅰ的旋塞，缓缓滴入稀硫酸，至不再产生气泡为止；e．打开弹簧夹，往试管A中缓缓鼓入空气数分钟，然后称得干燥管D的总质量为85.6 g。①若d、e两步的实验操作太快，则会导致测定结果________(填“偏大”或“偏小”)。②装置A中试剂X应选用________。③E装置的作用是__________________________。④根据实验中测得的有关数据，计算纯碱样品中Na2CO3的质量分数为________(结果保留到小数点后一位)。[解析]　(1)①生成沉淀A，故操作Ⅰ需要涉及过滤操作。要知道固体的质量需要称重；②经过计算，样品中Na2CO3质量分数的计算式为×100%。(2)①反应过快会使产生的CO2气体不能完全被D装置中碱石灰吸收；快速鼓入空气，也会使装置内残留CO2不能被D装置中碱石灰完全吸收，则测得的CO2质量偏小，测定结果偏小；②鼓入空气，可把残留在装置B、C中的CO2赶出由D中碱石灰吸收，因为空气中含有CO2，因此应把鼓入空气中的CO2吸收处理，所以装置A应放入NaOH溶液；③如果D装置直接与外界空气相连通，则空气中的H2O和CO2会对测定结果带来影响，所以装置E的作用是防止空气中H2O和CO2进入装置D中；④反应中放出CO2气体的质量＝85.6 g－83.4 g＝2.2 g，设消耗碳酸钠的质量为x，Na2CO3～CO2106　　　44x　　　2.2 g解得x＝5.3 g纯碱样品中Na2CO3的质量分数＝×100%≈88.3%。[答案]　(1)①过滤　称量②×100%(2)①偏小　②NaOH溶液　③防止空气中CO2和水蒸气进入装置D中　④88.3%纯碱纯度测定两种常用方法(1)气体法①测定原理：Na2CO3＋H2SO4===Na2SO4＋H2O＋CO2↑。依据CO2的体积确定Na2CO3的物质的量，进而确定纯碱中Na2CO3的含量。②实验操作：向m g纯碱样品中加入足量的稀硫酸，准确测量产生CO2气体的体积为V mL(已折算为标准状况)。③计算：纯度为×100%＝×100%。(2)沉淀法①测定原理：Na2CO3＋BaCl2===BaCO3↓＋2NaCl。依据BaCO3沉淀的质量，确定Na2CO3的物质的量，进而确定纯碱中Na2CO3的含量。②实验操作：先将m g纯碱样品溶于水配成溶液，向溶液中加入过量的BaCl2溶液，经过滤、洗涤、干燥得BaCO3沉淀的质量为n g。③计算：纯度为×100%＝×100%。 Na2CO3、NaHCO3的定量计算与图像分析——证据推理与模型认知定量计算与图像分析是近几年高考试题经常涉及的命题角度，目的是考查学生的计算能力和数形结合思想。此类试题图像中信息量较大，对学生读图获取信息的能力要求较高。体现“证据推理与模型认知”的核心素养。1．Na2CO3、NaHCO3与酸反应的定量比较(1)速率：相同条件下，NaHCO3与盐酸反应放出CO2的速率比Na2CO3与盐酸反应快。 (2)耗酸量：等质量或等物质的量的Na2CO3与NaHCO3均为前者耗酸量多。(3)CO2生成量比较①等物质的量的Na2CO3、NaHCO3分别与足量的盐酸反应，产生CO2的量相等。②等质量的Na2CO3、NaHCO3分别与足量的盐酸反应，NaHCO3产生的CO2多。③等物质的量的HCl与足量的Na2CO3、NaHCO3分别反应，NaHCO3产生的CO2多。2．Na2CO3、NaHCO3、NaOH及其混合物与盐酸反应的图像分析向某溶液(Na2CO3或NaHCO3或NaOH)中逐滴加入盐酸，消耗HCl的物质的量与产生CO2的物质的量的关系如图所示：(1)若OA＝0，则溶液中所含溶质为NaHCO3，涉及反应的离子方程式为HCO＋H＋===CO2↑＋H2O；(2)若OA＝AB，则溶液中溶质为Na2CO3，涉及的离子反应为OA：CO＋H＋===HCO，AB：HCO＋H＋===CO2↑＋H2O；(3)若OA＜AB，则溶液中溶质为Na2CO3和NaHCO3，涉及的离子反应同(2)；(4)若OA＞AB，则溶液中溶质为NaOH、Na2CO3，涉及的离子反应为OA：OH－＋H＋===H2O，CO＋H＋===HCO，AB：HCO＋H＋===CO2↑＋H2O。[典例导航](2019·岳阳模拟)向NaOH和Na2CO3混合溶液中滴加0.1 mol·L－1稀盐酸，CO2的生成量与加入盐酸的体积(V)的关系如图所示。下列判断正确的是(　　)A．在0～a范围内，只发生中和反应B．ab段发生反应的离子方程式为CO＋2H＋===CO2↑＋H2OC．a＝0.3D．原混合溶液中NaOH与Na2CO3的物质的量之比为1∶2[思路点拨]　H＋与OH－、CO、HCO反应的先后顺序为OH－＞CO＞HCO⇒⇒[答案]　Ca点对应的溶液中溶质的成分及其物质的量为________。[答案]　NaHCO3：0.01 mol，NaCl：0.03 mol1．(2019·淮北模拟)有关NaHCO3和Na2CO3的性质，下列叙述错误的是(　　)A．等质量的NaHCO3和Na2CO3与足量盐酸反应，在相同条件下Na2CO3产生的CO2体积小B．等物质的量的两种盐与同浓度盐酸完全反应，所消耗盐酸的体积Na2CO3是NaHCO3的2倍C．1 mol Na2CO3和NaHCO3的混合物与足量稀硫酸充分反应，生成的CO2为1 molD．向200 mL 0.1 mol·L－1 Na2CO3溶液中逐滴加入200 mL 0.1 mol·L－1的稀盐酸并不断振荡，生成的CO2为0.01 molD　[D项，反应原理为CO＋H＋===HCO，HCO＋H＋===CO2↑＋H2O，故不会生成CO2。]2．实验室使用pH传感器来测定Na2CO3和NaHCO3混合物中NaHCO3的含量。称取1.59 g样品，溶于水配成250.00 mL溶液，取出该溶液25.00 mL用0.1 mol·L－1盐酸进行滴定，得到如图曲线。以下说法或操作正确的是(　　)A．上一个计量点前发生反应的离子方程式为HCO＋H＋===H2O＋CO2↑B．下一个计量点溶液中存在大量的阴离子是Cl－、HCOC．此样品n(NaHCO3)＝(28.1－2×11.9)×10－3 molD．使用该方法测定Na2CO3和NaOH混合溶液中的氢氧化钠含量，将会得到1个计量点C　[A项，根据图示知道上一个计量点前溶液显示碱性，发生的离子反应：CO＋H＋===HCO，错误；B项，下一个计量点溶液pH＝4，显示酸性，不能存在HCO，错误；C项，Na2CO3和NaHCO3混合物加盐酸，首先是CO＋H＋===HCO，此时消耗的盐酸的体积为11.9 mL，随后是HCO＋H＋===H2O＋CO2↑，由于CO＋H＋===HCO过程和HCO＋H＋===H2O＋CO2↑过程消耗的盐酸体积相同，所以样品中碳酸钠消耗的盐酸为2×11.9 mL，则样品中碳酸氢钠消耗的盐酸n(HCl)＝(28.1－2×11.9)×10－3 L×0.1 mol·L－1，所以此样品n(NaHCO3)＝(28.1－2×11.9)×10－4 mol×10正确；D项，Na2CO3和NaOH混合溶液中加入盐酸，先是和氢氧化钠中和，随后是和碳酸钠之间发生反应，生成碳酸氢钠，最后是生成氯化钠，不止得到1个计量点，是3个计量点，错误。][一题串知，落实考法](2015·全国卷Ⅰ，T26改编)草酸(乙二酸)存在于自然界的植物中，其K1＝5.4×10－2，K2＝5.4×10－5。草酸的钠盐和钾盐易溶于水，而其钙盐难溶于水。草酸晶体(H2C2O4·2H2O)无色，熔点为101 ℃，易溶于水，受热脱水、升华，170 ℃以上分解。回答下列问题：(1)甲组同学按照如图所示的装置，通过实验检验草酸晶体的分解产物。装置C中可观察到的现象是________________________，反应的离子方程式为______________________________，说明分解产物中含有__________。装置B的主要作用是_______________________________________________________________________。[考查CO2的检验和主要性质](2)乙组同学认为草酸晶体分解产物中还有CO，为进行验证，选用甲组实验中的装置A、B和下图所示的部分装置(可以重复选用)进行实验。①乙组同学的实验装置中，依次连接的合理顺序为A、B、____________。装置H反应管中盛有的物质是________。②能证明草酸晶体分解产物中有CO的现象是_____________。[考查CO的检验与性质](3)若上图中的装置C中的澄清石灰水改为水玻璃，则装置C中的现象是_______________________，反应的离子方程式为____________________，此现象说明H2SiO3比H2CO3的酸性________。[考查H2CO3和H2SiO3的酸性强弱](4)若把上图中装置C中的澄清石灰水改为饱和Na2CO3溶液，则装置C中的现象是_____________________，反应的离子方程式为______________________。[考查Na2CO3、NaHCO3的性质][答案]　(1)有气泡逸出、澄清石灰水变浑浊CO2＋Ca2＋＋2OH－===CaCO3↓＋H2O　CO2　冷凝(水蒸气、草酸等)，防止草酸进入装置C反应生成沉淀，干扰CO2的检验(2)①F、D、G、H、D、I　CuO　②H中黑色粉末变为红色，其前的D中澄清石灰水无现象，其后的D中澄清石灰水变浑浊(3)C中溶液产生白色沉淀或变浑浊，且有气泡逸出CO2＋SiO＋H2O===H2SiO3↓＋CO　弱(4)白色沉淀或变浑浊，有气泡逸出2Na＋＋CO＋CO2＋H2O===2NaHCO3↓[真题体验，感悟考向]1．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)(2019·全国卷Ⅲ)活性炭具有除异味和杀菌作用。 (　　)(2)(2018·全国卷Ⅲ)泡沫灭火器可用于一般的起火，也适用于电器起火。 (　　)(3)(2018·全国卷Ⅱ)碳酸钠可用于去除餐具的油污。 (　　)(4)(2018·全国卷Ⅱ)碳酸钡可用于胃肠X射线造影检查。 (　　)(5)(2017·全国卷Ⅱ)用乙酸浸泡水壶中的水垢，可将其清除，说明乙酸的酸性小于碳酸的酸性。              (　　)(6)(2017·全国卷Ⅲ)燃煤中加入CaO可以减少酸雨的形成及温室气体的排放。 (　　)[答案]　(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×　(6)×2．(2019·全国卷Ⅱ，节选，有改动)在回转炉中重晶石(BaSO4)被过量焦炭还原为可溶性硫化钡，该过程的化学方程式为__________________。回转炉尾气中含有有毒气体，生产上可通过水蒸气变换反应将其转化为CO2和一种清洁能源气体，该反应化学方程式为_____________。[答案]　BaSO4＋4CBaS＋4CO↑　CO＋H2OCO2＋H2