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

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

(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＋H2OH2CO3

2NaOH＋CO2 ===Na2CO3＋H2O或NaOH＋CO2===NaHCO3与H2O

Na2O＋CO2===Na2CO3

Na2CO3＋CO2＋H2O===2NaHCO3

2Na2O2＋2CO2===2Na2CO3＋O2

CO2＋C2CO

CO2＋2Mg2MgO＋C

③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∶2

C．2∶1 D．1∶3

B　[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

◎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

钠的碳酸盐——碳酸钠和碳酸氢钠

1．Na2CO3与NaHCO3的物理性质比较

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>NaHCO3

B．相同温度下，0.1 mol·L－1盐溶液的pH：Na2CO3>NaHCO3

C．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<NaHCO3

D．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>NaHCO3

D　[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)NaHCO3

◎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～CO2

106　　　44

x　　　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%

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↑＋H2O

C．a＝0.3

D．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]　C

a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 mol

1．(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 mol

D．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 mol

D　[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－、HCO

C．此样品n(NaHCO3)＝(28.1－2×11.9)×10－3 mol

D．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