1 碳的多样性
一、多种多样的碳单质
知识回顾：初中已讲过碳元素有金刚石、石墨两种单质，氧元素有O2、O3两种单质，磷元素有白磷、红磷两种单质。一种元素组成几种不同单质的现象叫同素异形现象。
1、同素异形体
(1)概念：同种元素组成的性质不同的几种单质互称同素异形体。
(2)与同位素的比较：
2、碳元素的同素异形体：金刚石、石墨、C60。
(1)金刚石：正四面体结构。每个碳原子与另外4个C原子形成正四面体结构。碳原子都以这种方式一直排列，形成具有空间网状结构的原子晶体。该方式决定了金刚石的硬度相当大。
(2)石墨：层状结构。石墨中的碳原子呈片层结构，每一层内碳原子都形成正六边形结构，每个C原子能形成 3个正六边形，碳原子一直以这种方式排列，决定了石墨的熔点、沸点相当高，但层与层之间的作用较弱，易被破坏，故石墨的硬度不大。
(3)C60：球形结构，每60个C原子构成一个C60分子，C60分子形似足球，又名“足球烯”或“富勒烯”。60个 C原子位于球的表面，呈正五边形和正六边形排列，C60的式量为720。
总结：金刚石、石墨、C60的结构不同，晶体类型也不同，前两个为原子晶体(石墨结构又稍特殊，有时又叫混合晶体)，C60为分子晶体。可知，它们是由于碳原子排列方式不同，形成了三种性质不同的碳的同素异形体。碳元素之所以在自然界有稳定存在的碳单质，主要是因为C原子最外层4个电子，得失电子都不容易，在自然界中能稳定存在，不过，碳元素在自然界中还主要是以化合态的形式存在。
二、广泛存在的含碳化合物
1、含碳元素的矿石
大理石或石灰石或方解石(CaCO3)、菱锌矿(ZnCO3)、菱镁矿(MgCO3)、菱铁矿(FeCO3)、白云石(CaMg(CO3)2)
等，这些矿石是自然界中的典型无机物。自然界中的有机物都含有碳元素，以后再专门分析有机物。下面主要以Na2 CO3、NaHCO3为代表物，分析含碳无机化合物的性质。
2、Na2CO3、NaHCO3性质
预测一：CaCO3与 HCl反应放出CO2，Na2CO3、NaHCO3也应与HCl反应，生成CO2气体。
验证：Na2CO3、NaHCO3分别溶于水配成溶液，然后各取少许于两支试管中，分别滴加盐酸，两试管均能产生无色无味气体，把气体分别通入澄清石灰水中，石灰水都变浑浊。
结论：Na2CO3、NaHCO3都能与盐酸反应生成CO2。反应的离子方程式分别为：
CO32-＋2H+＝H2O＋CO2↑，HCO3-＋H+＝H2O＋CO2↑
故用该法可检验碳酸盐或碳酸氢盐。
利用上述预测及验证得到Na2CO3、NaHCO3的性质：
(1)Na2CO3、NaHCO与盐酸反应
Na2CO3＋2HCl＝2NaCl＋H2O＋CO2↑
NaHCO3＋HCl＝NaCl＋H2O＋CO2↑
由上述方程可知，1molNa2CO3消耗2molHCl，1molNaHCO3消耗1molHCl。1molNa2CO3消耗2molHCl，可以理解为 1molNa2CO3先消耗1molHCl生成1molNaHCO3，1molNaHCO3再消耗1molHCl生成CO2。
2 预测二：Na2CO3滴加少量盐酸放不出CO2
实验验证：在Na2CO3溶液中逐滴滴入盐酸,现象为：开始无气泡生成，后来产生气泡，在盐酸中逐滴滴入Na2CO3 溶液，立即产生气泡。
现象分析：Na2CO3溶液中逐滴滴入少量盐酸，开始无气泡，说明先生成NaHCO3，反应为：CO32-＋H+＝HCO3-，后来产生气泡，反应为：HCO3-＋H+＝H2O＋CO2↑；盐酸中滴入Na2CO3溶液，立即产生气泡,是因为酸的量多，反应为：CO32-＋2H+＝H2O＋CO2↑
结论：①Na2CO3与少量盐酸反应不放出CO2，生成NaHCO3。化学方程式为：Na2CO3＋HCl(少量)＝NaCl＋NaHCO3
②利用Na2CO3与盐酸相互滴加产生的现象不同，可鉴别二者。
预测三：根据CaCO3难溶而Ca(HCO3)2可溶，推测Na2CO3应能与可溶性钙盐发生复分解反应，而NaHCO3不反应。
实验验证：Na2CO3、NaHCO3 溶液中分别滴加 CaCl2溶液，Na2CO3溶液中产生白色浑浊，NaHCO3溶液中无现象。
结论：Na2CO3与CaCl2生成CaCO3沉淀，NaHCO3与CaCl2不反应。
利用上述预测及验证得到Na2CO3、NaHCO3的性质：
(2)Na2CO3、NaHCO3与可溶性盐的反应
Na2CO3＋CaCl2＝CaCO3↓＋2NaCl
Na2CO3＋Ba(NO3)2＝BaCO3↓＋2NaNO3
利用该性质可鉴别Na2CO3、NaHCO3。
预测四：NaHCO3为酸式盐，NaHCO3应能与碱反应生成正盐。
实验验证：在上述 NaHCO3、CaCl2的混合溶液中加入 NaOH 溶液，产生白色沉淀。
现象分析：产生的白色沉淀应为CaCO3，反应原理是HCO3-与 OH-结合生成CO32-、H2O，
CO32-与Ca2+生成CaCO3沉淀，离子方程式为：
HCO3-＋OH-＋Ca2+＝CaCO3↓＋H2O，该反应相当于在NaHCO3溶液中滴加Ca(OH)2溶液。
结论：NaHCO3能与碱反应
利用上述预测及验证得到Na2CO3、NaHCO3的性质：
(3)NaHCO3与可溶性碱的反应
2NaHCO3＋Ca(OH)2＝CaCO3↓＋Na2CO3＋2H2O(NaHCO3足量)
或NaHCO3＋Ca(OH)2＝CaCO3↓＋NaOH＋H2O(NaHCO3少量)
利用NaOH可实现NaHCO3与Na2CO3的转化，即NaHCO3和NaOH反应生成Na3CO3和水。
预测五：Ca(HCO3)2受热可分解为CaCO3；NaHCO3受热也应能分解。
实验验证：取NaHCO3固体少许于试管中，加热，导气管通入石灰水，可看到石灰水变浑浊，证明生成了CO2，试管壁上有水滴出现，证明生成了H2O，反应后的固体溶于水，滴加CaCl2溶液，生成白色沉淀,说明NaHCO3变成为Na2CO3。
结论：NaHCO3固体受热可分解。
利用上述预测及验证得到Na2CO3、NaHCO3的性质：
(4)NaHCO3的不稳定性
2NaHCO3Na2CO3＋H2O＋CO2↑
该反应可把 NaHCO3固体变为 Na2CO3固体，而且该反应在差量计算中经常用到，反应前后用固体质量的差值为 NaHCO3生成的H2O、CO2的质量和。
总结：Na2CO3与 NaHCO3 的相互转化：
二者的相互转化常用于除杂，如除去Na2CO3中的少量 NaHCO3，若为固体，可加热，若为溶液，可加入适
3 量的NaOH，除去 NaHCO3 中的少量Na2CO3，可往溶液中通入过量的CO2。
除了在实验室能进行Na2CO3、NaHCO3的相互转化外，自然界及日常生活中还存在着很多含碳物质间的转化。
三、碳及其化合物间的转化
1、自然界中碳及其化合物间的转化
自然中的上述转化使碳及其化合物的转化处于平衡状态，但由于人类活动的加剧，破坏了上述平衡，出现“温室效应”等问题。
[活动·探究]模拟溶洞形成的实验
问题：Na2CO3、NaHCO3能相互转化，自然界中也在进行着CaCO3、Ca(HCO3)2之间的相互转化。
实验：澄清石灰水中先通入适量的CO2，观察现象，然后再通入过量CO2，再观察现象，最后加热，再观察。
现象分析：适量CO2使澄清石灰水变浑浊，反应为：Ca(OH)2＋CO2＝CaCO3↓＋H2O。CO2过量时，浑浊又变澄清，难溶的CaCO3转变为可溶的Ca(HCO3)2，反应为：CaCO3＋CO2＋H2O＝Ca(HCO3)2。加热后又变浑浊，反应为： Ca(HCO3)2CaCO3↓＋CO2↑＋H2O
应用：自然界正是因为发生了上述转化，才形成了溶洞、石笋、石柱等。岩石中的CaCO3长时间受CO2、H2O的作用转化为可溶性的Ca(HCO3)2，岩石被侵蚀形成溶洞。溶洞中溶有 Ca(HCO3)2的水下滴的过程中，受条件的影响，有些Ca(HCO3)2可分解出CaCO3形成钟乳石等。
CaCO3、Ca(HCO3)2的转化在日常生活中也有许多体现，如自来水中含Ca2+、Mg2+，其中Ca2+主要以Ca(HCO3)2的形成存在。Ca2+、Mg2+含量高的水为硬水，需对硬水进行软化(即降低水中Ca2+、Mg2+的含量)，其中一种简易有效的转化方法是把水加热煮沸，即在烧水的过程中Ca(HCO3)2分解得到CaCO3沉淀，故水垢的成分中含CaCO3，这是生活中含碳物质间转化的典型实例，下面再看其他转化。
2、生产和生活中的碳及其化合物间的转化
[交流研讨]：高炉炼铁中碳的转化
原理：碳的化合物还原铁矿石得到Fe单质。
原料：焦炭、铁矿石(Fe2O3或Fe3O4)、石灰石。
反应：
①还原剂的生成： C＋O2CO2，CO2＋C2CO 。
②Fe2O3被还原：
3Fe2O3＋CO2Fe3O4＋CO2 Fe3O4＋CO3FeO＋CO2， FeO＋COFe＋CO2
三个反应合并得总反应：Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2
平时写Fe2O3被还原的方程式就是该总反应方程式。
4 ③辅助反应：SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑。该反应可以除去矿石中的SiO2杂质，因SiO2的熔点很高，转化为CaSiO3后熔点降低，从而使SiO2变为CaSiO3炉渣而除去。
总结：C、CO2、CO之间的相互转化
上述转化中涉及到的典型反应有：
(1)C→CO：
2C＋O22CO C＋H2O(气)CO＋H2(工业制水煤气) 2C＋SiO2Si＋2CO(工业制硅)
(2)C→CO2： C＋O2CO2 C＋2CuO2Cu＋CO2
(3)CO2→C：CO2＋2Mg2MgO＋C(镁条在CO2中燃烧的反应)
(4)CO→CO2：2CO＋O22CO2 3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2
(5)CO2→CO：CO2＋C2CO
【知识展望】
德国化学家维勒用无机化合物氰酸铵(NH4CNO)合成出了有机化合物尿素(CO(NH2)2)，打破了有机化合物是有生命的不能被人工合成的神话，开创了有机合成的先例，以后学习有机化合物，再分析有机化合物这些含碳元素物质的相互转化。
【参考答案】
1、A；2、C；3、D；4、D；5、C；6、C；7、C；
8、A中石灰水不变浑浊，B中石灰水变浑浊；2NaHCO3Na2CO3＋H2O＋CO2↑；
NaHCO3受热易分解，Na2CO3稳定性比Na2CO3强。
9、NaHCO3；
Na2CO3＋2HCl＝2NaCl＋H2O＋CO2↑
NaHCO3＋HCl＝NaCl＋H2O＋CO2↑
10、(1)加热，2NaHCO3Na2CO3＋H2O＋CO2↑
(2)加适量NaOH 溶液：HCO3-＋OH-＝CO32-＋H2O
