《金刚石、石墨和C60》知识总结

课题 1·金刚石、石墨和C60·知识要点

【要点1】碳的单质

1．金刚石和石墨

我们可以通过列表对比，更明确地看出金刚石和石墨的物理性质和用途的差异．(表6－1)

思考：金刚石和石墨都是由碳元素组成的单质，为什么物理性质会有很大的差异呢？

一种元素可以组成多种单质，金刚石和石墨都是由碳元素组成的单质，但是组成单质时原子的排列不同(见课本图6－1、图6－2)，所以物理性质会有很大的差异．

2．C60分子

C60也是由碳元素组成的单质．C60分子是一种由60个碳原子构成的分子，它形似足球(见课本图6－4)，有人因此称它为“足球烯”．

说明：C60是美国休斯顿大学的克罗脱(Kroto, H. W.)和史沫莱(Smalley, R. E.)等人在1985年发现的．我国北京大学化学系和物理系研究小组也研制出了C60分子．

1991年科学家又发现一种碳的单质——碳纳米管，它是由六边环形的碳原子构成的管状大分子(如图6－1)，它的直径只有几个纳米．

讨论：同种元素组成的物质是否一定为单质？

不是，一种元素可以组成几种单质，只有一种元素组成的纯净物才是单质，如果金刚石和石墨混合在一起，经检测，虽然只有碳元素，但金刚石和石墨不属于同种物质，所以应该是混合物．

我们应该说同种元素组成的物质可能是单质，也可能是混合物．

【要点2】木炭

木炭主要是由石墨的微小晶体和少量杂质构成的，具有疏松多孔的结构，与木炭类似的，还有焦炭、活性炭和炭黑．

说明：木炭和活性炭因为具有疏松多孔的结构，所以具有很强的吸附能力，活性炭的吸附能力比木炭的还要强．在吸附的过程中，只是把物质的微小粒子吸附到疏松多孔的表面上，并没有生成新的物质，是物理变化．

【要点3】碳的化学性质

1．常温下：碳的化学性质不活泼(稳定性)

说明：碳受日光照射或跟空气、水分接触，都不容易起变化．例如我国古代用墨汁书写、绘制的字画，可以保存多年而不褪色(如图6－2)；我们填写的档案资料均要求用碳素墨水书写，碳素墨水写字不易褪色．

第1页

第六单元 碳和碳的氧化物

课题1 金刚石、石墨和C60

知识点一 碳的单质

不同元素可以组成不同的单质，而同一种元素也可以组成不同的单质。几种常见元素的不同单质如下表所示：

常见元素

碳元素

氧元素

磷元素

形成的单质 金刚石、石墨和C60 氧气(O2)和臭氧(O3) 白磷(P4)和红磷（P）

一、金刚石、石墨、C60的性质及用途

1、金刚石

A、物理性质：无色透明、正八面体形状的固体，不导电，经加工琢磨后有夺目光泽，是天然存在最硬的物质。

B、用途：雕琢作装饰品(钻石就是金刚石雕琢成的)；制作钻头；制作玻璃刀、刻刀。

2、石墨

A、物理性质：深灰色、不透明的细鳞片状固体，有金属光泽，质软，滑腻，导电性好，耐高温。

B、用途：用于制铅笔芯(不同型号的铅笔芯，石墨含量不同，“B”值越大，石墨含量越高)、石墨电极、电刷、耐高温的润滑剂等。

3、C60

C60分子由60个碳原子构成，形似足球，很稳定。目前应用于材料科学、超导体等方面的研究。

理解辨析

1、金刚石、石墨和C60都是由碳元素组成的，为什么物理性质差异这么大？

原子之间的排列顺序不相同

4、不定形碳—木炭、焦炭、活性炭和炭黑

木炭主要是由石墨的微小晶体和少量杂质构成的，它具有疏松多孔的结构。焦炭、活性炭、炭黑等的构成和结构与木炭类似，通常称为无定形碳。 第2页

由于木炭、活性炭的结构疏松，因此它们具有 吸附性 。利用这种性质可以吸附气体或溶液中的一些物质，可用作吸附剂，如木炭用来吸附食品工业里的 色素和有异味 的物质；活性炭用在防毒面具中吸附毒气。

理解辨析

1、吸附性是物理性质吗？

吸附性是物质的物理性质，吸附过程是物理变化。吸附剂与物质的接触面积越大，吸附能力越强。

2、“碳”与 “炭”有什么区别吗？

1.碳是表示碳元素，炭是主要成分为碳的一些物质，如活性炭、木炭等

2.碳是用于对化学式的命名，而炭往往是对一些物质命名的俗称里。

金刚石、石墨和c60的结构比较

结构和性质 金刚石 石墨 C60

C原子的成键形式 四面体

平面三角形 球面形（直径710pm）

C原子的杂化轨道 sp3 sp2 sp2.26(σ键s0.3 p0.7)

C－C－C键角 109°28″ 120.0° 116°

C－C键长/pm 154.4 141.8 139.1(6/6)

145.5(6/5)

密度/g.cm-3 3.514 2.266 1.678

电阻/?.cm 1014-1016 (0.4-5.0)×10-4(∥层) (0.2-1.0)(⊥层) -

硬度/Mohs 10 <1 -

折光率n (λ为546nm) 2.41 2.15(∥层) 1.81(⊥层) -

金刚石中每一个C原子和四个C等价结合，采用sp3杂化轨道，空间构型是正四面体， 石墨采取sp2杂化轨道，在石墨层上面每一个C原子与周围的3个C通过sp2杂化轨道进行结合，那么它应该是正三角或者形成六员环。而C60是采取什么杂化轨道呢？每一个C原子与附近的3个C原子结合。如果是严格的sp2，那么应该与石墨的层状结构一样。但是C60为球状的，研究表明它采取的杂化形式是sp2.26（可以近似地看为sp2杂化）。三种同素异形体中C－C键间的键角分别是：金刚石109°28″ 、石墨 、120.0°C60近似为120°。石墨中C－C键的键长比金刚石中的短一些（但是石墨的两个层之间的距离较大）。请注意C60中的C－C键长有两种，一种是两个六员环共用的C－C键，其键长为139.1pm，另一种是六员环与五员环共用的C－C键，其键长为145.5pm。关于空间构型，金刚石是三维空间网状结构，石墨是二维空间层状结构，而C60是三维球状结构。其他还有密度、电阻等性质就不一一介绍了，请参见上表。至于硬度，大家知道金刚石是世界上所发现的最硬的物质，如果定它的硬度为10，那么石墨才相当于1

1 木炭+氧化铜 澄清的石灰水

碳和碳的氧化物

知识总结 金刚石、石墨、C60

一、碳的几种单质

1. 金刚石（C）是自然界中最硬的物质，可用于制钻石、刻划玻璃、钻探机的钻头等。

2. 石墨（C）是最软的矿物之一，有优良的导电性，润滑性。

（1）可用于制铅笔芯、干电池的电极、电车的电刷等。

注意：铅笔不含铅，是石墨和黏土混合而成的混合物。

（2）无定形碳：焦炭、木炭、活性炭、炭黑等，由石墨的微小晶体和少量杂质构成。

活性炭、木炭具有疏松多孔的结构，所以有强烈的吸附性，可用于：制糖工业、防毒面具里的滤毒罐。

3. C60

是一种由60个碳原子构成的分子，形似足球，性质很稳定。

金刚石和石墨的物理性质有很大差异的原因是：碳原子的排列不同。

CO和CO2的化学性质有很大差异的原因是：分子的构成不同。

二、 单质碳的化学性质:

单质碳的物理性质各异, 而各种单质碳的化学性质却完全相同 !

1. 常温下，化学性质稳定

【为何碳在常温下化学性质比较稳定？碳原子的最外层有4个电子，既不容易得电子，也不容易失去电子，因此常温下碳的化学性质比较稳定。】

档案材料一般用碳素墨水书写； 古代书画历经百年也安然无恙；木质电线杆埋入地下部分用火烧焦可防腐都是利用这个原理。

2. 碳具有可燃性：

C+O2CO2（充分燃烧） 2C+O22CO（不充分燃烧）

碳在氧气中燃烧现象：燃烧剧烈，发出白光；放热；生成能使澄清石灰水变浑浊的气体。

3. 碳具有还原性： 可用于冶金工业。

2Fe2O3+3C4Fe+3CO2↑

木炭还原氧化铜的实验（见右图）

【实验现象】澄清的石灰水变浑浊；黑色固体逐渐变成红色。

【化学方程式】C+2CuO2Cu+CO2↑

 反应开始的标志：澄清的石灰水变浑浊。

 在酒精灯上加网罩的目的：使火焰集中并提高温度。

 配制混合物时木炭粉应稍过量的目的：防止已经还原的铜被氧气重新氧化。

 实验完毕后先熄灭酒精灯的后果：石灰水倒吸入热的试管中使试管炸裂。