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碳的几种单质在结构、物理性质、用途上的差异
以单质学生存在的碳有金刚石、石墨、无定形碳、足球烯等。 下面介绍它们在结构和物理性质上的差异。
一、 结构：
1、 金刚石：金刚石晶体属立方晶系，是典型的原子晶体， 每个碳原子都以sp3杂化轨道与另外四个碳原子形成共价键，构 成正四面体。
2、 石墨：全部以sp2杂化轨道和邻近的三个碳原子形成三 个共价单键并排列成平面六角的网状结构，这些网状结构以范德 华力联成互相平行的平面，构成层片结构。
3、 无定形碳：无定形碳指木炭、焦炭、活性炭和炭黑等。 它们的内部结构并不是真正的无定形体，而是具有和石墨一样结 构的晶体，只是由碳原子六角形环状平面形成的层状结构零乱而 不规则，晶体形成有缺陷，而且晶粒微小，含有少量杂质。
4、 足球烯：C60（碳60简称为C60）分子是一种由60个碳 原子结合形成的稳定分子，它形似足球。具有60个顶点和32个 面，其中12个为正五边形，20个为正六边形，它形似足球，因 此又被称为足球烯。
二、 物理性质及其用途：
1、金刚石：纯净的金刚石是一种无色透明，在八面体形状 的固体，含有杂质的金刚石带棕、黑等颜色。开采岀来的金刚石 并没有宝石的外形和光彩，通过切割和磨光等工艺才能成为钻 22
石。
金刚石具有以下物理性质：①高热传导率，②低热膨胀系数, ③低摩擦系数，④高硬度，⑤在可见光和红外光下高透明性，⑥ 高折射系数，⑦化学和放射性惰性等。因此，它广泛应用于工业 和科研的特殊领域，例如，可作为切割工具、研磨料、不利环境 屮的热探头、放射性检出仪、压力敏感器、荧光显增器、光学窗、 微型机械元件，以及高密度、高能量电子元件等。
2、石墨：
① 石墨及其制品具有耐高温、高强度的性质，在冶金工业屮 主要用来制造石墨圮埸，在炼钢中常用石墨作钢锭Z保护剂，冶 金炉的内衬。
② 石墨具有良好的导电性。因此可用作制造电极、电刷、
碳棒、碳管、水银正流器的正极，石墨垫圈、电话零件，电视机 显像管的涂层等。
1、碳的单质（金刚石、石墨）的物理性质和用途
金刚石
石墨
外 观 无色透明正八面体状晶体 深灰色磷片状固体
光 泽 加工琢磨后有光泽 略有金属光泽
硬 度 最硬 软
导电性 无 良好
导热性 无 良好
用 途 钻探机钻头、刻刀、装饰品等 电极、铅笔芯、润滑剂等
注：由于碳原子排列方式不同，导致金刚石和石墨在物理性质上存在较大差异。
2、CO2和CO的比较
CO2 CO
物理性质 无色、无味气体，可溶于水，密度比空气大，干冰易吸热升华。 无色无味气体，难溶于水，密度与空气接近，略小于空气密度。
化学性质 可燃性 一般情况下既不能燃烧，也不支持燃烧。 有可燃性
2CO+O22CO2
还原性 没有还原性，有较弱的氧化性
C+CO22CO 有还原性
CO+CuOCu+CO2
与水反应 与水反应CO2+H2O===H2CO3 不能与水反应
与石灰水的反应 与石灰水反应
CO2+Ca(OH)2===CaCO3↓+H2O 不能与石灰水反应
毒性 无毒 有剧毒
主要用途 可制汽水，作制冷剂，灭火，气体肥料。 可作气体燃料和冶金工业的还原剂。
注：由于CO和CO2的分子构成不同，决定了二者性质的不同。
3、一氧化碳和单质碳性质的比较
C CO
相似点 都具有可燃性、还原性，常用作燃料和作还原剂冶炼金属
不同点 属于固体单质，常温下具有稳定性 属于气体化合物，具有毒性
4、实验室制取二氧化碳时需注意的几个问题
（1）正确选择制取二氧化碳的药品
实验室制取二氧化碳用大理石或石灰石（主要成分是碳酸钙）和稀盐酸。不用稀硫酸、浓盐酸代替稀盐酸，不用碳酸钠、纯净碳酸钙代替大理石或石灰石（要会分析原因）。 原因：
①用大理石或石灰石跟稀盐酸反应，速度适中，便于收集CO2气体；大理石或石灰石原料价低易得。
②不用稀硫酸与大理石反应的理由：刚开始二者反应生成微溶于水的硫酸钙覆盖在大理石的表面，阻止了酸与大理石的接触，使反应不能持续进行下去。
考点19 碳的几种单质
命题趋势
碳单质在中考中会结合碳单质的化学式或分子模型,考查微观构成和宏观组成及各种碳单质的物理性质及其用途之间的关系。在实验探究题和图框推断题中考查木炭还原氧化铜的反应原理或通过反应物的特点及实验现象推导反应。主要以选择题和填空题形式出现，有时也会出现在简答题中，有时结合其他知识点综合考查。涉及的命题点有：
①碳单质的物理性质和化学性质；
②几种碳单质物理性质存在较大差异的原因；
③碳单质的用途等。
考查重点
1. 单质碳的性质；
②碳单质物理性质存在较大差异的原因；
③碳单质的用途。
重点考向
考向一、碳单质的物理性质和用途
1.
金刚石、石墨和C60 名称 金刚石 石墨 C60
结构模型
色、态、形 无色透明、正八面体形状的固体 深灰色、有金属光泽而不透明的细鳞片状固体 形状似足球，又叫足球烯
硬度 天然存在的最硬的物质 质软，有滑腻感
导电性 不导电 具有良好的导电性 常温下不导电
用途 用作钻探机钻头、玻璃刀头、装饰品 制铅笔、用作电极材料、润滑剂等 有可能广泛应用于超导、催化、材料、医学及生物学等领域
区别与联系 都是由碳元素组成的单质，但是由于碳原子排列方式不同，因此它们的物理性质存在着明显差异
2. 木炭、活性炭、焦炭和炭黑
木炭、活性炭、焦炭、炭黑等物质的主要成分都是碳单质，它们的结构与石墨类似。
①木炭：具有疏松多孔的结构，有吸附性，常用于吸附色素和异味。
②活性炭：用于防毒面具、制糖、吸附色素和异味。
③焦炭：用于冶金工业。
④炭黑：常用于制造墨、油漆、颜料等。
易错警示
C60由分子构成，C60可以表示一个C60分子，每个分子由60个碳原子构成。
知识拓展
同素异形体
同素异形体是指由同样的单一化学元素组成，因排列方式不同，而具有不同性质的单质。同素异形体之间的性质差异主要表现在物理性质上，化学性质上也有着活性的差异。例如磷的两种同素异形体，红磷和白磷，它们的着火点分别是240和40摄氏度，但是充分燃烧之后的产物都是五氧化二磷；白磷有剧毒，可溶于二硫化碳，红磷（如制品不纯时可含少量黄磷，可致黄磷中毒，经常吸入红磷尘，可引起慢性磷中毒，遇明火、高热、摩擦、撞击有引起燃烧的危险，与溴混合能发生燃烧，与大多数氧化剂如氯酸盐、硝酸盐、高氯酸盐或高锰酸盐等组成爆炸性能十分敏感的化合物，燃烧时放出有毒的刺激性烟雾 。），却不溶于二硫化碳。同素异形体之间在一定条件下可以相互转化，这种转化是一种化学变化。 碳的同素异形体：金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管、石墨烯和石墨炔；
碳、硅单质及重要化合物的性质
1．C、Si单质的存在形态、物理性质及用途
(1)自然界中碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素因有亲氧性，所以仅有化合态。碳单质主要有金刚石、石墨、C60等同素异形体，硅单质主要有晶体硅和无定形硅两大类。
(2)单质的结构、物理性质与用途比较
碳 硅
结构 金刚石：空间网状结构
石墨：层状结构 晶体硅：与金刚石类似的空间网状结构
物理
性质 金刚石熔点高、硬度大
石墨熔点高、质软，有滑腻感 晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、硬度大、熔点高
用途 金刚石用作切割刀具，石墨用作电极、铅笔芯 晶体硅用作半导体材料、硅芯片和硅太阳能电池
2.碳、硅单质的化学性质
碳、硅在参与化学反应时，一般表现还原性。
3．二氧化碳和二氧化硅的比较
物质 二氧化硅 二氧化碳
结构 空间立体网状结构，不存在单个分子 存在单个CO2分子
主要物
理性质 硬度大，熔、沸点高，常温下为固体，不溶于水 熔、沸点低，常温下为气体，微溶于水
化
学
性
质 ①与水
反应 不反应 CO2＋H2OH2CO3
②与酸
反应 只与氢氟酸反应：
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O 不反应
③与碱
反应 SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O(盛碱液的试剂瓶用橡胶塞) CO2少量：CO2＋
2NaOH===Na2CO3＋H2O、
CO2过量：CO2＋
NaOH===NaHCO3
④与盐
反应 如与Na2CO3反应：SiO2＋Na2CO3=====高温Na2SiO3＋CO2↑ 如与Na2SiO3反应：Na2SiO3＋H2O＋CO2(不足)===H2SiO3↓＋Na2CO3或Na2SiO3＋2H2O＋2CO2(足量)===H2SiO3↓＋2NaHCO3
⑤与碱
性氧化
物反应 如与CaO反应：SiO2＋
CaO=====高温CaSiO3 如与Na2O反应：Na2O＋
CO2===Na2CO3
用途 光导纤维、光学仪器、电子部件 制饮料、制碳酸盐
