碳和碳的氧化物 | 自在学

碳和碳的氧化物

木炭能点燃取暖，铅笔能书写记录，钻石能切割玻璃——这三种看似毫不相关的物质，其实都是由同一种元素构成的：碳（C）。碳是自然界中最神奇的元素之一，它能以多种截然不同的形式存在，性质差异极大。更重要的是，碳与氧结合生成的两种气体——一氧化碳和二氧化碳，与人类的生产生活密切相关，一个是“无声的杀手”，一个是“温室的推手”，但二者都在工业生产中发挥着不可替代的作用。

碳的单质

碳的单质有多种形式，化学上称之为“同素异形体”。同一种元素因原子排列方式不同，形成了性质截然不同的物质。

金刚石是自然界中硬度最大的天然物质，能划破几乎所有材料；而石墨却柔软滑腻，用手摸一下就会留下灰色痕迹。这两种物质都是纯粹的碳，却因原子的排列结构不同，性质相差如此之大。

“铅笔”里其实没有铅，铅笔芯的主要成分是石墨与黏土的混合物。石墨越多，笔芯越软（如 6B）；黏土越多，笔芯越硬（如 6H）。历史上人们最初误以为石墨是铅的一种，“铅笔”这个名称就这样沿用至今。

活性炭的吸附性

活性炭是经过特殊加工的炭，内部有大量细小的孔隙，表面积极大——1 克活性炭的总表面积可以超过 1000 平方米。正因为如此，活性炭能将气体、液体中的色素、异味分子大量吸附到自身表面，起到净化作用。

防毒面具中的活性炭滤芯，就是利用这种吸附性过滤有毒气体；自来水厂净水的最后一道工序，同样要经过活性炭过滤；家用冰箱除味盒中放的也是活性炭。

活性炭的吸附是物理变化，不是化学变化。被吸附的物质只是附着在炭的表面，并没有发生化学反应。当活性炭吸附饱和后，就会失去净化效果，需要及时更换。

碳的化学性质

碳在常温下化学性质相当稳定，不容易与其他物质反应，这也是古代书画历经千年仍清晰可见的原因——墨汁的主要成分就是碳。但在高温条件下，碳的化学活性大幅增强，能与多种物质发生反应。

可燃性

碳在氧气充足时燃烧，生成二氧化碳；在氧气不足时，则生成一氧化碳。

氧气充足时：

$C + O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} CO_2$

氧气不足时：

$2C + O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2CO$

木炭在空气中的燃烧并不剧烈，但在纯氧中能发出耀眼的白光，这正是碳的可燃性的直观体现。

还原性

碳在高温下能夺取某些金属氧化物中的氧，使金属氧化物被还原为金属单质，这种能力称为“还原性”。工业冶炼金属时，焦炭（主要成分为碳）被广泛用于还原氧化铁、氧化铜等金属氧化物。

碳还原氧化铜的反应方程式：

$2CuO + C \xrightarrow{\text{高温}} 2Cu + CO_2 \uparrow$

碳还原氧化铁（高炉炼铁中的简化反应）：

$2Fe_2O_3 + 3C \xrightarrow{\text{高温}} 4Fe + 3CO_2 \uparrow$

例题

实验室将过量的木炭粉与氧化铜混合，在高温下充分反应。已知反应为 $2CuO + C \xrightarrow{\text{高温}} 2Cu + CO_2\uparrow$ ，现取 16 g 与足量碳反应，求理论上可以得到铜的质量。

（相对原子质量： $Cu = 64$ ， $O = 16$ ， $C = 12$ ）

解： $CuO$ 的相对分子质量为 $64 + 16 = 80$ 。

设生成铜的质量为 $x$ ：

$\frac{16\,\text{g}}{2 \times 80} = \frac{x}{2 \times 64}$

$x = \frac{16 \times 128}{160} = 12.8\,\text{g}$

答：理论上可以得到铜 12.8 g。

二氧化碳的性质

二氧化碳（ $CO_2$ ）是空气中含量约为 0.04% 的气体，虽然浓度很低，却在地球气候调节、植物光合作用中扮演着关键角色。实验室里，二氧化碳是最常被研究和制备的气体之一。

例题

将一瓶收集满 $CO_2$ 的矿泉水瓶，倒入约三分之一体积的石灰水，立即拧紧瓶盖并剧烈摇晃，观察到瓶子明显变瘪，同时石灰水变浑浊。请解释这两个现象。

解：摇晃时， $CO_2$ 被石灰水迅速吸收，发生反应 $CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O$ ，瓶内气体大量减少，气压降低，外部大气压大于瓶内气压，瓶子被大气压“压瘪”。同时，反应生成了难溶于水的白色沉淀，使石灰水由澄清变浑浊。

澄清石灰水变浑浊是检验 $CO_2$ 气体存在的经典方法，必须记牢。但要注意，过量 $CO_2$ 通入石灰水后，浑浊的溶液又会变澄清，这是因为 $CaCO_3$ 与多余的和水继续反应，生成了可溶性的碳酸氢钙。

二氧化碳的制备与收集

实验室中制备 $CO_2$ ，通常用稀盐酸与石灰石（或大理石，主要成分均为 $CaCO_3$ ）在常温下反应：

$CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$

$CO_2$ 不能用排水法收集，因为 $CO_2$ 能溶于水，用排水法会导致大量气体损失，收集不到足量的 $CO_2$ 。

二氧化碳的用途

$CO_2$ 的诸多性质决定了它在工业和日常生活中有广泛的用途。

一氧化碳的性质

一氧化碳（ $CO$ ）和二氧化碳只差一个氧原子，性质却截然不同。 $CO$ 是一种极危险的有毒气体，同时也是重要的工业燃料和还原剂。

物理性质

颜色与气味：无色无味
密度：与空气接近（略小于空气）
溶解性：难溶于水
毒性：极毒，空气中浓度达 0.04% 即可引发中毒

$CO$ 无色无味，人体无法靠嗅觉感知其存在。 $CO$ 与血红蛋白的结合能力是氧气的 200 多倍，一旦大量吸入，血红蛋白便无法再携带氧气，导致全身细胞缺氧，严重时迅速死亡。这就是“煤气中毒”的化学本质。冬天使用燃煤炉时，务必保持室内通风。

化学性质

$CO$ 具有三种重要的化学性质：

例题

实验室用 $CO$ 还原 $CuO$ ，将 $CO$ 气体通入装有 $CuO$ 的玻璃管，同时在管口点燃尾气。

（1）请写出 $CO$ 还原 $CuO$ 的化学方程式。

（2）为什么必须在管口点燃尾气，而不能直接排放到空气中？

解：

（1） $CO$ 还原 $CuO$ 的化学方程式：

$CuO + CO \xrightarrow{\text{高温}} Cu + CO_2$

（2）尾气中含有未完全反应的 $CO$ 。 $CO$ 有毒，若直接排入空气会污染环境并危害人体健康。在管口点燃尾气，使 $CO$ 完全燃烧转化为无毒的 $CO_2$ ，可消除污染。这种处理方式叫“尾气处理”或“尾气燃烧”。

一氧化碳与二氧化碳的比较

$CO$ 和 $CO_2$ 都是碳的氧化物，组成元素相同，但性质差异极大，是化学学习中最典型的“相似元素，不同物质”案例。

区分 $CO$ 和 $CO_2$ 最简便的方法：将气体通入澄清石灰水，变浑浊的是 $CO_2$ ；将气体点燃，能发出蓝色火焰的是 $CO$ 。在实际检验中，先通石灰水确认无后，再点燃检验，这样更为严谨。

$CO$ 转化为 $CO_2$ 的两条路径

路径一：燃烧（加氧气）

$2CO + O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2CO_2$

路径二：还原金属氧化物（夺走金属氧化物中的氧）

$CuO + CO \xrightarrow{\text{高温}} Cu + CO_2$

$CO_2$ 转化为 $CO$ 的路径（碳在高温下还原 $CO_2$ ）

$CO_2 + C \xrightarrow{\text{高温}} 2CO$

这一反应在高炉炼铁中实际上也会发生，是高炉内生成大量 $CO$ 的重要途径之一。

练习题

选择题

题目一（知识点：碳的单质性质）

下列关于金刚石和石墨的说法，正确的是（　　）

A. 金刚石和石墨都是由碳元素组成的，化学性质完全相同，物理性质也相同

B. 金刚石是自然界中硬度最大的天然物质，可以用来切割玻璃；石墨质软，常用作铅笔芯

C. 金刚石能导电，石墨不能导电，所以石墨常用作电极

D. 金刚石和石墨是同一种物质，只是形状不同

答案：B

解析：金刚石和石墨都由碳元素组成，化学性质相似，但因碳原子排列结构不同，物理性质差异极大，A 错误；B 正确，金刚石硬度极大，石墨质软，均符合事实；C 错误，金刚石不导电，石墨是良导体，正因为石墨导电，才用作电极，C 的叙述前后颠倒；D 错误，金刚石和石墨是碳的两种同素异形体，是不同的物质。

题目二（知识点：二氧化碳的性质与检验）

下列实验操作或现象的描述，正确的是（　　）

A. 向澄清石灰水中通入 $CO$ 气体，石灰水变浑浊，说明有 $CO_2$ 存在

B. 将燃烧的木条伸入一瓶气体中，木条熄灭，说明瓶中一定是 $CO_2$

C. 将 $CO_2$ 通入紫色石蕊试液中，溶液变红，说明 $CO_2$ 具有酸性

D. 向澄清石灰水中通入 $CO_2$ ，石灰水变浑浊，证明气体中含有 $CO_2$

答案：D

解析：A 错误， $CO$ 不与石灰水反应，通入 $CO$ 石灰水不会变浑浊；B 错误，能使木条熄灭的气体不一定是 $CO_2$ ，氮气、稀有气体等也能使木条熄灭；C 错误， $CO_2$ 本身没有酸性，是与水反应生成的碳酸使石蕊变红，属于酸性氧化物，不能说其本身“具有酸性”；D 正确，与反应生成白色沉淀，使石灰水变浑浊，是检验的标准方法。

题目三（知识点：一氧化碳的性质）

下列关于一氧化碳的说法，不正确的是（　　）

A. $CO$ 是一种有毒气体，无色无味，不易察觉，极其危险

B. $CO$ 在空气中点燃后，发出蓝色火焰，生成 $CO_2$

C. $CO$ 的密度比空气大，所以煤气中毒时应向低处逃生

D. $CO$ 在高温下能将 $CuO$ 还原为 $Cu$ ，体现了 $CO$ 的还原性

答案：C

解析：A 正确， $CO$ 确实无色无味，不易被察觉；B 正确， $CO$ 点燃发蓝色火焰，生成 $CO_2$ ；C 错误， $CO$ 的密度与空气接近，略小于空气，不会大量沉积于低处。发生煤气泄漏时应开窗通风，迅速离开室内，不存在“向低处逃”的说法（这个逃生建议适用于密度大于空气的气体，如液化石油气）；D 正确， $CO$ 还原 $C u O$ 是其还原性的体现。

题目四（知识点：碳和碳的氧化物之间的转化）

下列关于碳及其氧化物的转化关系，说法正确的是（　　）

A. 碳在充足氧气中燃烧只能生成 $CO_2$ ，在不足氧气中只能生成 $CO$ ，两者不可能同时生成

B. $CO_2$ 通过与碳在高温下反应，可以转化为 $CO$

C. $CO$ 通入澄清石灰水后，石灰水变浑浊，说明 $CO$ 已转化为 $CO_2$

D. $CO_2$ 与 $NaOH$ 溶液反应会生成气泡，溶液变浑浊

答案：B

解析：A 错误，实际燃烧中氧气不足时，两者往往同时生成；B 正确， $CO_2 + C \xrightarrow{\text{高温}} 2CO$ 是转化为的路径；C 错误，不与石灰水反应，通入后石灰水不变浑浊，不能说明转化为了；D 错误，与溶液反应生成和水，无气泡产生，溶液也不变浑浊（可溶于水）。

计算题

题目五（知识点：根据化学方程式进行质量计算）

工业高炉炼铁时， $CO$ 在高温下还原氧化铁（ $Fe_2O_3$ ），反应方程式为：

$Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{\text{高温}} 2Fe + 3CO_2$

现有 $160\,\text{g}$ 的 $Fe_2O_3$ 与足量 $CO$ 在高温下充分反应，计算：

（1）理论上可以得到铁（ $Fe$ ）的质量；

（2）同时生成 $CO_2$ 的质量。

（相对原子质量： $Fe = 56$ ， $O = 16$ ， $C = 12$ ）

解题过程：

$Fe_2O_3$ 的相对分子质量： $56 \times 2 + 16 \times 3 = 160$

题目六（知识点：实验室制备 $CO_2$ 的质量计算）

实验室用石灰石（主要成分为 $CaCO_3$ ，假设杂质不参与反应）与足量稀盐酸反应制备 $CO_2$ ，反应方程式为：

$CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$

现取含 $CaCO_3$ 质量分数为 $80\%$ 的石灰石样品 $25\,\text{g}$ ，与足量稀盐酸充分反应，计算最多能收集到 $CO_2$ 的质量。

（相对原子质量： $Ca = 40$ ， $C = 12$ ， $O = 16$ ， $H = 1$ ， $Cl = 35.5$ ）

解题过程：

样品中 $CaCO_3$ 的质量：

$m(CaCO_3) = 25\,\text{g} \times 80\% = 20\,\text{g}$

CO_2

CuO