化学相关:碳与碳的氧化物

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(注:前期内容只涉及到初中化学内容,所以部分内容的缺失实属正常。)

我们知道,丰富多彩的物质世界是由元素组成的。例如氧气是由氧元素组成的,水是由氢、氧两种元素所组成的,氢气是由氢元素组成的。不同的元素组成不同的物质。而在物质世界中也存在由同一种元素组成的不同物质。这篇文章,我们将要走进由碳元素组成的不同物质的世界。

一、碳的单质

一说到碳,我们就会想到一堆黑不溜秋的东西。但是金刚石由碳组成,无色透明,经过研磨之后就是钻石——璀璨夺目,通常还很贵。

1、金刚石

纯净的金刚石是无色透明、正八面体形状的固体。天然采集到的金刚石经过仔细研磨后,可以成为钻石——璀璨夺目的装饰品(虽然就是碳)。金刚石可以用来裁玻璃、切割大理石、加工坚硬的金属,以及装载钻探机的钻头上,钻凿相应的岩层。好好的碳怎么就成了如此坚硬的钻石呢?原来,金刚石的微观结构是一种立体的网状结构(正四面体结构)。每个碳原子之间的作用力都很强,没有自由电子,因此其硬度大,熔点高,不导电。实际上,它是天然存在的最硬的物质。

sp3杂化轨道就是比你们高级。

在钻石晶体中,碳原子按四面体成键方式互相连接,组成无限的三维骨架,是典型的原子晶体。每个碳原子都以sp3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键,构成正四面体。由于钻石中的C-C键很强,所以所有的价电子都参与了共价键的形成,没有自由电子,所以钻石不仅硬度大,熔点极高,而且不导电。 引用自百度百科

2、石墨

石墨是一种深黑色的有金属光泽而不透明的细鳞片状固体。石墨的原子结构与金刚石完全不一样,它是层状的,每层之间的作用力都很弱(范德瓦尔斯力),因此可以近乎自由滑动,可以用作润滑剂。一层中的六个原子之间组成一个正六边形的结构,而因为石墨中每个碳原子只连接三个碳原子(共价键是什么暂且不提),所以每个碳原子仍然保留1个自由电子来传输电荷,即导电性好。因而石墨可以用来当作铅笔的笔芯、润滑剂、电极、电刷。

3、C60

科学家发现,除金刚石、石墨以外,还有一类新的以单质形式存在的碳。其中发现较早并已在研究中取得重要进展的是\rm C_{60}。每个这种分子是由60个碳原子构成的。每个这种分子形似足球,所以也被称为足球烯,巴基球。

4、无定型碳

自然界还存在着无定形碳。例如:

  • 木炭
  • 活性炭
  • 炭黑
  • 焦炭

(一般地,碳表示纯净物,炭就是混合物)

木炭可以用来做燃料,可以用来吸附色素异味。活性炭的效果更好一些,可以用来制作防毒面具,作冰箱的除味剂,用来净水,防止装修污染。炭黑就是蜡烛火焰中出来的黑烟。它可以用来做炭素墨水,鞋油,作橡胶制品的耐磨剂(轮胎黑乎乎的原因)。焦炭可以用来冶炼金属。

以上这些碳单质化学性质都是相同的,但是物理性质不一样。这是因为碳原子排列方式不同。由于以上物质是不同的物质,所以,由以上某种物质,变成另一种物质的过程是化学变化。

二、单质碳的化学性质

在常温下,碳的化学性质不活泼。光,空气,水,都不能使它产生变化。

温度升高时,碳就不那么稳定了。木炭在空气中充分燃烧会生成二氧化碳,不完全燃烧则生成一氧化碳,并且放热。

\rm C+O_2\overset{Fire}{=\!=\!=}CO_2

\rm 2C+O_2\overset{Fire}{=\!=\!=}2CO

碳还可以与部分氧化物反应。

把刚烘干的木炭粉末和氧化铜粉末混合均匀,小心地铺放进试管,并将试管固定在铁架台上,试管口装有通入澄清石灰水的导管。用酒精灯(加上网罩以集中火焰提高温度,当然最好用酒精喷灯)加热混合物,等待几分钟。然后先撤出导管,带试管冷却后,再把试管里的粉末倒在纸上。我们发现,黑色粉末(原本的氧化铜粉末也是黑色的)变红(铜单质是紫红色/红色的),澄清石灰水变浑浊。

反应方程式如下。

\rm 2CuO+C\overset{High\;temperature}{=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=}2Cu+CO_2\uparrow

在这个反应里,氧化铜失去氧而变成单质铜。这种含氧化合物里的氧被夺去的反应叫做还原反应。木炭可以使氧化铜还原成铜,即具有还原性。同样,碳也可以还原氧化铁。

\rm 2Fe_2O_3+3C\overset{High\;temperature}{=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=}4Fe+3CO_2\uparrow

此外,高温条件下,碳也可以还原二氧化碳。这是初中阶段唯一需要掌握的吸热的反应。

\rm CO_2+C\overset{High\;temperature}{=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=}2CO

三、制取二氧化碳

我们学习了如何制取氧气。先回忆一下,再往下看。

在实验室里,二氧化碳常用稀盐酸与大理石(或者石灰石等主要成分为碳酸钙的物质)反应来制取。化学方程式如下。

\rm CaCO_3+2HCl=\!=\!=CaCl_2+H_2O+CO_2\uparrow

这个方程式的记忆不需要死记硬背。首先,这个反应的第一步其实是这样的。

\rm CaCO_3+2HCl=\!=\!=CaCl_2+H_2CO_3

\rm HCl\rm H\rm CaCO_3中的\rm Ca互换位置,再根据化合价书写化学式。碳酸(\rm H_2CO_3)很不稳定,会分解成二氧化碳和水。但同样的,二氧化碳和水会生成少量的碳酸。

\rm H_2CO_3=\!=\!=H_2O+CO_2\uparrow

\rm CO_2+H_2O=\!=\!=H_2CO_3

总的化学方程式结合一下就好了。

这个反应可以用于除水垢(可以使用食醋来代替\rm HCl),因为生成物氯化钙易溶于水,水垢(主要成分也是碳酸钙)不溶于水,于是水垢就可以轻松地移除了。

反应的大致原理我们讲完了。现在我们来想一下到底怎么做这个实验。

首先考虑反应物的状态以及反应的条件。反应物是固体和液体,而条件没有做限制,即常温。所以选择“固液常温型”仪器。准备一个试管足够,但是我们想要大量地制取并收集的话,就得再做改进。将试管替换成锥形瓶,橡胶塞换成双孔的,插入长颈漏斗/分液漏斗,导管另一端的收集装置就有一点烦人了。

二氧化碳能溶于水,一体积的水中常温下可以溶解一体积的二氧化碳。但是,二氧化碳的逸出速率大于溶解速率,所以保险起见我们可以使用万能瓶(有橡胶塞的,双孔中插入两个导管的集气瓶,一般导管下端一短一长)的排水法来防止二氧化碳溶于水,只需要在水上放一层植物油即可,但是直接使用排水法在现实中一般不会有太大问题。

这里再补充一点,气体的密度可以用其相对分子(稀有气体等原子气体则是原子)质量比较,大的密度比小的密度大。空气的”相对分子质量”平均来说是29,而二氧化碳的相对分子质量为44,所以可以使用向上排空气法收集。

再再补充一点,通过一定手段可以控制反应的发生与停止,详情可以了解”启普发生器”。

然后实验步骤请自己设计,肯定不是我懒得写。检查气密性,装药品先固后液,燃着木条验满,就提醒这几点。

当然,为什么非得是这个反应呢?不选别的吗?

碳的燃烧?

才说过氧气浓度低的时候会生成一氧化碳,这会使二氧化碳不纯。

碳还原氧化铜?

反应条件是高温,但实际上酒精灯加网罩的温度并不高。浪费能源,条件也苛刻,不选。

碳酸钠与盐酸?

反应方程式如下。

\rm Na_2CO_3+2HCl=\!=\!=2NaCl+H_2O+CO_2\uparrow

它们反应,而且现象也很明显,似乎也很合适。但是你刚丢,这边就反应完了。反应速率太快,不好收集。如果一定要用的话,使用分液漏斗,而且开关要开小一点。

碳酸钙和稀硫酸?

反应方程式如下。

\rm CaCO_3+H_2SO_4=\!=\!=CaSO_4+H_2O+CO_2\uparrow

这一次,刚冒个泡就停了。在部分材料当中,会有部分物质的溶解性表。查阅可得,硫酸钙微溶于水。什么意思呢?我们知道,反应在碳酸钙的表面进行。就是生成的硫酸钙,很小的一部分会扩散到溶液中,大部分都留在了碳酸钙表面上,把它包上了。固液分离,停止反应。但是还好是微溶于水,我们在反应的时候振荡反应容器就不会发生这个现象了。或者,你可以把碳酸钙磨成细粉,这样硫酸钙刚想包上,碳酸钙早反应完了,没东西可以包住。

碳酸钙与浓盐酸?

似乎把盐酸的浓度加大了也没关系对吧。

错了。浓盐酸的性质不太一样。浓盐酸有挥发性,也就是,会跑出氯化氢气体。这样,生成的二氧化碳就会混有氯化氢气体,不纯。加水稀释浓盐酸可以解决这个问题。

高温煅烧石灰石?

实验室做不到高温。

不过,工业上就是这么制取的。石灰石高温下会自己分解,变成生石灰(\rm CaO)和二氧化碳,也就是说,二氧化碳是副产物。反应表达式如下。

\rm CaCO_3\overset{High\;temperature}{=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=\!=}CaO+CO_2\uparrow

四、二氧化碳与水

我们补充一点东西吧。

后期要学的酸与碱中,会学到一种东西:石蕊。它遇酸变红。石蕊也溶于水,会变成紫色石蕊溶液。

雪碧中的气泡是二氧化碳我们都知道。雪碧有水我们也知道。雪碧的气体通到石蕊溶液中,会让石蕊变红。是什么让它变红了呢?

把水滴加到干燥的石蕊上,不变色。把干燥石蕊纸花放入干燥的二氧化碳中,也不变色。只有都存在时,才会变红。这说明水与二氧化碳结合在一起会有酸性,说不定就是酸。

结论就是上文提到的,水与二氧化碳反应生成碳酸。

但是加热刚刚的试管,就是最后实验的那只,会发现又变紫了。这说明没有碳酸了。也就是,碳酸不稳定容易分解。

二氧化碳可以当作气体肥料(原理参见生物书),液态二氧化碳可以灭火。干冰可以人工降雨。

五、一氧化碳

一氧化碳是一种无色无味的气体,密度比空气略小,难溶于水。由以上可知,收集一氧化碳时不可以使用排空气法,应该使用排水法。

一氧化碳具有毒性。一氧化碳会与血液中的血红蛋白结合,导致红细胞无法运送氧气。

一氧化碳具有可燃性。反应方程式如下。

\rm 2CO+O_2\overset{Fire}{=\!=\!=}2CO_2

一氧化碳燃烧时,产生蓝色火焰,放热。可燃气体使用前需要验纯。

一氧化碳也具有还原性。在玻璃管内平铺黑色的氧化铜粉末,通入一氧化碳一段时间以后,加热。观察到,黑色粉末变成光亮的红色,玻璃管另一端若连接着澄清石灰水,它会变浑浊。

由于一氧化碳有毒性,从澄清石灰水中出来的气体需要进行无害化处理,比如直接点燃。

实验中,一氧化碳需要遵循“早出晚归”的原则,也就是反应开始前要通入一氧化碳,反应完了也不能立即停止通入一氧化碳。

反应方程式如下。

\rm CO+CuO\overset{\Delta}{=\!=\!=}Cu+CO_2

氢气也可以还原氧化铜。方程式自己写。

下一期讲燃料。

Lake桑

2019.2.2

发布者

lakejason0

日常潜水~ Blog:https://lakejason0.wordpress.com

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