课题1 金刚石石墨和C60.docx

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课题1金刚石石墨和C60

第六单元碳和碳的氧化物

课题1金刚石、石墨和C60

本课题包括两部分。

第一部分介绍碳单质，主要介绍了金刚石、石墨的重要物理性质和C60分子的结构特点。

在介绍石墨的同时又穿插介绍了木炭、活性炭的吸附性及其用途，使学生树立性质决定用途，用途体现结构的观点。

第二部分通过学生回顾复习引出碳的一个重要化学性质;在加热条件下与氧气反应，又通过活动探究理解了碳能与某些氧化物反应，并能根据实验现象书写化学方程式，分析化学反应的特点后又总结出了还原反应的概念。

教学目标

1．知识与技能

（1）了解金刚石和石墨的物理性质和用途。

（2）知道碳单质的化学性质。

（3）知道不同元素可以组成不同的物质，同一种元素也可以组成不同的物质。

2．过程与方法

（1）会对展示或演示的资料分析、归纳。

（2）能认真观察实验现象，并会对现象分析归纳，总结出重要的知识点。

3．情感态度与价值观

（1）以发展的观点看待碳的单质。

（2）树立物质的性质决定用途的观点。

教学重点

碳单质的化学性质。

教学难点

碳跟某些氧化物的反应。

教学方法

观察;总结。

实验探究;归纳。

教具准备

教师用具：

金刚石、石墨、C60分子模型、玻璃刀、6B铅笔芯、干电池、石墨电极、投影仪、电视媒体、防毒面具、导线、灯泡。

学生用具：

（1）仪器：

小锥形瓶、试管（大小各1个）、铁架台、酒精灯、网罩、带导管的塞子；

（2）药品：

红墨水、烘烤过的木炭（活性炭）、木炭粉、CuO粉末、澄清石灰水。

课时安排

1课时

教学过程

[板书]课题1金刚石、石墨和C60

[引言]我们知道不同元素可以组成不同物质，那么，同种元素可以组成不同物质吗?

[展示]金刚石，石墨、C60分子模型

[介绍]金刚石、石墨、C60都是由碳元素组成的单质。

[教师]你能得到什么结论?

[学生总结]同种元素可以组成不同的物质。

[引导]观察金刚石样品，试描述有关物理性质。

[学生观察、讨论、总结]无色透明、正八面体形状。

[展示]玻璃刀

[介绍]刀头上镶有金刚石，用它来裁玻璃。

[设问]你想到了什么?

[学生发言]金刚石很硬，所以可用来裁玻璃。

[板书]一、碳的单质

1．金属石很硬，可用来切割玻璃。

[介绍]金刚石经仔细琢磨后，可以成为璀璨夺目的装饰品��钻石，它的价格比金刚石还高，现在带钻戒的人越来越多，说明人们的生活水平越来越高。

[引导]观察石墨样品，试描述有关物理性质。

[学生观察描述]深灰色、有金属光泽、不透明、细鳞片状固体。

[引导]用手触摸一下石墨，有何感觉?

[学生]石墨很软、有滑腻感。

[介绍]由于石墨很软，所以常用石墨作铅笔芯，但由于太软，光用石墨作笔芯，既易断又易磨损，因此生产上常在石墨粉末中掺进一些粘土粉以增加硬度。

最软的铅笔是6B，最硬的铅笔是6H，HB铅笔则软硬适中。

[演示实验]把一根6B的铅笔芯和导线连接在一起，接上电池和灯泡，接通电源后，观察

灯泡是否发亮。

[学生观察]灯泡发亮。

[设问]看到这个现象，你想到了什么?

[学生讨论回答]石墨有良好的导电性。

[展示]干电池中的石墨电极。

[教师]石墨有良好的导电性，所以在生活中用途很广。

试总结石墨的重要性质。

[学生]石墨很软、有良好的导电性。

[板书]2．石墨很软、有良好的导电性。

[介绍]生活中常接触到的木炭、活性炭、焦炭、炭黑，这些都是由石墨微小晶体和少量杂质构成的。

其中木炭、活性炭用途很广，你想知道它们有什么性质吗?

[活动探究]在盛有半瓶水的小锥形瓶里，加入一滴红墨水，使水略显红色。

投入几块烘烤过的木炭（或活性炭），轻轻振荡，观察现象。

[学生活动]

[交流]我们可以看到淡红色的水颜色褪去。

[教师]木炭具有疏松多孔的结构，表面积大，具有较强的吸附性。

另外活性炭的吸附性

更强。

[板书]3．木炭、活性炭有强吸附性。

[设问]利用这一性质，活性炭会有什么用途?

[学生发言]1．防毒面具里的滤毒罐就是利用活性炭来吸附毒气的；

2．冰箱的除味剂；

3．制糖工业的脱色剂。

[展示]防毒面具

[讨论]结合金刚石、石墨和木炭的性质和用途，讨论物质的性质和用途之间有什么关系。

[结论并板书]4．性质

用途

[教师]随着科技的发展，新形态的碳单质逐渐被人们发现，其中取得重要进展的是C60分子，另外还有碳管。

[展示]C60分子模型

[投影]

[介绍]这是一个C60分子，它由60个碳原子构成，分子形似足球，又名足球烯。

[设问]上面我们认识了三种碳的单质，它们的性质类似吗?

[学生回答]性质各不相同。

[总结并板书]5．不同元素可以组成不同的物质，同一种元素也可以组成不同的物质。

如：

金刚石、石墨、C60都是由碳元素组成的单质，但它们的物理性质各不相同，是因为碳原子排列方式不同。

[过渡]在了解了单质碳物理性质后，本节课重点了解碳的化学性质。

[板书]二、碳的化学性质

[投影]资料：

我国古代一些书法家、画家用墨书写或绘制的字画能保存很长时间而不变色。

[设问]这说明了什么?

[学生讨论回答]常温下，碳的化学性质不活泼。

[板书]1．常温下，碳的化学性质不活泼。

[设问]若升高温度，又如何呢?

[回顾提问]写出木炭在氧气中充分燃烧时的化学方程式。

[学生板演]C+O2

CO2

[介绍]当碳不充分燃烧时，生成一氧化碳。

[总结板书]2．高温下，碳能跟多种物质反应。

（1）跟氧气反应：

C+O2

CO2（充分燃烧）

2C+O2

2CO（不充分燃烧）

[引导]碳在高温时还有重要的性质。

[活动与探究]把经过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（如图），用酒精灯（可加网罩以使火焰集中并提高温度）加热混合物几分钟。

然后先撤出导气管，待试管冷却后再把试管里的粉末倒在纸上。

观察现象并分析。

[学生活动]

[交流]现象：

澄清石灰水变浑浊，试管粉末中有红色物质。

分析得产物为二氧化碳、铜。

[设问]上述反应的反应物、生成物、条件都已确定，你能写出反应的化学方程式吗?

[学生板演]

[板书]

（2）跟某些氧化物反应

2CuO+C

2Cu+CO2↑

[分析]从分子组成上看CuO转变为Cu，发生了什么变化?

是谁导致了这种变化?

[讨论回答]CuO转变为Cu失去了氧，是碳夺走了CuO中的氧。

[讲解并板书]3．还原反应：

含氧化合物里的氧被夺去的反应。

还原性：

能夺走含氧化合物里氧的物质具有还原性。

[练习]焦炭在工业上可用来炼铁：

2Fe2O3+3C

4Fe+3CO2↑

请问：

这个反应是否是还原反应?

若属于还原反应，哪种物质具有还原性?

[回答]此反应是还原反应，其中碳具有还原性。

[介绍]工业上常利用碳的还原性，制取多种金属。

[反思]通过本节课的学习，你有何收获?

[小结]本节课我们学习了碳的单质。

首先认识了几种不同的碳单质，并了解了它们重要的物理性质和用途。

然后重点分析总结了碳的化学性质，最后总结出了还原反应及还原性的概念。

[作业]习题2、3、4，家庭实验2。

板书设计

课题1金刚石、石墨和C60

一、碳的单质

1．金刚石很硬，可用来切割玻璃。

2．石墨很软，有良好的导电性。

3．木炭、活性炭有强吸附性。

4．性质

用途

二、碳的化学性质

1．常温下，碳的化学性质不活泼。

2．高温下，碳能跟多种物质反应。

（1）跟氧气反应：

C+O2

CO2（充分燃烧）

2C+O2

2CO（不充分燃烧）

（2）跟某些氧化物反应，2CuO+C

2Cu+CO2↑

3．还原反应：

含氧化合物内的氧被夺去的反应。

还原性：

能夺走含氧化合物里氧的物质具有还原性。

备课资料

1．C60的结构

C60以60个碳原子作为顶点，组成一个32面体。

其中12个面是五边形，20个面是六边形，正好是一个削20面体的每个顶点，像足球一样的多边形体，在这样的分子中，每个碳原子都满足sp2杂化轨道的要求，与其他三个碳原子相连，等价地组成一个五元环和两个六元环。

由于它具有这种特殊结构，因此现在更形象地称它为足球烯（footballene，soccerballene）。

2．硬度计

鉴定矿物相对硬度的标准��摩氏硬度计，由德国矿物学家摩氏（FriedrichMohs，1773～1839）在1822年提出，故名。

它是由十种常见的矿物组成，按其本身硬度依次（从小到大）排列：

（1）滑石；

（2）石膏；（3）方解石；（4）萤石；（5）磷灰石；（6）长石；（7）石英，（8）黄玉，（9）刚玉；（10）金刚石。

鉴定时可在未知矿物上选一平滑面，用上列已知矿物的一种加以刻画。

如果在未知矿物面上留下刻痕，则表示已知硬度比未知矿物高；如相反，则未知矿物在已知矿物面上留下刻痕。

如此依次试验，即可求得未知矿物的相对硬度。

如果把十种矿物名称做些简化，并断成三句韵语如：

“滑、膏、方，萤、磷、长，石英、黄玉、刚、金刚。

”这样整理后，念起来上口，便于记忆。

3．防毒面具

防毒面具主要分面罩、呼吸管和滤毒罐三部分。

面罩是橡皮和橡皮布制成的，上有眼镜，在鼻口处有二通道，一接吸气管，受入气活瓣的控制（只能吸气不能呼气）；另一通道呼出气体，受吐气活瓣控制（只能排气不能进气）。

滤毒罐里起主要作用的有活性炭层、化学吸收剂层和防烟滤层，在不同滤毒罐里各层排列顺序不尽相同。

4．碳的发现

发现人：

不详。

发现年代：

不详。

发现过程：

古代即被发现。

元素描述：

碳可以形成数量极多的同素异形体和化合物，它的同素异形体主要有结晶形的石墨、金刚石和无定形碳（微晶形碳）；由它形成的有机物数量庞大，是形成动植物的重要元素之一。

单质碳是一种相当惰性的物质，不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂。

但加热时，可以与氧生成一氧化碳或二氧化碳；热的氧化剂如浓硝酸和浓H2SO4可将碳氧化。

高温时，许多金属和碳能发生作用，生成金属碳化物；是钢铁和某些其他合金中的重要组成部分；卤素中只有氟能与单质碳作用。

元素来源：

在天然气和石油中，碳以烃类化合物存在；在大气中以CO2形式出现；动植物体中都含碳元素；岩石矿物中以碳酸盐的形式存在，如石灰石（CaCO3）和孔雀石〔CuCO3·Cu（OH）2〕等。

元素用途：

是化工、冶金工业方面的重要的原料。

元素辅助资料：

碳是自然界中分布相当广泛的元素之一。

自然界中以游离状态存在的碳有金刚石、石墨和煤，各种形态的煤在自然界中分布很广。

煤中含碳可达99％。

碳的化合物更是多种多样，从空气中的二氧化碳和岩石，土壤中的各种碳酸盐，到动植物组织中的有机化合物，碳元素扮演着主要角色，可以说没有碳元素就没有生机盎然的地球。

人们还可以轻易地取得碳的一些游离状态的产物，如木炭、黑碳、炭黑等等。

这就决定了碳在人类有史以前很早很早就被发现和利用了。

由石器时代进入青铜时代的过程中，木炭不仅被人们用作燃料，而且还被用作还原剂（参见铜元素）。

随着冶金工业的发展，人们寻找比木炭更廉价的燃料和还原剂，这样，人们找到了煤。

英国到13世纪才建矿采煤，比我国晚了有一千多年，而欧洲在18世纪初才知炼焦，这也比我国晚约一个世纪。

碳的同素异形体石墨在我国古代文献也是煤的别名。

它在16世纪间被欧洲人发现，曾被误认为是含铅的物质，而被称为“绘画的铅”。

直到1779年，瑞典化学家舍勒指出将石墨与硝酸钾共溶后产生二氧化碳气，确定它是一种矿物木炭。

碳的另一种同素异形体金刚石，在古代印度的著述中常常提到。

印度出产金刚石，南美洲巴西和非洲南非也先后发现金刚石。

早在1722年，法国化学家拉瓦锡进行了燃烧金刚石的实验，把金刚石放置在玻璃钟罩内，用取火镜把日光聚焦在金刚石上，使金刚石燃烧，得到无色的气体，将该气体通入澄清的石灰水中，得到白色碳酸钙沉淀，正如燃烧木炭所得到的结果一样。

他作出结论：

在金刚石和木炭中含有相同的“基础”，命名为carbone（法文，英文在1789年间采用，去掉词尾E，称为carbon）。

这一词来自拉丁文CARBO（煤，木炭），我们称为碳。

碳的拉丁名称carbonium也由此而来，它的元素符号C就是采用它拉丁名称的第一个字母。

正是拉瓦锡，首先把碳列入1789年发表的化学元素表中。

5．富勒烯的应用

富勒烯的应用

众所周知，碳元素有两种同素异形体��金刚石，石墨。

1970年，日本科学家小泽预言，自然界中碳元素还应该有第三种同素异形体存在。

1985年美国Rice大学的Kroto等人在激光汽化石墨实验中首次发现含有60个碳原子的原子簇，命名为C60；含有7o个碳原子的原子簇也已被发现，命名为C70。

C60及C70均具有笼形结构，在物理及化学性质上可看作三维的芳香化合物，分子立体构型具有D5h点群对称性。

C60中20个正六边形和12个正五边形构成圆球形结构，共有60个顶点，分别由60个碳原子所占有，经证实它们属于碳的第三种同素异形体，命名为富勒烯（Fullerene）。

以后又相继发现了C44、C50、C76、C80、C90、C94、C120、C180、C180、C540等纯碳组成的分子，它们均属于富勒烯家族，其中C60的丰度约为50%。

由于特殊的结构和性质，C60在超导、磁性、光学、催化、材料及生物等方面表现出优异的性能，得到广泛的应用。

特别是1990年以来Kratschmer和Huffman等人制备出克量级的C60，使C60的应用研究更加全面、活跃。

超导体

C60分子本身是不导电的绝缘体，但当碱金属嵌入C60分子之间的空隙后，C60与碱金属的

系列化合物将转变为超导体，如K3C60即为超导体，且具有很高的超导临界温度。

与氧化物超导体比较，C60系列超导体具有完美的三维超导性，电流密度大，稳定性高。

易于展成线材等优点，是一类极具价值的新型超导材料。

有机软铁磁体

与超导性一样，铁磁性是物质世界的另一种奇特性质。

Allcmand等人在C60的甲苯溶液

中加入过量的强供电子有机物四（二甲氨基）乙烯（TDAE），得到了C60（TDAE）0．86的黑色微晶沉淀，经磁性研究后表明是一种不含金属的软铁磁性材料。

居里温度为16．1K，高于迄今报道的其他有机分子铁磁体的居里温度。

由于有机铁磁体在磁性记忆材料中有重要应用价值，因此研究和开发C60有机铁磁体，特别是以廉价的碳材料制成磁铁替代价格昂贵的金属憋铁具有非常重要的意义。

光学材料

由于C60分子中存在的三维高度非定域电子共轭结构使得它具有良好的光学及非线性光

学性能。

如它的光学限制性在实际应用中可作为光学限幅器。

C60还具有较大的非线性光学

系数和高稳定性等特点。

使其作为新型非线性光学材料具有重要的研究价值，有望在光计算、光记忆、光信号处理及控制等方面有所应用。

还有人研究了C60化合物的倍频响应及荧光现象，基于C60光电导性能的光电开关和光学玻璃已研制成功。