碳的化学性质

我国古代书法家和画家用墨写字作画,留下了许多珍品,如图14-1所示。一些作品虽然经过了上千年,但墨色如故。为什么这些墨的作品能够保存这么长的时间呢?

这是因为墨主要是以炭黑为原料制得的,炭黑的主要成分是碳。碳不溶于水,在常温下,碳的化学性质不活泼,即使在日光的照射下,长期与空气和水接触也不易发生化学变化。

1.碳与氧气的反应

常温下,碳的化学性质不活泼,但是在高温下,碳的化学性质就会变得很活泼。木炭能在空气中燃烧是因为其中的碳在点燃后能与空气中的氧气发生剧烈的放热反应。木炭一经点燃,只要空气充足,木炭燃烧不断产生的高温就会使木炭持续与空气中的氧气发生反应直至烧完。

【实验14-1】

在空气中点燃一小块木炭,观察一会儿,将燃着的木炭用小燃烧匙送入一只存有50mL氧气的多功能反应仪内,观察现象。

木炭在空气中平静燃烧,发出较暗的红光;在氧气中剧烈燃烧,发出明亮的白光。木炭之所以在空气中表现为平静燃烧,是因为空气中的氧气被氮气等气体冲淡了。

C + O2点燃CO2木炭是人类较早利用天然物得到的化学加工品。因为木炭燃烧能放出大量的热,且很少有烟,又没有气味,所以从古至今人们都将它作为优质燃料。碳在空气不充足时燃烧会生成一氧化碳。2C + O2点燃2CO利用木炭和硫的易燃性以及硝酸钾受热会分解放出氧气的性质,1300多年前,中国人将木炭、硫和硝酸钾混合发明了黑色火药,并于 1100多年前的宋朝初期将其用于军事。

图14-1 王羲之的《兰亭序》

将0.5g新制木炭研细,与2g硝酸钾粉末混合均匀,将混合物置于一块 砖面或其他陶瓷材料面上,戴上防护眼镜,通过长木条向混合物点火,观 察现象。

这是一个易燃易爆实验。做这样的实验及一些不了解安全性的实验,都一定要注意防毒防爆。操作时需注意:一是药品用量要少;二是不可将身体靠得太近,更不要将眼睛贴近观察。

硝酸钾和木炭的混合物会猛烈燃烧。反应过程实际上比较复杂,但基本原理可以理解为是硝酸钾受热分解生成氧气和木炭燃烧放热互相促进的结果。由于硫比木炭更易燃烧,因此硝酸钾和硫及木炭、硝酸钾和硫的混合物更易猛烈燃烧。在密闭的空间里,易燃物和受热容易生成氧气的物质的粉状混合物,一经点燃就会因剧烈燃烧瞬间生成大量高温气体而发生爆炸。普通炸药就是依据这样的原理制造的,鞭炮也是利用这一原理制作的。为了安全,易燃物和受热容易生成氧气的物质必须分开存放。鞭炮等易爆物在存放时一定要小心火烛。

2.碳与某些氧化物的反应

碳与氧化铜(CuO,黑色固体,如图14-2所示)在较高温度下反应会生成铜。

图14-2 氧化铜

碳与氧化铜的反应需要较高温度。实验时如果用酒精灯加热,可以自制一只加粗了灯芯的酒精灯用于加热,用一只圆筒形的铁皮罩将酒精灯火焰围住。在铁皮罩的下底留一些缺口,以保证空气流量,提高温度。碳与氧化铜发生反应时,木炭和氧化铜的混合粉末会突然红热,盛有澄清石灰水[溶质为Ca(OH)2]的广口瓶中会出现白色浑浊。拆卸装置时,先撤去石灰水,后停止加热,用夹子夹住导管的软管,使空气不能进入试管。待试管冷却后,移去导管,将试管内的物质倒在纸上观察。试管内的物质反应后,得到有金属光泽的浅红黄色的铜粒,温度不够高时得到暗红色铜粉。

实验装置

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反应化学方程式

在盛有澄清石灰水的广口瓶中出现白色浑浊(见图 14-4),这是因为碳与氧化铜反应生成的二氧化碳与石灰 水反应,生成了不溶于水的碳酸钙。

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图14-4

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反应方程式

这一反应常用于检验二氧化碳,也用于检验石灰水。

碳还原氧化铜

像这样,由一种化合物与一种单质反应生成另一种化合物和另一种单质的反应叫置换反应。

在碳与氧化铜的反应中,碳使氧化铜中铜元素的化合价从+2降低到0,而自 身的化合价从0升高到+4。在反应中,物质有使别的物质中元素化合价降低,而 自身元素化合价升高的性质叫还原性。在反应中,物质有使别的元素化合价升高, 而自身元素化合价降低的性质叫氧化性。由此可知,碳具有还原性,氧化铜具有氧 化性。 在金属冶炼中,人们利用一些物质的还原性,将一些金属元素从它们的氧化物还原为单质。在这一过程中,金属元素的化合价由高变低。 具有氧化性和还原性的物质在一起时容易发生化学反应,有时会表现出燃烧甚至是爆炸。

工业硅的生产以石英石、木炭、低灰煤、木片等为原料,就是利用碳的还原性,将硅从石英石中还原出来。石英石的主要成分是二氧化硅,木炭、低灰煤、木 片提供碳,木炭、木片还可以为反应的发生创造良好的通气环境。生产工业硅的主 要反应为:

碳与二氧化硅反应方程式

科学家研究问题时经常要建立数学模型。例如,密度的表达式ρ=m/V 是一个 数学模型,分解反应的数学模型可以表达为AB====A+B。

安全礼花弹

绚丽的烟花

如图1所示,在一支试管中加入一些氯酸钾,在氯酸钾上面放一颗比试管口略细的圆柱形短木炭。在铁架台上,将试管口朝上竖直固定好试管,用酒精灯加热,观察现象。稍后向氯酸钾上面加入少量二氧化锰,观察现象。夜幕下,会发现木炭发出红黄色的光,在试管内上下腾跃,木炭升起时就像红黄色的礼花弹,有时就悬浮在试管口上。如果预先用氯化铜或硫酸铜的浓溶液浸泡木炭后晒干,或者就用细铜丝穿在木炭中,会发现所制造的礼花弹发出美丽的绿光。你还可以将氯酸钾换成硝酸钾或高锰酸钾进行试验,也可以将木炭换成木柴或糖果。

图1

灿烂绚丽的焰火就是依据这样的原理制作的。 为了使反应速率加快,焰火的火药被加工成粉末, 还加进了一些金属或金属化合物的粉末。这些金属或金 属化合物在火的作用下会使火焰呈现不同的美丽色彩。 例如铜在火焰上灼烧时火焰呈绿色,氯化钠在火焰上灼 烧时火焰呈黄色。

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发布于 2022-09-02 14:09:44
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