化学思维导图：碳
中心主题：碳
碳的单质
- 同素异形体
- 金刚石
- 结构: 正四面体网状结构，C-C键长极短。
- 性质: 硬度最大、熔点高、不导电、无色透明。
- 用途: 钻头、切割玻璃、装饰品（钻石）。
- 石墨
- 结构: 层状结构，层内为正六边形网状,层间为范德华力。
- 性质: 质软滑腻、有导电性、熔点高、深灰色不透明。
- 用途: 电极、铅笔芯、润滑剂、耐火材料。
- C₆₀ (富勒烯 / 巴克minsterfullerene)
- 结构: 分子足球状,由60个碳原子构成。
- 性质: 稳定性较好，有超导、催化等潜在应用。
- 用途: 材料科学、超导体研究。
- 无定形碳
- 种类: 活性炭、木炭、焦炭、炭黑。
- 结构: 微小的石墨晶体和少量杂质的无规则排列。
- 共同性质: 疏松多孔,有强吸附性。
- 用途:
- 活性炭: 脱色剂、吸附剂（防毒面具）。
- 木炭/焦炭: 燃料、冶金还原剂。
- 炭黑: 制造墨水、油漆、橡胶的补强剂。
- 金刚石
碳的化合物
-
碳的氧化物
- 一氧化碳
- 性质: 无色无味气体，有毒（与血红蛋白结合），可燃,有还原性。
- 化学方程式:
2CO + O₂ --点燃--> 2CO₂(可燃)CO + CuO --加热--> Cu + CO₂(还原性)
- 用途: 煤气的主要成分、冶金还原剂。
- 二氧化碳
- 性质: 无色略带酸味气体，无毒，不可燃，不支持燃烧,固态为干冰。
- 化学方程式:
CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃(与水反应)CO₂ + Ca(OH)₂ --→ CaCO₃↓ + H₂O(检验CO₂)CO₂ + C --高温--> 2CO(吸热反应)
- 用途: 灭火剂、制冷剂（干冰）、人工降雨、制汽水、化工原料。
- 一氧化碳
-
含碳酸盐
- 碳酸钙 (CaCO₃)
- 存在: 大理石、石灰石、贝壳、蛋壳。
- 性质: 难溶于水,高温下分解。
- 化学方程式:
CaCO₃ --高温(煅烧)--> CaO + CO₂↑(工业制生石灰)CaCO₃ + 2HCl --→ CaCl₂ + H₂O + CO₂↑(与酸反应)
- 碳酸氢钙 (Ca(HCO₃)₂)
- 性质: 可溶于水，不稳定,受热易分解。
- 化学方程式:
Ca(HCO₃)₂ --Δ--> CaCO₃↓ + H₂O + CO₂↑(水垢形成原理)Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ --→ 2CaCO₃↓ + 2H₂O(软化硬水)
- 碳酸钙 (CaCO₃)
-
有机化合物 (核心代表)
- 甲烷 (CH₄ - 天然气、沼气主要成分)
- 结构: 正四面体,非极性分子。
- 性质: 无色无味气体，难溶于水,易燃。
- 化学方程式:
CH₄ + 2O₂ --点燃--> CO₂ + 2H₂O(燃烧)CH₄ + Cl₂ --光照--> CH₃Cl + HCl(取代反应)
- 乙醇 (C₂H₅OH - 酒精)
- 性质: 无色透明液体，有特殊香味，能与水以任意比互溶,可燃。
- 用途: 燃料、消毒剂、化工原料、制酒。
- 化学方程式:
C₂H₅OH + 3O₂ --点燃--> 2CO₂ + 3H₂O(燃烧)
- 乙酸 (CH₃COOH - 醋酸)
- 性质: 有强烈刺激性气味的无色液体，有酸性,能使紫色石蕊试液变红。
- 用途: 除水垢、调味品（醋）、化工原料。
- 高分子化合物
- 塑料: 聚乙烯、聚氯乙烯 等。
- 合成纤维: 涤纶、锦纶、腈纶。
- 合成橡胶: 丁苯橡胶、顺丁橡胶。
- 甲烷 (CH₄ - 天然气、沼气主要成分)
碳的化学性质
- 常温下稳定
如字画、古墓中碳墨迹久存不变。
- 可燃性 (与氧气反应)
- 充分燃烧 (O₂充足):
C + O₂ --点燃--> CO₂(放出大量热) - 不充分燃烧 (O₂不足):
2C + O₂ --点燃--> 2CO(有毒)
- 充分燃烧 (O₂充足):
- 还原性 (与氧化物反应)
- 与金属氧化物反应:
2CuO + C --高温--> 2Cu + CO₂↑(冶炼铜)Fe₂O₃ + 3C --高温--> 2Fe + 3CO↑(冶炼铁)
- 与非金属氧化物反应:
CO₂ + C --高温--> 2CO(工业上制水煤气/一氧化碳)
- 与金属氧化物反应:
碳及其化合物的转化关系 (网络图)
这是一个核心的转化网络,能帮助你串联所有知识点：
graph TD
subgraph "碳的单质"
C(碳 C)
end
subgraph "碳的氧化物"
CO2(二氧化碳 CO₂)
CO(一氧化碳 CO)
end
subgraph "含碳酸盐"
CaCO3(碳酸钙 CaCO₃)
CaO(氧化钙 CaO / 生石灰)
Ca(OH)2(氢氧化钙 Ca(OH)₂ / 熟石灰)
end
subgraph "有机物"
CH4(甲烷 CH₄)
end
C -- 充分燃烧 --> CO2
C -- 不充分燃烧 --> CO
C -- 高温还原金属氧化物 --> CO2
C -- 高温还原CO2 --> CO
CO2 -- C 高温 --> CO
CO2 -- H2O --> H2CO3(碳酸)
CO2 -- Ca(OH)2 --> CaCO3
CO2 -- 高温 + C --> 2CO
CO -- O2 点燃 --> CO2
CO -- CuO 加热 --> CO2
CaCO3 -- 高温煅烧 --> CaO + CO2
CaCO3 -- HCl --> CaCl2 + CO2 + H2O
CaCO3 -- H2O + CO2 --> Ca(HCO3)2
CaO -- H2O --> Ca(OH)2
Ca(OH)2 -- CO2 --> CaCO3↓ + H2O
Ca(HCO3)2 -- 加热 --> CaCO3↓ + CO2↑ + H2O
CH4 -- O2 点燃 --> CO2 + H2O
style C fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
style CO2 fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px
style CaCO3 fill:#cfc,stroke:#333,stroke-width:2px
碳及其化合物的用途
- 单质:
- 金刚石: 切割、钻探、装饰。
- 石墨: 电极、铅笔芯、润滑剂。
- 活性炭: 脱色、除味、吸附。
- 焦炭: 冶金燃料、还原剂。
- 氧化物:
- CO₂: 灭火、制冷、制汽水、温室气体。
- CO: 燃料、冶金还原剂（有毒！）。
- 含碳酸盐:
- CaCO₃: 建筑材料（水泥、石灰）、补钙剂。
- CaO: 建筑材料、干燥剂。
- Ca(OH)₂: 改良酸性土壤、制漂白粉、砌砖抹墙。
- 有机物:
- CH₄: 清洁能源、化工原料。
- C₂H₅OH: 燃料、溶剂、消毒。
- 高分子材料: 塑料、纤维、橡胶（三大合成材料）。
相关实验
- 二氧化碳的实验室制法:
- 药品: 大理石/石灰石 (主要成分CaCO₃) 和 稀盐酸。
- 原理:
CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑ - 装置: 固体+液体不加热型。
- 收集: 向上排空气法 (因为CO₂密度比空气大，且能溶于水)。
- 检验: 通入澄清石灰水中，若变浑浊，则为CO₂。
- 验满: 将燃着的木条放在集气瓶口，若木条熄灭,则已集满。
- 一氧化碳的还原性实验:
- 操作: 先通入CO，排尽空气，再加热反应完毕后，先撤酒精灯,继续通CO直至冷却。
- 现象: 黑色粉末（CuO）变为红色,澄清石灰水变浑浊。
- 目的: 防止生成的铜在高温下被氧化,并防止CO与空气混合爆炸。
