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中学金刚石、石墨和C60 典型例题,你能做对几道/。?

2019-08-05  zhw9888

中学金刚石、石墨和C60 典型例题,你能做对几道/。?

南墅石墨矿 7月15日

类型一、考查碳单质的性质和用途

1.(2015·衡阳中考)在书写档案文书时,最好使用(  )

A.铅笔       B.纯蓝墨水笔     C.碳素墨水笔   D.圆珠笔

【思路点拨】碳在常温下化学性质不活泼,很难与其它物质发生反应,据此进行分析判断。

【答案】C

【解析】碳素墨水中含有碳,碳在常温下化学性质不活泼,很难与其它物质发生反应,保存的时间较长,重要文件资料书写时最好使用碳素墨水笔。

A、重要文件资料需要长期保存,书写时最好使用碳素墨水笔,而不是铅笔,因为铅笔书写的字能用橡皮擦去,故选项错误;

B、重要文件资料需要长期保存,书写时最好使用碳素墨水笔,而不是纯蓝墨水笔,故选项错误;

C、重要文件资料需要长期保存,书写时最好使用碳素墨水笔,故选项正确;

D、重要文件资料需要长期保存,书写时最好使用碳素墨水笔,而不是圆珠笔,故选项错误。

故选C。

【总结升华】掌握常温下碳的化学性质不活泼并能灵活应用是正确解答本题的关键。

2.“轻轨电车”(如右图)是近年来新兴的城市高架交通工具,具有污染小的特点。当轻轨电车开动时,轻轨电车上裸露的“电刷”沿架空电线滑动。电刷材料中含有石墨。选择石墨作电刷材料是因为其具有下列性质:
                  
 ①        ;②       ;③        。
【答案】①导电   ②润滑   ③耐高温(或不易氧化;或化学性质不活泼)
【解析】电刷沿架空电线长时间滑动,因摩擦产生大量的热,这就要求电刷材料具有润滑、导电和耐高温的性能。而石墨恰好具有润滑、导电和耐高温的性质,因此石墨是制作电刷的理想材料。
【总结升华】解答本题可从石墨的优良性能和轻轨电车对电刷的要求两方面综合考虑。

3.碳单质中,C60的分子结构形似足球(如下图所示)。关于C60的说法中,错误的是(    )

A.它是一种单质

B.每个C60 分子由60个碳原子构成

C.它与金刚石是同一种物质

D.它完全燃烧后的产物是CO2

【答案】C

【解析】C60是由碳元素组成的一种单质,一个C60分子由60个碳原子构成;碳的单质有金刚石、石墨、C60等,它们是由碳元素组成的不同单质,完全燃烧都生成二氧化碳,故选C。

【总结升华】由于构成碳单质的碳原子排列方式不同,导致几种碳单质的物理性质不同,但碳单质的化学性质相同。

4.金刚石、石墨、木炭和C60都是由碳元素组成的单质,下列关于碳的单质的叙述正确的是(   )

A. 都是黑色固体                 B.在氧气中充分燃烧时都生成二氧化碳

C. 碳原子的排列方式相同         D.一定条件下,石墨转化成金刚石是物理变化

【答案】B

【解析】金刚石是无色透明的,故A错;由于它们都是由碳元素组成的,所以燃烧产物相同,都是二氧化碳,故B正确;金刚石是正八面体结构,而石墨是层状结构,故碳原子的排列方式不同,C错;石墨转化为金刚石生成了新的物质,发生的是化学变化,故D错。

【总结升华】金刚石、石墨、木炭、和C60属于碳的同素异形体(即相同的元素组成的不同单质),它们的化学性质相同,但物理性质相差很大。
举一反三:

【变式1】(2015·江苏中考)2013年3月,我国研制出世界上最轻、吸油力最强的固体——碳海绵。碳海绵由碳元素组成,具有疏松多孔的结构。下列关于碳海绵的说法不正确的是(    )

 A.常温下化学性质不活泼      B.是一种新型的化合物

 C.具有较强的吸附性          D.可处理海上泄漏的石油

【答案】B  

【解析】碳海绵是由碳元素组成的单质,常温下碳的化学性质不活泼,A正确,B不正确;碳海绵是吸油力最强的固体,说明碳海绵具有较强的吸附性,C正确;碳海绵能吸油,可处理海上泄漏的石油,D正确。

【变式2】金刚石可装在钻探机的钻头上,是由于           。石墨可作铅笔芯,是利用了        和颜色为深灰色的性质,刻画时容易留下痕迹;石墨可作润滑剂,是由于         ;石墨可作电极,是由于           。活性炭可作防毒面具的滤毒剂,是由于              。
【答案】金刚石硬度大   石墨很软   石墨具有润滑性   石墨具有导电性 

活性炭具有吸附性

石墨作铅笔芯,是利用了石墨很软和颜色为深灰色的性质,刻画时容易留下痕迹

类型二、考查木炭还原氧化铜的实验
5.用木炭还原氧化铜的实验如下图所示。


  (1)酒精灯加灯罩的目的                        ;
  (2)刚开始加热时,试管②中立即产生气泡,但石灰水不变浑浊,原因是              ;
  (3)继续加热,观察到石灰水逐渐变浑浊,黑色粉末中出现红色物质。请你写出①中发生反应的化学方程式                        ;
  (4)停止加热时,应先将导管从试管②中撤出,待试管①冷却后再把试管里的粉末倒出。这样操作的原因是                                                            。
【答案】
 (1)提高酒精灯火焰的温度
 (2)开始排出的是装置内的空气 
 (3)C+2CuO =2Cu+CO2↑ 
 (4)防止试管②中的液体倒流入试管①,防止生成的铜再被氧化成氧化铜
【解析】木炭还原氧化铜的化学方程式为:C+2CuO 2Cu+CO2↑,其反应条件是高温,所以酒精灯要加网罩以提高火焰的温度。刚开始加热时,装置中的空气会首先逸出,所以看到试管②中立即产生气泡,但石灰水不变浑浊。停止加热时,应先将导管从试管②中撤出,否则试管①内温度降低,其压强会减小,外界大气压会把试管②中的液体压进试管①内,致使试管①破裂。待试管①冷却后再把试管里的粉末倒出,是防止新生成的铜在较高温度下又被氧化成氧化铜。
【总结升华】本题考查木炭的还原性实验。碳单质的化学性质有三条:还原性、可燃性、常温下的稳定性。

举一反三:

【变式】下列关于碳的化学性质叙述正确的是(   )
  A.碳的化学性质不活泼
  B.碳的化学性质很活泼
  C.碳具有可燃性,碳在空气中燃烧的产物只有CO2 
  D.碳在高温下能和氧化铜等金属氧化物反应
【答案】D

资料来源:初中化学大师

鳞片石墨及石墨烯知识:

鳞片石墨为天然显晶质石墨,其形似鱼磷状,属六方晶系,呈层状结构,具有良好的耐高温、导电、导热、润滑、可塑及耐酸碱等性能。

鳞片石墨是一种层状结构的天然固体润滑剂,资源丰富且价格便宜。

鳞片石墨特点

鳞片石墨结晶完整,片薄且韧性好,物化性能优异,具有良好的热传导性、 导电性、抗热震性,耐腐蚀性等。

鳞片石墨分布

201512月,地质勘探人员在内蒙古阿拉善盟境内发现一处超大型大鳞片石墨矿,已探明石墨资源总量13亿吨,约占全球可采储量的73%,平均品位545%据介绍,这样高品位、超大规模的石墨矿藏在中国尚属罕见。

美国地质勘探局2013年报告显示,全球大鳞片石墨矿物量已不足500万吨。此次发现的位于阿拉善左旗查汗木胡鲁石墨矿区的大鳞片石墨矿物量多达703万吨。

鳞片石墨应用

耐火材料

鳞片石墨广泛用于治金工业的高级耐火材料与涂料。如镁碳砖、坩埚等。军事工业火工材料安定剂、冶炼工业脱硫增速剂、轻工业的铅笔芯、电气工业的碳刷、电池工业的电极、化肥工业的催化剂等。鳞片石墨经过深入加工,又可以生产出石墨乳,用于润滑剂、脱模剂、拉丝剂、导电涂料等。还可以生产膨胀石墨,用于柔性石墨制品原料,如柔性石墨密封件及柔性石墨复材料制品等。

涂料

鳞片石墨作为涂料的功能填料主要用于防腐涂料、防火涂料和导电涂料。

作为防腐材料,它和炭黑、滑石粉及油料等制成的防锈底漆,具有良好的耐化学品和溶剂腐蚀性能;若在配方中加入锌黄等化学颜料,其防锈效果更好。

用作防火填料的是可膨胀石墨,它是以天然石墨鳞片为原料,经化学或电化学处理而得到的一种石墨层间化合物。可膨胀石墨在受热条件下,体积急剧膨胀(最高可达300倍)窒息了火焰,同时生成膨胀物,达到隔绝火焰,延迟或中断火焰蔓延的作用,且本身不燃,柔软性好,表面能高,炭化层强度好。但是膨胀体的体积和用量要选择适宜。试验表明,150um的颗粒、30%的膨胀倍数、5%的用量最为合适。

鳞片石墨可直接作为碳类导电填料亦可制成复合导电填料用于导电涂料。但由于石墨鳞片的添加量较大,会使涂料的性能变脆而使其应用受到一定限制。因此,采取措施进一步提高石墨的导电性,有效降低石墨鳞片的添加量。国内天华化工机械研究院开发了以高温耐腐蚀树脂为基料,以导静电能力较强的大片状实体石墨鳞片为主要骨料,以本体强度高 耐磨性好。

抗形变开裂性好的短切纤维材料为功能性填料的无溶剂厚膜型导电涂料。该涂料具有抗腐蚀介质渗透、固化残余应力小、抗基体形变开裂性好、施工性能稳定、长效导静电的特点。可用于原油储罐内壁导静电涂装。据资料报道,采用化学镀技术对石墨粉体施镀金属,如铜、镍、银等制备复合导电填料,以30%的量用于导电涂料中,不仅其导电性很好,且防腐性进一步提高。

石墨烯研究历史

实际上石墨烯本来就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。

2004年,英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃消洛夫Konstantin Novoselov)发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。

这以后,制备石墨烯的新方法层出不穷。2009年,安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应,他们也因此获得2010年度诺贝尔物理学奖。在发现石墨烯以前,大多数物理学家认为,热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以,它的发现立即震撼了凝聚体物理学学术界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在,但是单层石墨烯能够在实验中被制备出来。

2018年3月31日,中国首条全自动量产石墨烯有机太阳能光电子器件生产线在山东菏泽启动,该项目主要生产可在弱光下发电的石墨烯有机太阳能电池(下称石墨烯OPV),破解了应用局限、对角度敏感、不易造型这三大太阳能发电难题。

石墨烯主要分类

单层石墨烯

单层石墨烯Graphene):指由一层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。

双层石墨烯

双层石墨烯Bilayer or double-layer graphene):指由两层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括AB堆垛,AA堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。

少层石墨烯

少层石墨烯Few-layer):指由3-10层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括ABC堆垛,ABA堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。

多层石墨烯

多层石墨烯又叫厚层石墨烯multi-layer graphene):指厚度在10层以上10nm以下苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括ABC堆垛,ABA堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。

主要应用

随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破,石墨烯的产业化应用步伐正在加快,基于已有的研究成果,最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。

基础研究

石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义,它使得一些此前只能在理论上进行论证的量子效应可以通过实验经行验证。在二维的石墨烯中,电子的质量仿佛是不存在的,这种性质使石墨烯成为了一种罕见的可用于研究相对论量子力学的凝聚态物质——因为无质量的粒子必须以光速运动,从而必须用相对论量子力学来描述,这为理论物理学家们提供了一个崭新的研究方向:一些原来需要在巨型粒子加速器中进行的试验,可以在小型实验室内用石墨烯进行。

零能隙的半导体主要是单层石墨烯,这种电子结构会严重影响到气体分子在其表面上的作用。单层石墨烯较体相石墨表面反应活性增强的功能是由石墨烯的氢化反应和氧化反应结果显示出来的,说明石墨烯的电子结构可以调变其表面的活性。另外,石墨烯的电子结构可以通过气体分子吸附的诱导而发生相应的变化,其不但对载流子的浓度进行改变,同时可以掺杂不同的石墨烯。

传感器

石墨烯可以做成化学传感器,这个过程主要是通过石墨烯的表面吸附性能来完成的,根据部分学者的研究可知,石墨烯化学探测器的灵敏度可以与单分子检测的极限相比拟。 石墨烯独特的二维结构使它对周围的环境非常敏感。石墨烯是电化学生物传感器的理想材料,石墨烯制成的传感器在医学上检测多巴胺、葡萄糖等具有良好的灵敏性。

晶体管

石墨烯可以用来制作晶体管,由于石墨烯结构的高度稳定性,这种晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作。相比之下,目前以硅为材料的晶体管在10纳米左右的尺度上就会失去稳定性;石墨烯中电子对外场的反应速度超快这一特点,又使得由它制成的晶体管可以达到极高的工作频率。例如IBM公司在2010年2月就已宣布将石墨烯晶体管的工作频率提高到了100GHz,超过同等尺度的硅晶体管

柔性显示屏

消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目,成为未来移动设备显示屏的展趋势。柔性显示未来市场广阔,作为基础材料的石墨烯前景也被看好。韩国研究人员首次制造出了由多层石墨烯和玻璃纤维聚酯片基底组成的柔性透明显示屏。韩国三星公司和成均馆大学的研究人员在一个63厘米宽的柔性透明玻璃纤维聚酯板上,制造出了一块电视机大小的纯石墨烯。他们表示,这是迄今为止“块头”最大的石墨烯块。随后,他们用该石墨烯块制造出了一块柔性触摸屏。研究人员表示,从理论上来讲,人们可以卷起智能手机,然后像铅笔一样将其别在耳后。 

新能源电池

新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。美麻省理工学院成功研制出表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板,可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本,这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外,石墨烯超级电池的成功研发,也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题,极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路。

海水淡化

石墨烯过滤器比其他海水淡化技术要使用的多。水环境中的氧化石墨烯薄膜与水亲密接触后,可形成约0.9纳米宽的通道,小于这一尺寸的离子或分子可以快速通过。通过机械手段进一步压缩石墨烯薄膜中的毛细通道尺寸,控制孔径大小,能高效过滤海水中的盐份。

储氢材料

石墨烯具有质量轻、高化学稳定性和高比表面积等优点,使之成为储氢材料的最佳候选者。

航空航天

由于高导电性、高强度、超轻薄等特性,石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。2014年,美国NASA开发出应用于航天领域的石墨烯传感器,就能很好的对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。而石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用。

以石墨烯作为感光元件材质的新型感光元件,可望透过特殊结构,让感光能力比现有CMOS或CCD提高上千倍,而且损耗的能源也仅需原本10%。可应用在监视器与卫星成像领域中,可以应用于照相机、智能手机等。

复合材料

基于石墨烯的复合材料是石墨烯应用领域中的重要研究方向复合材料

 其在能量储存、液晶器件、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出了优良性能, 具有广阔的应用前景。目前石墨烯复合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物复合材料和石墨烯基无机纳米复合材料上,而随着对石墨烯研究的深入, 石墨烯增强体在块体金属基复合材料中的应用也越来越受到人们的重视。 [7]  石墨烯制成的多功能聚合物复合材料、高强度多孔陶瓷材料,增强了复合材料的许多特殊性能。

生物

石墨烯被用来加速人类骨髓间充质干细胞的成骨分化,同时也被用来制造碳化硅上外延石墨烯的生物传感器。同时石墨烯可以作为一个神经接口电极,而不会改变或破坏性能,如信号强度或疤痕组织的形成。由于具有柔韧性、生物相容性和导电性等特性,石墨烯电极在体内比钨或硅电极稳定得多。 石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长十分有效,而且不会伤害到人体细胞。

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