高中化学 第3章 自然界中的元素 第1节 第2课时 碳及其化合物间的转化学案 鲁科版必修1-鲁科版高中必修1化学学案

碳及其化合物间的转化[核心素养发展目标]1.了解碳元素在自然界及生产、生活中的转化。2.能从原理上解释钟乳石、溶洞的形成，能用化学方程式表示高炉炼铁、木炭燃烧过程中的相关反应。3.了解碳单质、碳的氧化物及碳酸盐的性质及转化关系。4.通过了解CO2的排放对环境的影响，增强环保意识。一、自然界中碳及其化合物间的转化1.自然界中碳及其化合物间的转化过程(1)动植物间碳的化合物间的转化植物的光合作用、植物和动物的呼吸过程以及动植物遗骸形成的化石燃料燃烧三方面碳的化合物间的转化。(2)海水中碳的化合物间的转化空气中的二氧化碳一部分被海水吸收，溶于水的二氧化碳逐渐转变为碳酸盐沉积海底形成新的岩石。这些碳酸盐又与空气中的二氧化碳和水反应，生成碳酸氢盐而溶于水中归于海洋。(3)自然现象中的碳的转化火山把大量的二氧化碳喷发到大气中，地壳剧烈变化后，死亡的热带植物经过漫长的过程转化成煤。2.实验探究——溶洞的形成原理实验操作实验现象澄清石灰水先变浑浊，后变澄清，加热时该溶液又变浑浊化学方程式①Ca(OH)2＋CO2=CaCO3↓＋H2O；②CaCO3＋CO2＋H2O=Ca(HCO3)2；③Ca(HCO3)2eq\o(=,\s\up7(△))CaCO3↓＋CO2↑＋H2OCO2、碳酸盐、碳酸氢盐之间的转化(1)少量CO2与Ca(OH)2溶液(或NaOH溶液)反应生成CaCO3(或Na2CO3)，足量CO2与Ca(OH)2溶液(或NaOH溶液)反应生成Ca(HCO3)2(或NaHCO3)。(2)碳酸正盐与CO2、H2O反应生成酸式盐。(3)稳定性Na2CO3＞CaCO3＞NaHCO3。例1CO2通入下列溶液中，不可能产生沉淀的是()A.CaCl2溶液 B.Ca(OH)2溶液C.Ba(OH)2溶液 D.Ca(ClO)2溶液答案A解析A项，因为碳酸的酸性比盐酸弱，不可能生成CaCO3；B项，二氧化碳少量则生成CaCO3，二氧化碳过量则生成Ca(HCO3)2；C项，二氧化碳少量则生成BaCO3，二氧化碳过量则生成Ba(HCO3)2；D项，因为碳酸的酸性比次氯酸强，二氧化碳少量时生成CaCO3和HClO，二氧化碳过量时生成Ca(HCO3)2和HClO。思维启迪二氧化碳通入钙或钡的盐酸盐或硝酸盐溶液中不能生成碳酸钙，而通入过量的次氯酸钙溶液中生成白色沉淀。假如CO2与CaCl2溶液反应CaCl2＋CO2＋H2O=CaCO3↓＋2HCl，CaCO3与HCl反应，不能通过弱酸H2CO3制备强酸盐酸。例2用1L1.0mol·L－1NaOH溶液吸收0.8molCO2，所得溶液中的COeq\o\al(2－,3)与HCOeq\o\al(－,3)的物质的量浓度之比约是()A.1∶3 B.1∶2C.2∶3 D.3∶2答案A解析因CO2＋2NaOH=Na2CO3＋H2O，CO2＋NaOH=NaHCO3，设生成Na2CO3、NaHCO3的物质的量分别为x，y。即eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(2x＋y＝1.0mol据Na＋守恒,x＋y＝0.8mol据C原子守恒))解得eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(x＝0.2mol,y＝0.6mol))，因溶液体积相同，则溶液中COeq\o\al(2－,3)与HCOeq\o\al(－,3)的物质的量浓度之比即为其物质的量之比，即x∶y＝0.2∶0.6＝1∶3。规律总结(1)CO2与碱反应的原理CO2与碱反应时产物与二者的相对量有关，当碱足量时生成碳酸盐，当CO2足量时，生成碳酸氢盐。如：①CO2不足时：CO2＋2NaOH=Na2CO3＋H2O②CO2足量时：CO2＋NaOH=NaHCO3(2)CO2与NaOH反应有关量和产物分析eq\f(nCO2,nNaOH)反应情况反应产物<1∶2NaOH足量，只发生反应①(剩余NaOH)Na2CO3＝1∶2恰好发生反应①Na2CO3eq\f(1,2)<eq\f(nCO2,nNaOH)<1①②两个反应均有NaHCO3、Na2CO3＝1∶1恰好发生反应②NaHCO3>1∶1只发生反应②，CO2剩余NaHCO3其上述转化关系可用数轴表示：二、生产和生活中碳及其化合物间的转化1.高炉炼铁(1)主要原料：焦炭和铁矿石(主要成分是Fe2O3)。(2)过程(实际起还原作用的是CO)：①还原剂的生成：C＋O2eq\o(=,\s\up7(高温))CO2；CO2＋Ceq\o(=,\s\up7(高温))2CO。②铁矿石被还原：Fe2O3＋3COeq\o(=,\s\up7(高温))2Fe＋3CO2。2.木炭燃烧木炭在燃烧过程中，发生着碳单质、一氧化碳和二氧化碳之间的转化，具体转化的过程如图：写出各步反应的化学方程式：①2C＋O2(不足)eq\o(=,\s\up7(点燃))2CO或C＋CO2eq\o(=,\s\up7(高温))2CO；②2CO＋O2eq\o(=,\s\up7(点燃))2CO2；③C＋O2eq\o(=,\s\up7(点燃))CO2；④CO2＋Ceq\o(=,\s\up7(高温))2CO。3.水垢中CaCO3的形成反应方程式：Ca(HCO3)2eq\o(=,\s\up7(△))CaCO3↓＋H2O＋CO2↑。4.碳在无机物和有机物间的转化1828年，德国化学家维勒用无机物氰酸铵(NH4CNO)首次合成了有机物尿素[分子式为CO(NH2)2]，开创了以含碳无机化合物合成有机化合物的先河。碳及其化合物间的转化有的属于单质、氧化物和盐之间的转化，有的属于盐与盐、氧化物与氧化物之间的转化，其转化关系为例3某实验工作者欲使1.6gFe2O3完全还原为Fe，则他实验前应准备的CO的体积(标准状况下)为()A.672mL B.336mLC.>672mL D.<672mL答案C解析由方程式Fe2O3＋3COeq\o(=,\s\up7(高温))2Fe＋3CO2可知，1.6gFe2O3完全还原需要标准状况下672mLCO，但实际操作中需要先通入CO排净装置中的空气，实验结束后再通入CO直至Fe冷却，故实验前准备的CO应大于672mL。思维启迪CO与金属氧化物在加热条件下还原出金属时，应先通入CO排出装置内的空气，否则CO和氧气在加热条件下反应发生爆炸。例4A、B、C、D、E五种物质的转化关系如下图所示。已知A为二元碱，微溶于水且溶解度随温度升高而降低。(1)写出各物质的化学式：A.__________________；B.__________________；C.__________________；D.__________________；E.__________________。(2)写出下列两个反应的离子方程式：B→D________________________________________________________________________，B→E________________________________________________________________________。答案(1)Ca(OH)2Ca(HCO3)2CaCO3CaCl2Na2CO3(2)HCOeq\o\al(－,3)＋H＋=CO2↑＋H2OCa2＋＋2HCOeq\o\al(－,3)＋2OH－=CaCO3↓＋COeq\o\al(2－,3)＋2H2O解析由题意知A为Ca(OH)2，Ca(OH)2与过量CO2反应，生成的B为Ca(HCO3)2，Ca(HCO3)2受热分解生成的C为CaCO3，CaCO3与盐酸反应生成的D为CaCl2。规律总结(1)CO2、COeq\o\al(2－,3)、HCOeq\o\al(－,3)之间相互转化时，反应产物与反应物之间的相对用量有关。(2)HCOeq\o\al(－,3)既能与酸反应，又能与碱反应，与酸反应生成CO2和H2O，与碱反应生成COeq\o\al(2－,3)和H2O。1.判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)大气中的CO2能被海洋溶解一部分(√)(2)自然界中同时存在产生CO2和消耗CO2的过程(√)(3)BaCl2溶液中通入CO2产生白色沉淀(×)(4)植物光合作用主要消耗CO2，因此植树造林能有效减弱“温室效应”(√)(5)加热碳酸氢钙溶液会变浑浊，加热碳酸氢钠溶液也会变浑浊(×)(6)高炉炼铁过程中，碳元素只显还原性(×)(7)钟乳石、石笋是由于CaCO3和Ca(HCO3)2的相互转化形成的(√)(8)CaCO3是水垢的成分之一(√)(9)高炉炼铁原理中涉及的反应均为氧化还原反应(×)(10)CO2是参与自然界中钟乳石、石笋形成的一种主要物质(√)(11)除去CO2气体中混有的CO，常采用的方法是通过灼热的CuO粉末(√)2.下列各变化中，在木炭燃烧时不可能发生的反应是()A.2C＋O2eq\o(=,\s\up7(点燃))2COB.C＋O2eq\o(=,\s\up7(点燃))CO2C.CO2＋Ceq\o(=,\s\up7(高温))2COD.CO2eq\o(=,\s\up7(△))C＋O2答案D解析二氧化碳比较稳定，加热条件下不分解。3.以下属于自然界中碳及其化合物间转化过程的是()①植物通过光合作用吸收二氧化碳形成葡萄糖②以无机化合物氰酸铵(NH4CNO)为原料合成尿素[CO(NH2)2]③钟乳石、石笋的形成④石油、天然气等化石燃料的形成A.①②③④ B.只有②③④C.只有①②③ D.只有①③④答案D解析①③④为自然界中碳及其化合物之间的转化过程，②属于生产和生活中碳及其化合物间的转化。4.将Ca(HCO3)2加热分解产生的混合气体通过足量的Na2O2，最后得到的气体是()A.CO2B.H2OC.N2D.O2答案D解析根据题意，可发生下列反应：Ca(HCO3)2eq\o(=,\s\up7(△))CaCO3↓＋CO2↑＋H2O,2Na2O2＋2H2O=4NaOH＋O2↑，2Na2O2＋2CO2=2Na2CO3＋O2，最终得到的气体是O2。5.下列各组物质中的两种物质反应时，反应物用量或反应条件的改变对反应产物没有影响的是()A.C和O2 B.Na2CO3和盐酸C.Na和O2 D.NaHCO3和NaOH答案D解析A项，C＋O2(足量)eq\o(=,\s\up7(点燃))CO2,2C＋O2(不足)eq\o(=,\s\up7(点燃))2CO；B项，Na2CO3＋HCl(少量)=NaCl＋NaHCO3，Na2CO3＋2HCl(足量)=2NaCl＋CO2↑＋H2O；C项，4Na＋O2=2Na2O,2Na＋O2eq\o(=,\s\up7(△))Na2O2；D项，NaHCO3＋NaOH=Na2CO3＋H2O。6.A、B、C、D、E、F六种物质有如下转化关系，E为淡黄色粉末，通常用在呼吸面具中作为氧气的来源。(1)A、C、E、F的化学式：A________，C________，E________，F________。(2)向饱和的C的溶液中通入足量CO2，会出现的现象是___________________________，有关反应的化学方程式为___________________________________________________。(3)鉴别C与F溶液应选用的试剂是________，有关反应的离子方程式为__________________。答案(1)NaNa2CO3Na2O2NaHCO3(2)析出晶体Na2CO3＋H2O＋CO2=2NaHCO3↓(3)CaCl2溶液COeq\o\al(2－,3)＋Ca2＋=CaCO3↓解析由题意可知E为解题突破口。E为淡黄色粉末，通常用在呼吸面具中作为氧气的来源，故E为Na2O2。据框图逆推A为Na，则B为NaOH，C为Na2CO3，D为NaCl，F为NaHCO3。题组1自然界中碳及其化合物间的转化1.下列不属于自然界中碳的循环过程的是()A.植物光合作用B.动物的遗体被微生物分解破坏，最终变成二氧化碳等物质C.空气中的二氧化碳被海水吸收，通过水生生物的贝壳和骨骼转移到陆地D.石墨矿的开采利用答案D解析石墨的成分就是碳，被开采利用是人类活动参与的碳的循环，不是自然界中的碳的循环。2.当下列物质：①大理石、②钟乳石、③锅垢、④贝壳、⑤蛋壳，分别滴入醋酸时，会产生相同气体的是()A.只有①② B.只有④⑤C.只有①②③ D.①②③④⑤答案D解析由于大理石、钟乳石、锅垢、贝壳和蛋壳的主要成分皆含有碳酸钙，分别滴入醋酸后，都会有CO2气体产生。题组2生产和生活中碳及其化合物间的转化3.控制二氧化碳排放，需要从人人做起，“低碳生活”成为新的时尚潮流。下列不属于“低碳生活”方式的是()A.多用电子邮件、微信、QQ等即时通讯工具，少用传真打印机B.尽量使用太阳能等代替化石燃料C.减少使用一次性餐具D.提倡塑料袋的无偿使用答案D解析多用电子邮件、QQ等通讯工具，少用传真打印，减少使用碳墨时所产生的含碳物质的排放；尽量使用太阳能等代替化石燃料，减少含碳物质的排放；减少使用一次性餐具，减少木材的砍伐，减少二氧化碳的排放。A、B、C项属于“低碳生活”方式。提倡塑料袋的无偿使用会增加二氧化碳的排放，且产生白色污染，不属于“低碳生活”方式。4.溶洞和钟乳石是大自然的杰作。溶洞和钟乳石的形成与自然界中碳及其化合物间的转化有着密切联系。下列有关自然界中碳及其化合物间的转化的说法，不正确的是()A.溶洞是通过CaCO3与H2O、CO2作用生成可溶性的Ca(HCO3)2形成的B.钟乳石是在一定条件下由可溶性的Ca(HCO3)2转化成CaCO3的结果C.溶洞和钟乳石的形成过程中没有涉及氧化还原反应D.游客的参观不会对其造成影响答案D解析溶洞是通过CaCO3与空气中的CO2和H2O作用生成可溶性的Ca(HCO3)2形成的，反应的化学方程式为CaCO3＋CO2＋H2O=Ca(HCO3)2，故A项正确；钟乳石是在一定条件下Ca(HCO3)2分解产生CaCO3的结果，反应的化学方程式为Ca(HCO3)2eq\o(=,\s\up7(△))CaCO3↓＋CO2↑＋H2O，故B项正确；在上述两个反应过程中每种元素的化合价均未发生变化，故C项正确；大量游客的进入会释放出更多的CO2，使溶洞中CO2的浓度增大，会对溶洞和钟乳石造成影响，故D项错误。5.气体X与赤热的炭反应得到一种无色气体Y，Y和灼热的氧化铁反应又得到X和铁，则X和Y依次是()A.CO、CO2 B.H2O(g)、H2C.O2、CO D.CO2、CO答案D解析Y能将Fe2O3还原为Fe，则Y具有还原性，又知Y是炭与气体X反应生成的，故Y为CO，X为CO2。6.按图所示装置持续通入X气体，并在管口P处点燃，实验现象是澄清的石灰水变浑浊，下列情况：①H2和NaHCO3，②CO和Na2CO3，③CO和CuO，④H2和Fe2O3中符合题意的X、Y可以是()A.只有①② B.只有①③C.只有①②③ D.只有③④答案B解析①H2点燃会使NaHCO3分解产生CO2使澄清石灰水变浑浊；②Na2CO3受热不会分解；③CO和CuO反应产生CO2使澄清石灰水变浑浊；④H2和Fe2O3反应产物不会使澄清石灰水变浑浊。题组3二氧化碳与盐和碱溶液的反应7.常温下向下列溶液中通入足量的CO2，有明显现象的是()A.饱和Na2CO3溶液 B.NaOH稀溶液C.饱和NaHCO3溶液 D.CaCl2溶液答案A解析A中发生反应Na2CO3＋CO2＋H2O=2NaHCO3↓，因NaHCO3溶解度小于Na2CO3的溶解度，故有晶体析出；B中发生反应NaOH＋CO2=NaHCO3，由于原溶液为稀溶液，故不可能有晶体析出；C项中的NaHCO3和D项中的CaCl2均不能与CO2反应。8.标准状况下将4.48LCO2通入1L0.3mol·L－1NaOH溶液中，当CO2与NaOH完全反应时，下列说法正确的是()A.溶液中只有一种阴离子(OH－除外)B.溶液中溶质的物质的量之比为1∶2C.反应后有CO2逸出D.反应后的溶液还可以吸收部分CO2答案D解析反应的方程式可能有：CO2＋2NaOH=Na2CO3＋H2O，CO2＋NaOH=NaHCO3。n(CO2)＝eq\f(4.48L,22.4L·mol－1)＝0.2mol，n(NaOH)＝1L×0.3mol·L－1＝0.3mol，则有：2＞eq\f(nNaOH,nCO2)＝3∶2＞1，所以，所得产物为Na2CO3和NaHCO3，溶液中存在的主要阴离子有COeq\o\al(2－,3)、HCOeq\o\al(－,3)，故A项错误；设碳酸钠的物质的量为xmol，则碳酸氢钠的物质的量为(0.2－x)mol，根据钠离子守恒可知：2x＋0.2－x＝0.3，解之得x＝0.1，所以溶液中溶质的物质的量之比为1∶1，故B项错误；溶液中存在碳酸根，说明CO2不足，故C项错误；溶液中存在碳酸根，所以反应后的溶液还可以吸收部分CO2，故D项正确。9.将足量CO2通入KOH和Ca(OH)2的混合稀溶液中，生成沉淀的物质的量(n)和通入CO2体积(V)的关系正确的是()答案D解析将CO2通入含OH－、Ca2＋的溶液中，依次发生CO2＋2OH－=COeq\o\al(2－,3)＋H2O、Ca2＋＋COeq\o\al(2－,3)=CaCO3↓、CaCO3＋CO2＋H2O=Ca2＋＋2HCOeq\o\al(－,3)的反应。生成CaCO3沉淀所需要的CO2与溶解CaCO3沉淀所需要的量相同。题组4碳酸盐与碳酸酸式盐的性质10.某溶液中含有HCOeq\o\al(－,3)、Na＋、Ba2＋、NOeq\o\al(－,3)等4种离子，若向其中加入少量的Na2O2固体后，溶液中离子浓度基本保持不变的是()A.HCOeq\o\al(－,3)B.Na＋C.Ba2＋D.NOeq\o\al(－,3)答案D解析溶液中加入少量Na2O2后发生如下反应：2Na2O2＋2H2O=4Na＋＋4OH－＋O2↑、HCOeq\o\al(－,3)＋OH－=COeq\o\al(2－,3)＋H2O、Ba2＋＋COeq\o\al(2－,3)=BaCO3↓。11.为制备干燥、纯净的CO2，将大理石和盐酸反应生成的气体先后通过装有下列物质的两个吸收装置，两个装置中应依次装入()A.水；无水CaCl2固体B.饱和NaHCO3溶液；浓H2SO4C.浓H2SO4；饱和Na2CO3溶液D.饱和Na2CO3溶液；稀H2SO4答案B解析因NaHCO3＋HCl=NaCl＋H2O＋CO2↑，所以CO2气体中含有HCl和H2O，而CO2难溶于NaHCO3溶液，故先用饱和NaHCO3溶液除HCl，再用浓H2SO4干燥，B项正确；饱和Na2CO3溶液与CO2反应，Na2CO3＋H2O＋CO2=2NaHCO3，不选用C、D项；CO2与CaCl2不反应但微溶于水，故不选A。12.向一定量的K2CO3溶液中缓慢滴加稀盐酸，并不断搅拌。随着盐酸的加入，溶液中离子数目也发生相应变化。如图所示，四条曲线与溶液中离子的对应关系完全正确的是()选项abcdACl－K＋COeq\o\al(2－,3)HCOeq\o\al(－,3)BK＋COeq\o\al(2－,3)Cl－HCOeq\o\al(－,3)CK＋COeq\o\al(2－,3)HCOeq\o\al(－,3)Cl－DK＋HCOeq\o\al(－,3)Cl－COeq\o\al(2－,3)答案C解析该反应的实质是COeq\o\al(2－,3)与H＋反应，K＋数目不变，则a表示K＋；当H＋较少时，发生反应H＋＋COeq\o\al(2－,3)=HCOeq\o\al(－,3)，HCOeq\o\al(－,3)数目增多，COeq\o\al(2－,3)数目减少，b表示COeq\o\al(2－,3)；当COeq\o\al(2－,3)完全反应时，HCOeq\o\al(－,3)数目最多，继续滴加H＋时，发生反应H＋＋HCOeq\o\al(－,3)=CO2↑＋H2O，反应结束时，HCOeq\o\al(－,3)完全反应，c表示HCOeq\o\al(－,3)；滴加盐酸的过程中Cl－并没有参与反应，呈不断增加的趋势，所以d表示Cl－。13.(1)珊瑚礁是珊瑚虫吸收海水中的钙和二氧化碳，然后分泌出石灰石，经过以后的压实、石化形成的礁石。珊瑚礁的主要成分是________(填化学式)，近年来珊瑚礁受海水侵蚀，退化严重，请写出海水侵蚀珊瑚礁的化学方程式：__________________________。(2)下图为一定量饱和Ca(OH)2溶液中通入CO2气体后，产生CaCO3白色沉淀的质量与通入的CO2体积之间的关系曲线。请回答：①OA段曲线所表示的化学反应方程式：__________________________________________，A点处已参加反应的CO2与Ca(OH)2的物质的量之比为________。②B处溶液中存在的浓度较大的两种离子是________和________(填离子符号)，将B处生成的溶液煮沸，可见到的现象是_______________________________________________。答案(1)CaCO3CaCO3＋H2O＋CO2=Ca(HCO3)2(2)①Ca(OH)2＋CO2=CaCO3↓＋H2O1∶1②Ca2＋HCOeq\o\al(－,3)溶液变浑浊(或产生白色沉淀)解析(1)珊瑚虫分泌出石灰石形成珊瑚礁，珊瑚礁的主要成分是CaCO3。(2)向饱和Ca(OH)2溶液中通入CO2气体一开始会产生白色沉淀，直到Ca(OH)2被完全反应后，白色沉淀量达到最大值，因此OA段的化学方程式为Ca(OH)2＋CO2=CaCO3↓＋H2O，A点处已参加反应的CO2与Ca(OH)2的物质的量之比为1∶1；继续通入CO2气体会使白色沉淀CaCO3转化为易溶于水的Ca(HCO3)2，白色沉淀消失，因此AB段的化学方程式为CaCO3＋CO2＋H2O=Ca(HCO3)2，B处为碳酸氢钙溶液，溶液中浓度较大的离子为Ca2＋和HCOeq\o\al(－,3)，将B处的溶液煮沸时发生反应Ca(HCO3)2eq\o(=,\s\up7(△))CaCO3↓＋H2O＋CO2↑。14.某固体物质A受热分解，生成B、C、D三种物质。B是一种钾盐，向B的水溶液中加入澄清石灰水，产生白色沉淀E；E溶于盐酸放出无色无味气体D；将D通入澄清石灰水中，先出现浑浊现象，然后又变澄清；C在常温下是一种无色液体。(1)写出A、B、E的化学式：A________，B__________，E________。(2)写出A受热分解反应的化学方程式：__________________________________________。(3)写出下列反应