碳的化学性质不同的原因

中国古代的书法家和画家用墨汁书写和绘画，留下了许多珍品，如图14-1所示。有些作品虽历经千年，但墨色不变。为什么这些水墨作品能保存这么久？

这是因为墨水主要由碳黑制成，碳黑的主要成分是碳。碳不溶于水。在室温下，它的化学性质是不活跃的。即使在阳光下，长期接触空气体和水也不容易引起化学变化。

1.碳和氧的反应

在常温下，碳的化学性质是不活跃的，但在高温下，碳的化学性质会变得非常活跃。木炭能在空气体中燃烧，是因为其中的碳在点燃后能与空气体中的氧气发生剧烈反应。木炭一旦点燃，只要空气体充足，木炭燃烧产生的高温就会使木炭不断与空气体中的氧气发生反应，直至燃尽。

[实验14-1]

在空气体中点燃一小块木炭，观察一段时间，用小燃烧勺将燃烧的木炭送入装有50mL氧气的多功能反应器中，观察现象。

木炭在空气体中安静燃烧，发出暗红色的光；它在氧气中剧烈燃烧，发出明亮的白光。木炭在空气体中安静燃烧的原因是空气体中的氧气被氮气等气体稀释。

C+O2点燃的二氧化碳木炭是人类较早利用天然材料获得的化学加工产物。由于木炭燃烧时能放出大量的热量，而且烟很少，没有气味，所以自古以来人们就把它作为一种优质燃料。当碳空气体不足时，燃烧会产生一氧化碳。2C+O2利用木炭和硫磺的易燃性，以及硝酸钾受热会分解释放氧气的性质，点燃2CO。1300多年前，中国人将木炭、硫磺和硝酸钾混合，发明了黑火药，并在1100多年前的宋初用于军事。

图14-1王羲之《兰亭序》

将0.5g新鲜木炭磨碎，与2g硝酸钾粉末混合，将混合物放在砖面或其他陶瓷材料表面，戴上防护眼镜，用长木条点燃混合物，观察现象。

这是一个易燃易爆的实验。做这样的实验和一些不知道安全的实验，一定要注意防毒防爆。手术时要注意:一是药物用量要小；第二，不要靠身体太近，眼睛也不要靠近观察。

硝酸钾和木炭的混合物会剧烈燃烧。反应过程其实相当复杂，但基本原理可以理解为硝酸钾受热分解产生的氧气和木炭放热燃烧相互促进的结果。因为硫磺比木炭更容易燃烧，所以硝酸钾和硫磺与木炭、硝酸钾和硫磺的混合物燃烧更剧烈。在一个封闭的空房间内，可燃物质和受热易产生氧气的物质的粉状混合物，一旦点燃，会因剧烈燃烧瞬间产生大量高温气体而发生爆炸。普通炸药就是根据这个原理制作的，鞭炮也是根据这个原理制作的。为安全起见，可燃材料和加热时易产生氧气的物质必须分开存放。储存鞭炮和炸药时要小心。

2.碳与某些氧化物的反应

与氧化铜碳(CuO，黑色固体，如图14-2)在较高温度下反应生成铜。

图14-2氧化铜

碳和氧化铜之间的反应需要高温。实验中，如果用酒精灯加热，可以自制一个加粗灯芯的酒精灯进行加热，用圆柱形的锡罩将酒精灯的火焰包围起来。铁盖底部留一些空隙，保证空的空气流速，提高温度。当碳和氧化铜反应时，木炭和氧化铜的混合粉末会突然变得红热，在盛有澄清石灰水[溶质为Ca (OH) 2]的广口瓶中会出现白色浑浊。拆卸装置时，先除去石灰水，然后停止加热，用夹子夹住导管的软管，使空气体无法进入试管。试管冷却后，取出导管，将试管内容物倒在纸上进行观察。试管中的物质反应后，得到带有金属光泽的浅红色和黄色的铜颗粒，温度不够高时得到暗红色的铜粉。

实验装置

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化学方程式

装有澄清石灰水的广口瓶出现白色混浊(见图14-4)。这是因为碳和氧化铜反应生成的二氧化碳与石灰水反应生成不溶于水的碳酸钙。

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图14-4

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反应方程式

这种反应常用于测试二氧化碳和石灰水。

氧化铜的碳还原

这样，一种化合物和一种单质形成另一种化合物和另一种单质的反应，就叫置换反应。

在碳与氧化铜的反应中，碳将氧化铜中铜的化合价从+2降低到0，而自身的化合价从0增加到+4。在反应中，一种物质具有降低其他物质中元素化合价的性质，而自身的元素化合价增加，这种性质称为还原性。物质在反应中具有增加其他元素化合价，降低自身元素化合价的性质，称为氧化。所以碳有还原性，氧化铜有氧合性。在金属冶炼中，人们利用某些物质的还原性，将某些金属元素从其氧化物还原成单质。在这个过程中，金属元素的化合价由高变低。氧化和还原物质在一起容易发生化学反应，有时表现为燃烧甚至爆炸。

工业硅的生产以石英岩、木炭、低灰煤、木屑等为原料。作为原料，即利用碳的还原性从石英岩中还原硅。石英的主要成分是二氧化硅，木炭、低灰煤和木屑提供碳，木炭和木屑也能为反应创造良好的通风环境。工业硅生产的主要反应是:

二氧化碳的反应方程式

科学家在研究问题时经常建立数学模型。比如密度的表达式ρ=m/V就是一个数学模型，分解反应的数学模型可以表示为AB = = = A+B。

安全烟花

绚丽的烟花

如图1所示，在试管中加入一些氯酸钾，并在氯酸钾上放一个比试管口略细的短圆柱形木炭。在铁架上，将试管口朝上垂直固定，用酒精灯加热，观察现象。后来，在氯酸钾中加入少量二氧化锰，观察现象。到了晚上，你会发现木炭发出红色和黄色的光，在试管里上下跳跃。当木炭升起时，它就像一个红色和黄色的烟花，有时悬浮在试管的口上。如果事先将木炭浸泡在氯化铜或硫酸铜的浓溶液中，然后晾干，或者将细铜线穿入木炭中，就会发现制作的烟花发出美丽的绿光。也可以把氯酸钾换成硝酸钾或高锰酸钾做实验，或者把木炭换成柴火或糖果。