一、碳的单质
　　金刚石、石墨和C60都是由碳元素组成的单质，但三种单质中碳原子的排列方式不同，导致他们的物理性质和用途上存在比较大的差异。即：结构决定性质，性质决定用途。

1．金刚石
　　纯净的金刚石是无色透明、正八面体形状的固体。金刚石是天然存在的最硬的物质。
　　右图是金刚石的微观结构图，每一个小球代表一个碳原子，每个碳原子位于一个正四面体的中心，周围四个碳原子位于四个顶点上，在空间构成连续的、坚固的骨架结构。这样的结构决定了金刚石的性质的稳定性。
　　世界上最著名的金刚石产地在南部非洲。这个地区的金刚石常常存在死火山的喷井中。人们认为它们是在极高的温度和压强下慢慢地形成的。开采出来的金刚石并没有宝石的外形和光彩，通过切割和磨光等工艺才给它们以光耀的外形。习惯上人们常将加工过的称为钻石，而未加工过的称为金刚石。
　　金刚石是最好的热导体。完整的金刚石单晶的导热性是银和铜的导热性的5倍（银和铜是最好的金属导体）。它的不导电性结合着它的优良的导热性使金刚石在半导体装置方面很有用。金刚石在普通溶剂中是不溶解的。
　　人造金刚石与天然金刚石在化学上是完全等同的，但它们是在实验室中生产出来的。它们是在对石墨以及作为溶剂和催化剂的金属施以极高的压强（5500大气压）和高温（2000℃）约一天的时间后制得的。
　　金刚石的硬度很大。它是碳的最密集的形式，密度大约是水的3.5倍。它的硬度（抗磨性）和密度都可以用它的结构来解释。由于它极高的硬度，金刚石被用于切割、钻孔和研磨。金刚石常被用来作为经久耐用的唱机针头。

2．石墨
　　石墨是深灰色的有金属光泽而不透明的细鳞片状固体。质地很软，有滑腻感，在隔绝空气的条件下，其熔点在3000℃以上，是最耐高温的矿物之一。
　　右图是石墨的微观结构示意图。石墨晶体是层状结构。在每一层内，每个碳原子都和相邻的三个碳原子相连，六个碳原子排成正六边形，一个个六边形排列成平面的网状结构。层与层之间作用力较微弱，因此石墨的润滑性很好。
　　自然界中纯净的石墨是没有的，其中往往含有杂质。这些杂质常以石英、黄铁矿、碳酸盐等矿物形式出现。石墨的工业特性主要决定于它的结晶形态。结晶不同的石墨矿物，具有不同的工业价值和用途。
　　石墨由于其特殊结构，而具有如下特殊性质：
　　（1）耐高温性；（2）导电、导热性；（3）化学稳定性；（4）可塑性；（5）抗热震性。
　　石墨在工业上用途很广，用于制作冶炼上的高温坩埚，机械工业上的润滑剂，制作电极、电刷、电棒、碳管、铅笔芯以及电视涂料等。

3．石墨与金刚石性质和用途上的差异：
　　⑴ 利用金刚石硬度大、耐高温可作钻探机的钻头；利用硬度大，可作玻璃刀；由于金刚石对光有折射散射作用，可做装饰品。
　　⑵ 利用石墨是一种深灰色、质软的固体，可做铅笔芯；利用石墨滑腻、耐高温，可做高温润滑剂。
　　⑶ 石墨可导电，可以作电极，又耐高温可做高温电炉的电极。
　　⑷ 利用石墨传热性能好，且耐高温，可做石墨坩埚。
　　⑸ 利用石墨耐酸碱的耐腐蚀性强，可做化工管道，耐酸槽、耐碱槽等。

4．木炭、活性炭、焦炭、炭黑
　　木炭、活性炭、焦炭及炭黑等都是由细小的石墨晶体和少量杂质组成。
　　木炭是一种黑色多孔的固体。在隔绝空气的条件下加热木材，可以制得木炭。因为木炭具有疏松多孔的结构，表面积很大，能把气体或溶液中的一些物质吸附在它的表面，可做吸附剂。
　　活性炭是黑色粉末状和颗粒状的固体。把木炭在隔绝空气的情况下加强热，并不断通入水蒸气，便可得到活性炭。它具有质轻、多孔、疏松、表面积非常大的特点，因此吸附性很好。活性炭具有比木炭更优良的吸附性能，可用来净化各种气体或液体。例如，活性炭可用做电冰箱的去味剂和制糖工业的脱色剂。防毒面具的滤毒罐里装的活性炭，可吸附毒气，而使纯净的空气通过。
　　煤通过高温干馏生产焦炭，焦炭是一种浅灰色，多孔性， 质地坚硬的固体，用于冶炼金属。
　　炭黑是一种黑色的极细粉末，由含碳的有机化合物不完全燃烧或强热分解制得的。蜡烛就是一种含碳的有机物，让它不完全燃烧，能制得炭黑。简单操作是：点燃一支蜡烛，把冷碟子放在火焰的上方，就可以收集到炭黑。炭黑，可用于制造油墨、油漆、鞋油、颜料以及橡胶轮胎的填料。

5．C60
　　C60分子是一种由60个碳原子结合构成的稳定分子，它具有60个顶点和32个面，其中12个为正五边形，20个为正六边形，它形似足球，因此又被称为足球烯。
　　足球烯是美国休斯顿赖斯大学的克罗脱（Kroto, H.W.）和史沫莱（Smalley, R.E.）等人于1985年提出的，他们用大功率激光束轰击石墨使其气化，用1MPa压强的氦气产生超声波，使被激光束气化的碳原子通过一个小喷嘴进入真空膨胀，并迅速冷却形成新的碳单质，从而得到了C60。C60的组成及结构已经被质谱、X射线分析等实验证明。此外，还有C70等许多类似C60分子也已被相继发现。
　　1991年，科学家们发现，C60中掺以少量某些金属后具有超导性，且这种材料的制作工艺比制作传统的超导材料——陶瓷要简单，质地又十分坚硬，所以人们预言C60在超导材料领域具有广阔的应用前景。

6．金刚石、石墨和C60的比较：
名称 金刚石 石墨 C60
外观 纯净的金刚石是一种无色透明、正八面体形状的晶体，有璀璨夺目的光泽 石墨是一种深灰色有金属光泽不透明的细磷片状的固体。质软，有滑腻感。 有金属光泽，其微晶粉末呈黄色。
结构 空间网状结构 空间层状结构 分子形似足球状。
导电性 几乎不导电 良好 几乎不导电
硬度 天然存在的最硬物质 质软 质脆
导热性 很好 良好 很差
用途 钻头、刻刀、装饰品 电极、铅笔芯、润滑剂 制备新材料、新配件、医学应用
　　金刚石和、石墨和C60的物理性质差异很大，是由于碳原子在这些物质里的排列方式不同，即金刚石和、石墨和C60的微观结构不同，导致它们在性质上尤其是物理性质上又很大的差别，由此可以明确，物质的组成和结构决定物质的性质。

7．碳和炭的区别
　　碳，指碳元素，属于化学用语。在书写元素名称和含碳的单质、碳的氧化物等物质时用“碳”。
　　炭，指含有杂质的碳单质，不是化学用语，仅在书写具体物质的名称时用“炭”，人工得到的碳单质都含有少量杂质，为了表示区别，常写成木炭、炭黑、活性炭等。

　　小资料：奇妙的碳纳米管
　　碳纳米管是最新研究出的碳元素的新的单质。它是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维”，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。这样的材料很轻，但很结实。它的密度是钢的1/6，而强度却是钢的100倍。用这样轻而柔软、又非常结实的材料作防弹背心是最好不过的了。如果用碳纳米管作成绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球－月球间的电梯，人们在月球定居就很容易了。
　　纳米碳管的细尖极易发射电子，如果用于作电子枪，可作成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。

二、碳的化学性质
　　1、稳定性
　　在常温下碳的化学性质稳定，在点燃或加热、高温的条件下，碳能和多种物质发生反应。

　　2、可燃性
　　木炭充分燃烧时生成二氧化碳，氧气不足时，则会生成一氧化碳。
　　C + O2  CO2，　　　 2C＋O2  2CO
　　含碳元素的燃料燃烧时，如果氧气不足都会产生CO，所以，预防“煤气”中毒采取的措施之一是：烟道通畅，燃气热水器使用时，使室内保持良好通风，有充足的氧气，使燃料充分燃烧。
　　无论碳充分燃烧，还是不充分燃烧，都放出热量。

　　3、还原性
　　木炭与氧化铜的反应
　　现象：黑色固体变红色，并有使澄清的石灰水变浑浊的气体产生。
　　反应：C＋2CuO 　2Cu+CO2↑
　　注意：
　　⑴ 在该反应中，碳得到氧，氧化铜失去氧而变成铜单质，这种含氧化合物里的氧被夺去的反应叫做还原反应。
　　⑵ 单质碳的还原性可用于冶炼金属，焦炭可以把铁从它们的氧化物中还原出来：2C+ Fe3O4 3Fe + 2CO2↑
　　⑶ 炽热的碳还能使二氧化碳还原为一氧化碳 C+CO22CO（吸收热量）
　　　 碳无论与氧化铜反应，还是与二氧化碳反应，都需要吸收热量。

　　【例题解析】
　　例1．具有保存价值的档案等都使用碳素墨水书写，这是因为墨汁中的碳 (　)
　　A．常温下化学性质稳定　　　　 　　　B．常温下被氧化成稳定性的物质
　　C．常温下被还原成稳定性的物质　　 　D．常温下跟纸反应生成稳定性的物质

　　【分析】墨汁中含有碳的单质。由于碳的单质在常温下化学性质稳定，故能够保存很久。
　　本题答案：A

　　2．已知A、B为两种黑色粉末，D为红色单质。A、B、C、D、E五种物质之间的转化关系如下图所示。
　　　　　　　　　　　　　
　　请回答：
　　（1）C的化学式为________________；
　　（2）A中金属元素的化合价是________________；
　　（3）反应①的化学方程式为________________。

　　【解析】本题的突破点：D为红色单质，所以为铜单质。C与澄清石灰水反应，有沉淀生成，所以C为CO2,反推回去，黑色固体A、B为CuO和C的混合物。
　　本题答案：
　　（1）CO2　 （2）+2　 （3）C+2CuO 2Cu+CO2↑　

　　3．测得某物质中只含有碳元素，这种物质 ( 　　　)
　　A．一定是一种单质　　　 B．一定是石墨　
　　C．可能是二氧化碳　　　 D．可能是一种单质，也可能是几种碳的单质的混合物

　　【分析】本题考查对同种元素组成的物质的理解。就碳元素而言，碳的单质有多种，如金刚石、石墨、C60等。如某物质中只有碳元素，可能是金刚石、石墨、C60等中的一种单质，也可能是金刚石、石墨、C60等多种单质组成的混合物。
　　本题答案：D

　　4．碳与氧气反应，既可生成CO2，又可生成CO。那么，如何设计实验证明木炭与氧化铜反应生成的是CO还是CO2？

　　【分析】检验CO2可用澄清的石灰水，看澄清石灰水是否变浑浊；检验CO可用点燃的方法，看火焰的颜色是否是蓝色的。实验装置如右所示。
　　若实验现象为：黑色粉末逐渐呈红热状态，有无色气体产生，通入澄清石灰水，则澄清石灰水变浑浊，尖嘴处所出气体不能燃烧，冷却后，试管内留有光亮的紫红色固体。
　　则由此可以得出，碳与氧化铜反应生成的是CO2：
　　C + 2CuO 　2Cu + CO2↑
　　本题答案：在大试管内盛放木炭与氧化铜的混合粉末，塞上带导管的单孔橡胶塞，在铁架台上固定，试管口略向下倾斜，使用酒精灯加热，将产生的气体通入带支管的盛放澄清的石灰水的试管内，观察石灰水是否变浑浊，若澄清石灰水产生白色浑浊，则说明产生了二氧化碳，若澄清石灰水没有产生白色浑浊，则说明没有产生二氧化碳；在支管处点燃，观察是否能燃烧及火焰的颜色，若观测到蓝色火焰则说明产生了一氧化碳，若没有观察到蓝色火焰，则说明没有产生一氧化碳。