金刚石与石墨同含碳元素，却不是同一种物质；CO与CO₂只差一个氧原子，性质也不能照搬。这一页把结构、性质和实验证据放在一起比较，再用具体条件判断反应怎样发生。
| 金刚石 | 石墨 | C₆₀ |
|---|---|---|
 |  |  |
| 碳原子连接成立体网状结构 | 碳原子形成层状结构 | 每个分子由60个碳原子构成 |
| 比较项 | 金刚石 | 石墨 | C₆₀ |
|---|---|---|---|
| 常见性质 | 硬度很大，纯净样品无色透明；通常不导电 | 灰黑、有金属光泽，质软滑腻，导电性良好 | 具有独立分子，不能照搬前两者的硬度、导电性 |
| 结构与性质的联系 | 牢固空间结构使其难以被划伤 | 层间易相对滑动；导电性与其结构有关 | 分子构成和排列方式不同 |
| 性质对应用途 | 硬度大→钻头、切割工具；特定金刚石薄膜透光、耐磨→光学涂层；导热好→集成电路基板散热 | 质软→铅笔芯；导电→电极；滑腻→润滑材料；滑腻、导电与耐高温共同支持受电弓滑板用途 | 作为新型碳材料的研究对象，具体用途依条件 |
它们都由碳元素组成，但碳原子的连接、排列方式不同，物理性质不同。不能说成“碳原子种类不同”。C₆₀由分子构成，金刚石和石墨不按独立C₆₀分子描述。
石墨在特定条件下转变为金刚石，生成了另一种物质，属于化学变化。三者具有碳单质的一些化学共性，但反应活性并不保证完全相同。只含一种元素的样品也可能是不同单质的混合物。
活性炭、木炭有丰富孔隙和可接触表面，能吸附部分异味物质和色素。常见除味、脱色主要利用物理吸附，不是把所有污染物都化学分解。
| 判断 | 条件与边界 |
|---|---|
| 表面积较大，通常有利于吸附 | 还要看孔隙、吸附对象和条件，不能只凭一个因素绝对排序 |
| 活性炭常用于除味、脱色 | 不是万能除杂剂，不能由此断言能除所有溶质或杀菌 |
| 吸附后作用会减弱 | 可用位置有限，达到一定负载后需更换或适当再生 |
| 木炭、活性炭主要含碳 | 实际样品常含其他成分，不能单凭名称认定纯碳单质 |
“碳”用于元素名称或表示碳单质，“木炭”“活性炭”等材料名称用“炭”，两字不能随意替换。
石墨粉与黏土粉混合可制铅笔芯；“铅笔芯”并不因此含金属铅。不要把其他碳材料一概说成完全没有吸附能力，本页比较的是常见性质与用途。
| 条件与表现 | 化学方程式或实例 | 判断依据 |
|---|---|---|
| 常温相对稳定 | 碳墨字迹能较长时间保存 | 不易反应，不是永不反应 |
| 氧气较充分、点燃 | 碳的可燃性 | |
| 氧气不足时可生成CO | 氧量与温度等影响产物 | |
| 高温还原氧化铜 | 碳得到氧，CuO失去氧 | |
| 高温与CO₂反应 | CO₂并非在任何条件下都不反应 |
初中可从“得氧、失氧”理解：碳得到氧，被氧化，表现还原性；CuO失去氧，被还原，表现氧化性。还原剂不是“自己被还原”的物质。
| 性质 | CO₂ | CO |
|---|---|---|
| 通常颜色、气味 | 无色、无臭 | 无色、无臭 |
| 同温同压与空气比较密度 | 较大 | 略小 |
| 水中溶解 | 能溶于水，部分与水反应 | 难溶于水 |
| 常见燃烧条件 | 一般不燃烧、不支持常见可燃物燃烧 | 可燃，燃烧呈蓝色火焰 |
| 与热CuO反应 | 不用作本实验的还原剂 | 可将CuO还原为铜 |
| 与水、澄清石灰水 | 可发生对应反应 | 本页常温条件下无同样反应 |
| 相关风险 | 高浓度不能视为安全，也不能供给呼吸 | 有毒，妨碍人体正常供氧；不能靠闻辨别 |
一个CO分子含一个碳原子和一个氧原子；一个CO₂分子含一个碳原子和两个氧原子。不能写成“CO₂由碳原子和氧分子组成”。
| 反应 | 主要现象或应用 | 限制 |
|---|---|---|
| 湿石蕊纸花变红 | 不能说干CO₂本身就是酸 | |
| 加热变红纸花可恢复紫色 | 碳酸不稳定，加热促进分解 | |
| 石灰水变浑浊 | 适量CO₂；过量继续通入可再次澄清 | |
| 常用于吸收CO₂，通常无明显浑浊 | 无明显现象不等于不反应；需足量吸收液 |
二氧化碳的溶解与反应不能混为一个概念：进入水中的CO₂有一部分发生反应，不能说所有溶解的CO₂都变成碳酸。石灰水产生沉淀适于观察；NaOH溶液适于较充分吸收，两者的目的不同。
燃烧与还原都能使CO转化为CO₂，但用途不同：前者利用放热，后者利用其夺取金属氧化物中氧的能力。CO与空气混合后受热或点燃有危险，尾气也不能直接排入室内。
图示是实验分析，不是自行操作指南
涉及CO、高温、强碱及有毒尾气的实验，只能在有条件的实验室由教师规范组织。水不能有效吸收CO；不得用嗅闻、试火等方式判断未知环境安全，也不能用“灯火正常”证明地窖等空间可以进入。
| 用途 | 直接依据 | 不能推出什么 |
|---|---|---|
| 干冰冷却 | 固体CO₂常压下升华吸热 | 干冰不是水冰；升华不生成新物质 |
| 适当条件下人工增雨 | 干冰升华使周围降温 | 不是任何天气都能产生降雨 |
| 常见灭火情境 | 通常不燃、不助燃，密度比空气大 | 不能用于一切可燃物，例如镁仍可与CO₂反应 |
| 气体肥料 | 植物光合作用利用CO₂ | 不能忽略光照等其他条件 |
| 含碳原料利用 | 转化成其他物质 | 化学利用不自动等于全生命周期净减排 |
干冰用于冷藏后升华，CO₂仍存在，不能把短期物理利用等同于从总量上消耗它。碳循环、长期封存和低碳行动在环境专题结合完整过程讨论。
方法： 先问需要硬度、导电、润滑还是吸附，再对应材料。相同元素组成不能抹去结构差别。
题目
常用于去除冰箱、汽车中部分异味的含碳材料是：
A. 活性炭
B. 金刚石
C. 石墨
D. C₆₀
并说明金刚石、石墨与C₆₀物理性质不同的主要原因。
解析
活性炭的孔隙和表面适于吸附部分异味物质，所以选A。另三者不作为本题常用除味材料，但不能说它们在所有条件下都完全没有吸附能力。
三种碳单质的原子连接、排列方式不同，形成不同结构。不是碳原子种类、大小或质量不同造成的。
本题结论
选A；结构差异导致物理性质差异。
方法： 先看碳与氧化物是否混合，再沿气流找反应物。黑变红与石灰水浑浊分别提供固体、气体两条证据。停止加热后的倒吸与再氧化，是两个不同风险。
| 固体碳还原CuO装置 | 解释 |
|---|---|
| 刚加热时先有气泡 | 原有空气受热膨胀排出，不能立刻判成反应生成CO₂ |
| 后来黑色逐渐变红、石灰水浑浊 | 支持生成铜和CO₂ |
| 常规图示结束时先移出液下导管再停热 | 防冷却降压引起液体倒吸 |
| 冷却后再取固体 | 减少热铜接触空气再氧化 |
这不是CO气流还原装置，不能机械套“先通CO”。若图中另有阀门、保护气和旁路，要按实际气路判断。
题目
装置原先充满CO₂，碳粉与CuO分开放置。按题设先加热碳粉，再加热CuO处，黑色CuO逐渐变红。是否能直接把局部反应解释为碳粉接触CuO并将它还原？写出两段主要反应。
解析
不能。碳与CuO分开，不能忽略气体中间产物。
先在高温下：。
再由生成的CO还原CuO：。
气球用于收集含未反应CO的尾气，不是已经把尾气点燃。
本题结论
CO是该装置中的气体还原剂；按两段反应解释。
题目
按图通气一段时间后加热CuO。玻璃管内有什么现象？图中的气球有何作用？为什么需先通气后加热，结束后先停热并在保护气流下冷却？
解析
黑色CuO逐渐变成红色铜。气球收集含未反应CO的尾气，防止它直接排放；本图没有点燃尾气装置，不能写成“气球燃烧CO”。
开始通气是为排出原有空气，避免CO与空气混合受热带来危险。结束先停热、冷却时维持合适保护气氛，是防止热铜接触空气重新氧化。具体安全操作由教师按完整装置确定。
本题结论
黑色变红；气球收集有毒尾气；顺序分别关系到混合气安全与铜的再氧化。
方法： 干湿差别检验水的作用，高低先后用于判断气体积聚；同一图中的不同证据不能互相替代。纯净、干燥气体的条件还用于排除水汽和酸性杂质干扰。
题目
将纯净、干燥CO₂缓慢通入图中装置：干燥纸花始终不变色，下方湿纸花先红，上方湿纸花后红。另有对照：只向紫色纸花喷水，纸花不变红。分别解释干湿对照和上下先后；取出红纸花加热后恢复紫色，原因是什么？
解析
水单独不使纸花红，干CO₂也不足以使干花红，而湿花在CO₂中变红，说明水参与形成酸性物质：。
在题设缓慢通气条件下，下方先积聚CO₂，湿花先红，支持CO₂密度大于空气；不是因为“下面的纸花更酸”。
加热后碳酸分解，酸性影响减弱：，纸花恢复紫色。
本题结论
干湿判断水参与；上下判断积聚与密度；加热恢复说明碳酸不稳定。
题目
缓慢通入CO₂，避免气流直接冲向上层蜡烛。观察到下层先灭、上层后灭。能得出哪些性质？若上层先灭，能否立刻判CO₂比空气轻？
解析
下层先积聚气体，支持CO₂在此条件下密度比空气大；蜡烛不能继续燃烧，说明它不支持本实验中蜡烛燃烧。CO₂本身也没有燃烧。
若气流直冲上层或直接吹熄火焰，先后顺序受操作影响，不能直接据此否定密度关系。因此需要缓慢通入并避免直接冲击。
本题结论
密度较大、通常不燃且不支持蜡烛燃烧；先后顺序需控制气流干扰。
方法： 只有在题设采用“碳和氧气充分反应，产物按CO、CO₂及剩余反应物判断”的理想模型时，才用质量比边界。真实产物还受温度、接触等条件影响，不能单凭投入比无条件断定。
| 参照反应 | 参与反应的 |
|---|---|
| C＋O₂→CO₂ | 12∶32＝3∶8 |
| 2C＋O₂→2CO | 24∶32＝3∶4 |
在上述模型下，碳氧质量比介于3/8与3/4之间，可由两种产物共同满足质量守恒；小于3/8时氧气可能剩余，大于3/4时碳可能剩余，不能忘记反应物也可能出现在最终混合物中。
题目
按本节理想反应模型，8 g碳与16 g氧气充分反应，碳和氧气均恰好消耗，含碳气体只有CO和CO₂。最终是其中一种，还是两种都有？
解析
投入比为，介于与之间，必须两种都有。
也可直接验证：若只生成CO₂，8 g碳需要 g氧气，氧气不足；若只生成CO，8 g碳仅消耗 g氧气，与两种反应物均恰好消耗的题设不符。
本题结论
CO与CO₂都有；结论依赖题设产物和耗尽条件。
自查： 看候选范围。已知只可能是CO和CO₂，石蕊变红可以区分；若候选无限制，其他酸性气体也可能给相似现象。
常温下只让干燥石灰石分别接触CO和CO₂，没有足够区别现象；若再加水等，条件已经改变。在同温、同规格软瓶分别充满已知CO和CO₂的题设下，加入相同适量水并密闭振荡：CO₂的溶解及部分反应可使瓶内压强降低、软瓶明显变瘪；CO难溶于水，形变不明显，可据差异鉴别。但单凭某瓶变瘪，不能区分物理溶解与化学反应。
题目
甲已知两个瓶分别装CO和CO₂，想用紫色石蕊溶液鉴别。乙向某未知气体中加入紫色石蕊溶液，变红便断言气体一定是CO₂。两人的结论是否都可靠？
解析
甲在题设候选只有两种、其他条件合适时可利用差异：CO₂与水形成酸性物质使石蕊红，CO没有同样现象。乙证据不足，其他酸性气体也可能使石蕊红。
同理，石灰水浑浊是常用CO₂证据，但对未知复杂混合气也应结合候选物和排除干扰，不能只记一种现象万能。
本题结论
甲可用；乙不能仅凭石蕊红唯一确认。
自查： 不消耗主要气体，不引入新的难分离杂质；去杂与干燥是两个任务。
| 目标 | 常见方法及原理 | 限制 |
|---|---|---|
| 除CO中的CO₂ | 足量NaOH溶液吸收CO₂ | 湿气若还要求干燥，要另选合适干燥步骤 |
| 除CO₂中的少量CO | 通过足量灼热CuO，CO转为CO₂ | 核对反应条件，不能直接套吸收CO₂的方法 |
题目
为除去CO₂中少量CO，小明提出“通入过量O₂再点燃”。小华提出“用一盆水吸收CO”。两种方案是否合适？
解析
都不合适。少量CO分散在大量CO₂中，未必达到能点燃的条件；通入过量O₂又会留下新杂质。CO难溶于水，一盆水不能有效除去它，也不能作为防中毒措施。
按教材除杂原理，可以让CO与足量灼热CuO反应生成CO₂；涉及有毒气体和高温的实际实验必须规范组织。
本题结论
两方案均不合适；需同时检查反应条件、选择性与新增杂质。
自查： “一般不支持常见可燃物燃烧”带范围，不等于与任何燃料都不反应。
题目
已知点燃的镁可与CO₂反应生成MgO和碳。写出方程式，并判断能否把“CO₂通常用于灭火”推广到镁燃烧。
解析
方程式：
镁能从CO₂中取得氧并继续反应，因此不能把常见灭火用途推广到镁火。这个反例也说明燃烧不一定要求游离氧气参与。
本题结论
不能推广；要按具体燃烧物与灭火介质的反应性判断。
自查： 木炭和CuO本来都黑，必须区分“没有出现铜”与“生成铜但仍混有黑色物质”。
题目
木炭还原CuO后出现红色固体，同时还有黑色粉末。小明说：“没有全部变红，所以反应一定完全没发生。”判断并说明黑色残余的可能来源。
解析
红色铜已经提供反应发生的证据，不能说完全没反应。黑色残余可能是过量木炭，也可能是未反应完的CuO；仅凭颜色不能唯一确定。应结合用量、反应条件和进一步检验判断。
本题结论
推断错误；剩余碳与未反应CuO都是需要考虑的可能。
