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碳族元素 碳及其化合物 1．復習重點 1．碳族元素原子結構的特點、碳族元素化合價為正四價和正二價； 2．碳族元素的性質及其遞變規(guī)律； 3．碳和硅的性質、用途。 2．難點聚焦 1.碳和硅的化學性質 化學性質 碳 硅 還原性 與單質反應 （不穩(wěn)定） 與氧化物反應 與酸反應 不與、等反應，但有： 與水或堿溶液反應 與反應 2.二氧化碳和二氧化硅的結構、性質比較（見表7—7） 項目 類別 酸性氧化物 酸性氧化物 晶體類型 分子晶體 原子晶體 熔點和沸點 低 高，硬度大 化學性質 不溶于水，與水也不反應 聯(lián)系 3. 硅及其化合物的特性 1. Si的還原性大于C，但C卻能在高溫下還原出Si： 2. 非金屬單質跟堿液作用一般無放出，但Si卻放出H2： 3. 非金屬單質一般不跟非氧化性酸作用，但Si能與HF作用： 4. 非金屬單質一般為非導體，但Si為半導體。 5. SiO2是的酸酐，但它不溶于水，不能直接將它與水作用制備H2SiO3。 6. 非金屬氧化物的熔沸點一般較低，但SiO2的卻很高。 7. 酸性氧化物一般不與酸作用，但SiO2能跟HF作用： 8. 無機酸一般易溶于水， 卻難溶于水。 9. 因H2CO3的酸性大于H2SiO3，所以在Na2SiO3溶液中通入CO2能發(fā)生下列反應：，但在高溫下 也能發(fā)生。 10. Na2SiO3的水溶液稱水玻璃，但它與玻璃的成分大不相同，硅酸鈉水溶液（即水玻璃）俗稱泡花堿，但它卻是鹽的溶液，并不是堿溶液。 4.硅與堿溶液的反應特點 硅與強堿溶液反應的實質是什么？究竟哪種物質是氧化劑？根據(jù)化學方程式： 進行分析，似乎和都是氧化劑，其實不然。上述反應實際分兩步進行 ① ② 其中反應①為氧化還原反應，反應②為非氧化還原反應。合并①②兩式得總反應方程式。其中NaOH既不是氧化劑，也不是還原劑，只是反應物、起氧化作用的只是H2O。所以H2O是①式的氧化劑，也是總反應的氧化劑。為表示反應的實質（或要求標出電子轉移方向和數(shù)目時），可寫成： 11．碳及其化合物的知識網(wǎng)絡 Ca(HCO3)2 C CO2 CaCO3 CaC2 C2H2 CO 有機物 NH4HCO3 CH4 H2CO3 Na2CO3 NaHCO3 O2 SiC 、CCl4 不完全燃燒 O2(不足) O2 (不足) ①O2 ②CuO 熾 熱的碳 NH3H2O O2 (點燃) △ H2O CaO △ Si、Cl2 (△) Mg (點燃) ①O2 (點) ②CuO (△) C、CO Na2O2 NaOH H2O NaOH H＋ Ca(OH)2 ①高溫②H+ Ca2＋ CO2 、H2O △ Ca(OH)2 CO2 (水) ①OH― ②加熱 硅及其化合物的知識網(wǎng)絡 Na2SiO3 CO2,H2O NaOH H2SiO3 SiH4 Si SiO2 CaSiO3 SiF4 H4SiO4 SiC SiCl4 O2 (自燃) H2 ①O2(△) ②FeO (高溫) F2 HF Cl2 (高溫) H2 (高溫) C(高溫) C(高溫)足量 Na2CO3 (高溫) NaOH(溶液) ①CaO(△) ②CaCO3 (△) Ca2＋ -H2O C(適量) 3．例題精講 例1] 下列關于碳族元素的說法正確的是 ] 　　A．單質都是無色晶體 　　B．單質中硅單質熔點最高 　　C．碳族元素形成的化合物種類最多 　　D．在化合物中最穩(wěn)定的化合價都是+4價 　　分析： 對選項A：在碳族元素所形成的單質中，只有金剛石為無色晶體，故A是錯的。 　　對選項B：在碳族元素形成的單質中，金剛石、晶體硅為原子晶體，金剛石的熔點比晶體硅高。本族單質的熔點與鹵族元素單質熔點遞變趨勢不同，鹵族單質熔點從F2→I2依次升高，碳族元素單質由C→Pb熔點呈降低趨勢，故B項是錯誤的。 　　對選項C：碳族元素位于周期表中部，易形成共價化合物特別是碳元素是構成種類繁多的有機物的最重要元素。 　　對選項D：Pb的穩(wěn)定價態(tài)為+2，故選項D也是錯誤的。 　　答案：C 例2] 通過硅、磷、硫、氯與氫氣反應的情況及氫化物的穩(wěn)定性說明它們非金屬性的強弱，并用原子結構理論加以解釋。 　　分析： 元素非金屬性越強，越容易與氫氣發(fā)生反應，生成的氣態(tài)氫比物越穩(wěn)定。比較硅、磷、硫、氯與氫氣反應的難易程度，就可以得知它們非金屬性的強弱。 　　答案：硅只有在高溫下才能跟氫起反應生成氣態(tài)氫化物SiH4。磷的蒸氣和氫氣能起反應生成氣態(tài)氫化物PH3，但相當困難。在加熱時硫蒸氣能跟氫氣化合生成氣態(tài)氫化物H2S。氯氣跟氫氣在光照或點燃時就能發(fā)生爆炸而化合，生成氣態(tài)氫化物HCl。這幾種氫化物穩(wěn)定性由小到大的順序是：SiH4＜PH3＜H2S＜HCl。由以上事實可知非金屬性由弱到強的順序是Si＜P＜S＜Cl。根本原因在于：硅、磷、硫、氯核外電子層數(shù)相同，隨原子序數(shù)的遞增最外層電子數(shù)逐漸增加，原子半徑遞減，核對外層電子引力增強，元素的非金屬性也就逐漸增強。 例3] 最近，科學家研制得一種新的分子，它具有空心的類似足球狀結構，化學式為C60，下列說法正確的是 ] 　　A．C60是一種新型的化合物 　　B．C60和石墨都是碳的同素異形體 　　C．C60中含離子鍵 　　D．C60的式量是720 　　 分析： 足球烯C60是課本正文中未曾學到過的，但只要明確單質、化合物、同素異形體、化學鍵、式量的概念，對各選項進行認真辯析，不難作答。C60是由同種元素（碳）組成的純凈物，屬于單質；碳原子之間以共價鍵相結合；C60和石墨都是由碳元素形成的不同單質，都是碳的同素異形體，C60的式量=1260=720。解題方法為概念辯析法。 　　答案：BD 例4] 如果發(fā)現(xiàn)114號新元素（位于第7周期IVA族），下列有關X可能具有的性質合理的是 ]。 　　A．X是非金屬元素 　　B．X的+2價化合物比+4價化合物穩(wěn)定 　　C．XO2具有強氧化性 　　D．X有穩(wěn)定的氣態(tài)氫化物 　　分析：根據(jù)碳族元素性質遞變規(guī)律，可推知114號元素的金屬性比鉛還強，一定是金屬元素。它的穩(wěn)定價態(tài)應與鉛相同，即為+2價，所以XO比XO2穩(wěn)定。X4+離子另得電子變成X2+，所以XO2具有強氧化性。X是金屬元素，不可能存在穩(wěn)定的氣態(tài)氫化物。 答案：BC 例5] 近年來，科學家在氦的氣氛中給石墨電極通電，石墨揮發(fā)，在其揮發(fā)的黑煙中發(fā)現(xiàn)了C60，它與金剛石互稱①。它是一種具有空心類似足球狀結構的新分子，碳原子之間存在②鍵，它的摩爾質量是③，而金剛石是一種④結構的⑤晶體，碳原子間通過⑥鍵結合，含有碳原子構成的環(huán)，則最小環(huán)上有⑦（填數(shù)字）個碳原子，每個碳原子上的兩個碳碳鍵的夾角都是⑧（填角度）。 　　分析：從C60分子組成便知，它是由碳元素組成的一種單質，與金剛石互為同素異形體。在分子中，碳原子與碳原子之間以共價鍵結合，它的摩爾質量可由化學式求，即1260＝720g/mol。金剛石是一種正四面體型空間網(wǎng)狀結構，晶體中一個碳原子位于正四面體中心，四個碳原子以共價鍵與它結合，分別位于正四面體的四個頂點上。形成最小的環(huán)，含的碳原子數(shù)必須通過平時分析教材中插圖或模型而知，鍵角為10928′。本題著重考學生同素異形體概念及培養(yǎng)三維空間思維能力。 　　答案：①同素異形體②共價③720g/mol④空間網(wǎng)狀⑤原子⑥共價⑦6⑧10928′。 例6] 二氧化硅的熔沸點較高的原因是 ] 　　A．二氧化硅中，硅氧原子個數(shù)之比為1∶2 　　B．二氧化硅晶體是立體網(wǎng)狀的原子晶體 　　C．二氧化硅中，SI-O鍵的鍵能大 　　D．二氧化硅晶體中原子以共價鍵相結合 　　分析：此題難度不大，但涉及二氧化硅晶體結構的重點知識。二氧化硅熔沸點較高的原因，是由于其晶體里SI-O鍵的鍵能很高，并形成了一種立體網(wǎng)狀的原子晶體，熔融它需消耗較多的能量。所以，本題應選B、C兩個選項。 　　答案：BC 　例7] 下列說法正確的是 ] 　　A．二氧化硅溶于水顯酸性 　　B．二氧化碳通入水玻璃中可以得到原硅酸 　　C．因為高溫時二氧化硅與碳酸鈉反應放出二氧化碳，所以硅酸的酸性比碳酸強 　　D．二氧化硅是酸性氧化物，它不溶于任何酸 　　分析：此題是關于硅及其化合物性質的選擇題，宜采用篩選法。 　　A．SiO2很難溶于水，無法顯酸性。 　　B．原硅酸酸性比碳酸弱，CO2通入水玻璃（Na2SiO3溶液）會發(fā)生強酸制取弱酸的復分解反應： Na2SiO3＋2H2O＋CO2==Na2CO3＋H4SiO4↓ 　　C．高溫時如下反應可以進行： SiO2＋Na2CO3==Na2SiO3＋CO2↑ 　　但因為CO2成氣態(tài)逸出，并不說明硅酸比碳酸強，硅酸和碳酸酸性強弱的比較是指在水溶液中的情況。 　　D．SiO2可以溶于氫氟酸中，這是SiO2的一個重要特性。 SiO2＋4HF==SiF4↑＋2H2O 　　 答案：B 例8] 碳化硅（SiC）的一種晶體具有類似金剛石的結構，其中碳原子和硅原子的位置是交替的。在下列三種晶體①金剛石、②晶體硅、③碳化硅中，它們的熔點從高到低的順序是： ] 　　A． ①③② 　　B． ②③① 　　C． ③①② 　　D． ②①③ 　　 分析：此題是給出新情境的信息遷移題。給出的新情境，是碳化硅的一種晶體具有類似金剛石的結構；此題的考查內容，是化學鍵與晶體結構。 　　所列三種晶體均是原子晶體，結構相似，晶體內的結合力是呈空間網(wǎng)狀的共價鍵： 　　共價鍵鍵長：C—C鍵＜C—Si鍵＜Si—Si鍵 　　共價鍵鍵能：C—C鍵＞C—Si鍵＞Si—Si鍵 　共價鍵鍵長越短，鍵能越大，則原子晶體的熔點越高。所以三者的熔點由高到低的順序是：金剛石、碳化硅、晶體硅。 答案：A 例9] 物質A是一種高熔點化合物，不溶于硫酸，硝酸等強酸。A與純堿熔融反應，生成化合物B，同時放出氣體C；把氣體C通過B的溶液中，則得到化合物D；D在干燥空氣中轉變?yōu)榛衔顴；將E加熱又得到化合物A。試寫出A、B、C、D、E的化學式：A____、B____、C____、D____、E____。 　　分析：此題應根據(jù)對實驗現(xiàn)象的分析，得出結論。A是不溶于硫酸、硝酸等強酸的高熔點化合物，它能與純堿熔融反應，而且放出氣體C，可初步判斷A可能是SiO2，B可能是Na2SiO3，C可能是CO2。若把CO2通過Na2SiO3溶液中，會得到膠狀沉淀H4SiO4，H4SiO4在干燥空氣中易脫水生成H2SiO3，H2SiO3只有加熱才能生成SiO2。這些都是與題目所給出的實驗現(xiàn)象相符合，這就證實A確實是SiO2。A判斷出來了，其它物質的推斷就迎刃而解。 　　答案：A：SiO2、B：Na2SiO3、C：CO2、D：H4SiO4、E：H2SiO3 例10] 下列關于二氧化硅的說法是否正確？簡釋理由。 　　A．二氧化硅分子是由1個硅原子和兩個氧原子構成； 　　B．二氧化硅又叫硅酐； 　　C．二氧化硅與水化合生成對應水化物硅酸； 　　D．二氧化硅為酸酐與堿反應不與酸反應； 　　E．二氧化硅與碳酸鈉反應生成CO2，所以硅酸酸性比碳酸強。 　　分析：判斷是非題，一般屬于概念性知識多，判斷的正確率決定于掌握知識的正確性和完整性。A錯，二氧化硅為原子晶體，晶體是氧原子與硅原子個數(shù)比為2∶1的網(wǎng)狀主體結構，沒有分子，SiO2為化學式而非分子式； 　　B對，二氧化硅是硅酸的酸酐； 　　C錯，二氧化硅是不溶于水的酸酐； 　　D錯，二氧化硅為酸酐，具有酸酐的通性，能于堿反應，但二氧化硅具有特性，可與氫氟酸反應； 　　E錯，二氧化硅與碳酸鈉反應生成硅酸鈉是在高溫，利用CO2的揮發(fā)性，促使反應完成，并不能說明硅酸酸性強于碳酸。 　　答案：B 例11] （1）怎樣用化學方法檢驗生石灰里混有的石英和石灰石？并寫出有關的化學方程式。 　?。?）怎樣用一種試劑鑒別硅酸鈉、硫酸鈉、碳酸鈉3瓶未知液？并寫出實驗現(xiàn)象及結論。 　　分析：（1）生石灰的成分是氧化鈣，若不含雜質，加鹽酸能完全溶解并且無氣體生成。加鹽酸充分反應后仍有不溶于水的固體，說明有石英雜質存在。加鹽酸溶解，但放出無色無味并能使石灰水變渾的氣體，說明生石灰中含有石灰石。 CaO＋2HCl=CaCl2+H2O CaCO3+2HCl=CaCl2＋H2O＋CO2↑ CO2＋Ca(OH)2=CaCO3↓＋H2O 　　（2）三種未知液均為鈉鹽，故應根據(jù)酸根離子的特性選擇鑒別方法。碳酸鹽和硅酸鹽都能與鹽酸反應，但現(xiàn)象不同，所以能用鹽酸鑒別。用三支小試管分別取三種未知液各少許，分別滴加稀鹽酸，有氣體生成的是碳酸鈉溶液，有白色膠狀沉淀生成的是硅酸鈉溶液，無明顯現(xiàn)象的是硫酸鈉溶液。 　　答案：見分析 例12] 如何用所提供的試劑和方法除去各粉末狀混合物中的雜質（括號內為雜質）。將所選答案的編號填入在表內相應的空格內（如果不需要外加試劑，則對應答案欄可空著）。 　　1．可供選擇的試劑：A．鹽酸 B．氫氧化鈉溶液 C．氧氣D．水 E．二氧化碳 　?、瘢蛇x用的操作：①水洗 ②加熱 ③高溫灼燒 ④過濾 ⑤結晶 　　 分析：可根據(jù)二氧化硅是不溶于水的酸性氧化物；它可跟強堿反應，不跟酸（氫氟酸除外）反應；它受熱不分解等性質。而三氧化二鐵，碳酸鈣跟鹽酸反應；硅酸、氯化銨能受熱分解。通過一定操作，除去雜質。除雜過程中所發(fā)生的化學方程式如下： 　　（1）SiO2＋2NaOH==Na2SiO3＋H2O 　?。?）Fe2O3＋6HCl==2FeCl3＋3H2O 　?。?）CaCO3＋2HCl==CaCl2＋CO2↑＋H2O 　?。?）H2SiO3SiO2＋H2O 　?。?）NH4ClNH3↑＋HCl↑ 　　答案：（1）B，④ （2）D，④，⑤ （3）A，④ （4）A，④ （5）③ （6）② 例13] 鍺是ⅣA族元素，它的單質晶體是一種良好的半導體材料，廣泛用于電子工業(yè)，鍺可以從燃燒的煙道灰中提取，其過程如下： 　　試寫出上述過程中①、③、④步反應的化學方程式。 　　①_________________； 　?、踎________________； 　?、躝________________； 　　分析：Ge為ⅣA族，最高正價為+4價，其氧化物為GeO2，又+4價穩(wěn)定，與鹽酸不發(fā)生氧化還原反應，只發(fā)生堿性氧化物與酸的反應。鍺酸的化學式用硅酸遷移即得：H4GeO4或H2GeO3。 　?、貵eO2＋4HCl==GeCl4+2H2O 　　③H4GeO4GeO2＋2H20 　?。ɑ騂2GeO3GeO2+H2O） 　?、蹽eO2＋2H2Ge＋2H2O 　　 答案：見分析 4．實戰(zhàn)演練 一、選擇題 1.以下氣體因與人體的血紅蛋白作用而引起中毒的是 A.Cl2 B.SO2 C.H2S D.CO 2.對反應方程式:SiO2＋3CSiC＋2CO↑，有關敘述正確的是 A.反應中SiO2是氧化劑，C只作還原劑 B.Si4＋被還原了，而C只被氧化了 C.在反應中C既是氧化劑又是還原劑 D.在反應中氧化劑與還原劑的物質的量之比為1∶2 3.實驗室用石灰石和鹽酸制取CO2時，最佳的除雜試劑和方法是 A.水、濃H2SO4、洗氣 B.飽和Na2CO3溶液、濃H2SO4、洗氣 C.飽和NaHCO3溶液、濃H2SO4、洗氣 D.NaOH溶液、濃H2SO4、洗氣 4.下列各組物質中不起反應的是 A.SiO2與純堿共熔 B.CO2通入Na2SiO3溶液 C.SiO2與大理石共熔 D.SiO2和濃H2SO4共熱 5.將4.14 g Pb經(jīng)充分氧化后得到氧化物的質量為4.46 g，則生成的氧化物化學式為 A.PbO2 B.Pb3O4 C.PbO D.Pb2O5 6.由10 g含有雜質的CaCO3和足量鹽酸反應，產生了0.1 mol CO2，推斷雜質的組成可能是 A.KHCO3和MgCO3 B.K2CO3和Na2CO3 C.MgCO3和Na2CO3 D.Na2CO3和NaHCO3 7.某二價金屬的碳酸鹽和碳酸氫鹽的混合物與足量鹽酸反應。消耗H＋和產生CO2的物質的量之比為5∶4，該混合物中碳酸鹽和碳酸氫鹽的物質的量之比為 A.1∶2 B.2∶3 C.3∶4 D.4∶5 8.將m g CaCO3與n g KHCO3分別加入100 mL 0.5 molL－1的鹽酸中，若反應后兩種溶液的質量相等，則m與n的關系是 A.m=n≤2.5 B.m=n＞2.5 C.m=n≥5 D.m＜n＜2.5 9.把100 g Na2CO3和NaHCO3的混合物同足量的鹽酸反應，放出22.4 L(標準狀況）的CO2，則混合物中Na2CO3的質量分數(shù)是 A.68.9% B.70.3% C.73.5% D.77.1% 10.把x mol CO2通入含y mol Ca(OH)2的澄清石灰水中充分反應，下列敘述中錯誤的是 A.當x≤y時，生成100x g沉淀 B.當x≥y時，生成100y g沉淀 C.當y＜x＜2y時，生成100（2y－x) g沉淀 D.當x≥2y時，產生的沉淀全部溶解 11.下列關于硅的說法不正確的是 A.硅是非金屬元素，它的單質是灰黑色有金屬光澤的固體 B.硅的導電性能介于金屬和絕緣體之間，是良好的半導體材料 C.硅的化學性質不活潑，常溫下不與任何物質起反應 D.加熱到一定溫度時，硅能與氫氣、氧氣等非金屬反應 12.下列物質中能與二氧化硅起化學反應的是 ①濃硝酸 ②水 ③王水 ④氫氟酸 ⑤KOH溶液 A.①② B.②④ C.④⑤ D.③④ 13.能證明金剛石和石墨屬于同素異形體的事實是 A.都具有較高的熔點 B.都難溶于一般的溶劑 C.在O2里充分燃燒都只生成CO2 D.在一定條件下，金剛石和石墨可以相互轉化 14.由CO2和CO組成的混合氣體，經(jīng)分析測知含氧質量分數(shù)為70%，則該混合氣體中CO和CO2的體積比為 A.1∶3 B.7∶33 C.33∶7 D.3∶1 15.將CO2通入下列物質的溶液中不與其反應的是 ①Na2CO3 ②Na2SiO3 ③NaAlO2 ④C6H5ONa⑤Ca(ClO)2 ⑥CaCl2 ⑦CaCO3 A.①③④⑤⑥ B.①和⑥ C.只有① D.只有⑥ 16.已知金剛砂SiC是原子晶體，則①金剛石②晶體硅③SiC，三者的熔沸點高低順序正確的是 A.①＞③＞② B.③＞②＞① C.②＞①＞③ D.③＞①＞② 17.某混合氣體的質量百分組成為CO占22%、O2占48%、N2占20%、H2占10%，則此混合氣體的平均式量為 A.27.32 B.12.5 C.20.17 D.17.95 二、非選擇題（共49分） 18.(14分)將n mol木炭粉和1 mol FeO在反應器中混合，隔絕空氣加強熱。 (1)可能發(fā)生的化學反應有： ①FeO＋C===Fe＋CO↑ ②2FeO＋C===2Fe＋CO2↑ ③FeO＋CO===Fe＋CO2↑ ④ (2)若n＜，充分反應后，反應器中的固體物質是 ，氣體產物是 。 (3)若n＞1，充分反應后，反應器中的固體物質是 ，氣體產物是 。 (4)若反應的氣體產物是混合物，n的取值范圍是 。 (5)若反應的氣體產物是混合物，且混合物中CO和CO2的物質的量相等，則n的值為 。 19.(8分)水蒸氣通過灼熱的煤所產生的混合氣，其主要成分是CO、H2，還含有CO2和水蒸氣。請用下列裝置設計一個實驗，以確認上述混合氣中含有CO和H2。 (1)上圖所示裝置的正確連接順序是(填各接口的代碼字母)： 混合氣→( )( )接( )( )接( )( )接( )( )接( )( )。 (2)確認混合氣體中含有H2的實驗現(xiàn)象是 。其理由是 。 20.（12分）（2002年全國高考理綜試題）在25℃，101 kPa條件下，將15 L O2通入10 L CO和H2的混合氣體中，使其完全燃燒，干燥后，恢復至原來的溫度和壓強。 （1）若剩余氣體的體積是15 L,則原CO和H2的混合氣體中，V（CO）= L，V（H2）= L。 （2）若剩余氣體的體積為a L,則原CO和H2的混合氣體中,V(CO)∶V(H2)= 。 （3）若剩余氣體的體積為a L,則a的取值范圍是 。 21.(7分)將CO2通入0.02 mol 氫氧化鈉的溶液中，產物在低溫低壓下蒸干，得到固體物質1.37 g。由此計算通入的CO2在標準狀況下的體積是多少L? 22.(8分)C和CaCO3的混合物在空氣中加強熱后，CaCO3完全分解，C被完全氧化，若生成物中CO2的質量與原混合物的質量相等，求原混合物中C的質量分數(shù)。 附參考答案 一、1.D 2.C 3.C 4.D 5.解析：4.14 g Pb為0.02 mol，而反應中增加氧的質量為：4.46 g－4.14 g=0.32 g,即0.02 mol，所以Pb和O的原子個數(shù)之比為1∶1。 答案：C 6.解析：看式量，要一個大于100，一個小于100即可。 答案：CD 7.B 8.A 9.D 10.B 11.C 12.C 13.C 14.D 15.D 16.A 17.B 二、18.(1)CO2＋C===2CO (2)Fe和FeO CO2 (3)Fe和C CO (4)＜n＜1 (5)2／3 19.(1)(E)(F)接(C)(D)接(A)(B)或(B)(A)］接(I)(J)接(G)(H) (2)黑色CuO變紅，無水硫酸銅變藍 因為H2通過灼熱的CuO后生成Cu和水蒸氣，水蒸氣使無水CuSO4變藍。 20.（1）5 5 （2）（a－10）∶(20－a) (3)10＜a＜20 21.0.336 L 22.17.35%