第15讲　 碳族元素 无机非金属材料

1 / 11 第 15 讲 碳族元素 无机非金属材料 第 15 讲 碳族元素无机非金属材料 考点 1 碳族元素 1碳族元素的化合价 碳族元素常见化合价为 +2 和 +4，其中碳、硅、锗、锡的价化合物较稳定，而铅的价化合物稳定。由氧化还原反应的化合价升降来研究碳族元素的物质，其性质规律如下： （ 1）碳族元素的单质以为主，如碳、硅都被氧气氧化。碳作还原剂，温度越高，还原性，高温时碳可还原氧化铜。锡、铅都能与盐酸反应置换出氢气等。 （ 2）价化合物有还原性。如 co 高温时能还原某些金属氧化物（ Fe2o3、 cuo 等）。 （ 3）价化合物有氧化性。如 co2 和碳高温下反应生成 co，Pbo2 在化学反应中是强氧化剂等。 2除去 co、 co2 气体中混有的杂质（括号内为杂质） （ 1） co(co2)：通过盛有的洗气瓶。 （ 2） co2(co)：通过盛放的硬质玻璃官。 （ 3） co2(o2)：通过盛放的硬质玻璃管。 （ 4） co2(So2)：通过或。 （ 5） co2(Hcl)：通过。 （ 6） co2(H2S)：通过。 2 / 11 例 1（ XX 年山东）下图所示为常见气体制备、分离、干爆和性质验证的部分仪器装置（加热设备及夹持固定装置均略去）， 请根据要求完成下列各题（仪器装置可任意选用，必要时可重复选择， a、 b 为活塞）。 （ 1）若气体入口通入 co 和 co2 的混合气体， E 内放置 cuo，选择装置获得纯净干燥的 co，并验证其还原性及氧化产物，所选装置的连接顺序为（填代号）。能验证 co 氧化产物的现象是。 （ 2）停止 co 和 co2 混合气体的通入， E 内放置 Na2o2，按AEDBH 装置顺序制取纯净干燥的 o2，并用 o2 氧化乙醇。此时，活塞 a 应，活塞 b 应。需要加热的仪器装置有（填代号）， m 中反应的化学方程式为。 （ 3）若气体入口改通空气，分液漏斗内改 改加浓氨水，圆地烧瓶内改加 NaoH 固体， E 内装有铂铹合金网，按AGED 装置程序制取干燥氧气，并验证氨的某些性质。 装置 A 中能产生氨气的原因有：。 实验中观察到 E 内有红棕色气体现出，证明氨气具有性。 解析 （ 1）根据实验要求， A 装置中通入的气体为 co 和 co2的混合气，在 A 中， co2 被氢氧化钠吸收，若要获得纯净干燥的 co，需要选取装置 c，证明 co2 被除尽，然后通过盛有浓硫酸的 B 除去水蒸气，要验证 co 的还原性，需要装有 cuo3 / 11 的装置 E，验证 co 的氧化产物 co2，还需要装置 c，最后需要 F 除去为反应的 co。所选装置的连接顺序是 AcBEcF，能验证 co 的氧化产物的实验现象是： AB 之间的 c 装置中溶液保持澄清， EF 之间的 c 装置中溶液变浑浊。 （ 2）停止通入 co 和 co2 的混合气体，需要关闭活塞 a，然后打开活塞 b，此时稀硫酸与碳酸钠溶液（ co2 与 NaoH 反应生成的）反应，反应生成的 co2 气体进入 E 中，并与与 Na2o2反应产生氧气，氧气通过 D 除去可能存在的 co2，通过 B 除去水蒸气，得到纯净干燥的氧气，氧气氧化乙醇的条件是需要加热且有铜做催化剂，因此需要加热 k 使乙醇挥发，并且加热 m，使氧气与乙醇蒸气反应，反应的化学 方程式是：2cH3cH2oH+o2 2cH3cHo+2H2o。 （ 3）氢氧化钠固体易吸水并且在溶于水时放出大量的热，氢氧化钠溶于水后溶液中的 oH 的浓度增大，这些因素均能浓氨水中的化学平衡： NH3 H2oNH3H2oNH4+ oH-向逆反应方向移动，使浓氨水中的氨气放出。根据常识可以判断出在 E 中出现的红棕色气体应该是 No2，由氨气和 No2 中氮元素的化合价可以判断氨气被氧化生成 No2氨气体现出的是还原性。 【答案】（ 1） AcBEcFAB 之间的 c 装置中溶液保持澄清， EF之同的 c 装置中溶液变浑 浊（ 2）关闭打开 km2cH3cH2oH4 / 11 o22cH3cHo 2H2o （ 3） 氢氧化钠溶于水放出大量热，温度升高，使氨的溶解度减小而放出；氧氧化钠吸水，促使氨放出；氢氧化钠电离出的 oH-增大了氨水中 oH-浓度，促使氨水电离平衡左移，导致氨气放出。 还原 【方法技巧】本题得分的关键是应明确实验目的：证明混合气体中有 co 和 H2。要想达到目的，只能利用它们的还原性将之转化为 co2 和 H2o 来检验，同时又要防止 co2 和水蒸气的干扰，所以，用 co 和 H2 还原 cuo 之前，必须首先除去 co2和水蒸气。本题应先解决第（ 4） 问。 考点 2 碳酸盐性质的一般规律 1溶解性规律：碱金属的正盐溶解度酸式盐（如：Na2co3NaHco3）；碱土金属（第 A 族）的正盐溶解度酸式盐如： caco3ca(Hco3)2。 2稳定性：难溶性的碳酸盐、 (NH4)2co3 及酸式盐受热；可溶性的碳酸盐较稳定，受热；一般来说：稳定性大小顺序为正盐酸式盐。 3酸式盐与碱反应时的产物要根据相对用量判断。如在ca(Hco3)2 溶液中滴加 NaoH 溶液： ca(Hco3)2+NaoH（ NaoH少量） ca(Hco3)2+2NaoH（ NaoH 过量） 4 co32-和 Hco3-的检验 5 / 11 （ 1） co32-的检验方法：向待检溶液中滴加过量的溶液，生成，再加入 ，白色沉淀又溶解，且生成无色、无味的气体，则检得溶液中有 co32-。 （ 2） Hco3-的检验方法：向待检溶液中滴加足量的的可溶性盐溶液，若无明显现象，再向溶液中加入足量的（如等）溶液，溶液中逸出无色、无味的气体，则待检溶液中有 Hco3-。 特别提醒 ： 检验 co32-：试剂 cacl2 溶液也可用ca(No3)2、 Bacl2、 Ba(No3)2 等的溶液代替，但不可用 ca(oH)2溶液或 Ba(oH)2 溶 液，原因是无法排除 Hco3-的干扰。 检验 Hco3-： ca2+或 Ba2+的溶液不可用 ca(oH)2溶液或 Ba(oH)2溶液，原因是 oH-将 Hco3-转化为 co32-；加酸后要通过气体的气味排除 HSo3-的干扰。 例 2（ XX 年上海理综）（ 1）钟乳石和石笋的主要成分是碳酸钙，其形成过程如右图所示。随着旅游人数的增加，潮湿溶洞中的钟乳石和石笋受到二氧化碳侵蚀，其化学方程式为： _。 （ 2）某学生提出一个修复溶洞底部受损石笋的研究方案，由以下五 步组成，正确的实验步骤依次是 _。 将盛有碱溶液的容器置于石笋的上部 配制一定浓度的碱溶液 选择合适的碱 调节碱溶液下滴的速度 观察石笋表面复原情况 6 / 11 解析 从图可见，石笋受损是由于地表水中溶有 co2， co2可溶解石笋，生成 ca(Hco3)2，而 ca(Hco3)2 在受热的情况下会分解生成 caco3，形成钟乳石和石笋。修复溶洞底部受损的石笋应用能与 ca(Hco3)2 反应的碱。故实验的第一步是选择合适的碱，再配制一定浓度的碱溶液后进行修复操作 。 【答案】（ 1） caco3 co2+H2oca(Hco3)2（ 2） 【误区警示】认为应先观察石笋表面复原情况，根据石笋表面复原情况调节碱溶液下滴的速度，易将 和 搞反。 考点 3 硅及其化合物的特性 1 Si 的还原性大于 c，但 c 却能在高温下还原出 Si： 2cSio2 2非金属单质跟碱液作用一般无 H2 放出，但 Si 却放出 H2：Si 2Na2oH H2o 3非金属单质一般不跟非氧化性酸作用，但 Si 能与 HF 作用： Si+4HF 4非金属单质一般为非导体，但 Si 为。 5 Sio2 是 H2Sio3 的酸酐，但它不溶于水，不能直接将它与水作用制备 H2Sio3。 6非金属氧化物的熔沸点一般较低，但 Sio2 的熔沸点却。 7酸性氧化物一般不与酸作用，但 Sio2 能跟 HF 作用： Sio2 4HF 7 / 11 8无机酸一般易溶于水， H2Sio3 却难溶于水。 9因碳酸的酸性强于硅酸，所以在 Na2Sio3 溶液中通入 co2能发生下列反应： Na2Sio3 +co2+H2o，但在高温下 2Na2co3+Sio2 也能发生。 10 Na2Sio3 的水溶液称水玻璃，但它与玻璃的成分大不相同，硅酸钠水溶液（即水玻璃）俗称，但它却是的溶液，并不是溶液。 特 别提醒 ：硅与氢氧化钠溶液反应时，实际上是水被分解了，碱的存在只是起了加速作用，其过程可认为： Si 3H2o H2Sio3 2H2 ， H2Sio3 2NaoH Na2Sio3 2H2o。显然，Si 失去电子，是还原剂； H2o 中的 H 得到电子， H2o 是氧化剂； NaoH 既不是氧化剂，又不是还原剂，它只是反应物而已。综合上述两个反应得到总化学方程式： Si 2NaoH H2oNa2Sio3 2H2 。 例 3能说明常温下二氧化硅是很坚硬的固体而二氧化碳是气体的原因是（） A硅的非金属性比碳的活泼 B二氧化 硅中硅氧键的类型和二氧化碳中碳氧键不同 c硅氧键的键能比碳氧键的键能大得多 D二氧化硅晶体类型和二氧化碳晶体不同 解析 本题比较两种晶体的物理性质，应该从晶体所属类别入手。由于 Sio2 是一种空间网状结构的原子晶体，而 co28 / 11 是靠分子间作用力结合在一起的分子晶体，因此 Sio2 晶体的熔沸点高、硬度大，而二氧化碳的熔沸点低。 【答案】 D 【误区警示】对两种晶体结构认识模糊以及对物理性质差异原因的认识不清，而认为 Sio2 和 co2 属于同主族元素的两种化合物，对应的晶体类型相同，性质上的差异应该在于二氧化 硅中硅氧键和二氧化碳中碳氧键间类型和键能的差异。从而错选 B、 c。 考点 4 无机非金属材料 1传统无机非金属材料 水泥和玻璃的生产方法 硅酸盐产品水泥玻璃 主要设备水泥回转窑玻璃窑 原料石灰石和粘土纯碱、石灰石、石英 (过量 ) 反应原理复杂的物理 -化学变化 Na2co3+Sio2Na2Sio3+co2 caco3+Sio2caSio3+co2 主要成份 反应条件 2新型无机非金属材料 新开发利用的无机非金属材料主要有氮化硅（ Si3N4)、刚玉（ Al2o3）等陶瓷，碳化硼、光导 纤维 (主要成分是 Sio2)等，这些材料具有特殊结构、特殊功能。 传统非金属材料具有抗腐蚀、耐高温等许多优点，但质脆，9 / 11 耐热冲击差。 新型非金属材料继承了传统非金属材料的优点，并克服了缺点，主要具有以下特性： ； ； ； 。 特别提醒 ：复杂硅酸盐可以看成碱性氧化物和酸性氧化物所组成的复杂化合物，因此可以改写为amxoycH2o 的方式（具体顺序是：碱性氧化物 水），如硅酸钙： 3caoAl2o3；高岭土： Al2o32H2o。 例 4（ XX 届南通市第一次调研测试）汉代器物上的颜料“ 汉紫 ” 至今尚没有发现其自然存在的记载。 20 世纪 80 年代科学家进行超导材料研究时，偶然发现其成分为紫色的硅酸铜钡（化学式： BacuSi2ox， cu 为 2 价），下列有关 “ 汉紫 ” 的说法中不正确是（） A用盐的形式表示： BaSio3cuSio3B用氧化物形式表示： Bao2Sio2 c易溶 于强酸、强碱 D性质稳定，不易褪色 解析 根据化合物中正负化合价的代数和等于零可知， A、 B正确。硅酸盐只溶于强酸不溶于强碱， c 错。从题给信息：汉代器物上的颜料 “ 汉紫 ” 可知 “ 汉紫 ” 性质稳定，不易褪色， D 正确。 10 / 11 【答案】 c 参考答案 考点 1 碳族元素 1 +4+2（ 1）还原性越强（ 2） 2（ 3） +4 2（ 1）澄清石灰水（ 2）灼热 cuo（ 3）灼热铜网（ 4）饱和NaHco3 溶液酸性 kmno4 溶液（ 5）饱和 NaHco3 溶液（ 6） cuSo4溶液 考点 2 碳酸盐性质的一般规律 1大于小于 2 易分解难分解 3 caco3+Na