高三化学碳族元素人教版 知识精讲

高三化学碳族元素高三化学碳族元素人教版人教版 【本讲教育信息本讲教育信息】 一. 教学内容： 碳族元素 二. 教学要求： 1. 了解碳族元素性质及其递变规律，学会运用元素周期律的知识指导碳族元素及其化合 物的学习。 2. 掌握碳及其化合物的重要性质。 3. 理解硅及其化合物的重要性质。 4. 初步了解硅酸盐工业及其产品，认识化学与生产、生活的联系。 5. 初步了解新型无机非金属材料，认识化学在社会、科技中的重要作用。 三. 重点、难点： 1. 碳单质、CO、CO2、碳酸盐的重要性质 2. 硅单质、SiO2的重要性质 四. 知识分析： 1. 碳（金刚石为例） 、硅单质的比较 列表如下： 碳硅 原子结构示意图 +6 2 4 +14 2 8 4 原子半径相对较小相对较大 单质晶体类型原子晶体（金刚石）原子晶体 单质熔点熔点很高比金刚石稍低 化学性质1. 还原性： （可燃性）COCO 22 点燃 CCuOCuCO22 2 高温 OHNO COHNOC 22 23 24 )(4 浓 22 2 CSiOSiCO 高温 （制粗硅） （CH OCOH 22 高温 制水煤气） 还原性： SiOSiO 22 SiNaOHH ONa SiO H 2 2 223 2 2. 氧化性 CHCH 2 24 高温高压 2. CO2与 SiO2 CO2SiO2 电子式 :O . : C :O . : / 晶体类型 分子晶体原子晶体 俗称干冰（固态时）硅石、石英、水晶 化学性质 1. 酸性氧化物 CO2+H2O H2CO3 CONaOHNa COH O 2232 2 CONaOHNaHCO 23 CONa COH ONaHCO 22323 2 2. 弱氧化性： CCOCO 2 2 高温 22 2 MgCOCMgO 点燃 酸性氧化物 SiO2不能与水反应生成 H2SiO3 SiONaOHNa SiOH O 2232 2 SiOCaOCaSiO 23 高温 3. CO 的有关知识： （1）物理性质： 无色无味气体，密度接近空气，难溶于水，有剧毒。 （2）化学性质： CO 的化学性质主要是还原性，如： （可燃性）22 22 COOCO 点燃 （冶炼金属）COCuOCOCu 2 4. 硅及其化合物“反常”性质： （1）硅的还原性比碳弱，但碳在高温下却能从 SiO2中还原出硅： 这是由于生成物 CO 气体逸出原因。 （2）非金属单质与强碱反应一般不生成氢气（请回忆 Cl2）而硅却能： SiNaOHH ONa SiOH22 2232 （3）虽然是硅酸的酸酐，但却不能用与水反应生成硅酸，而只能用硅酸盐SiO2SiO2 跟较强酸（HCl、H2CO3）制得。 （4）酸性氧化物一般不与酸反应（除氧化还原反应外） ，而却能与氢氟酸反应，SiO2 但与其它常见酸不反应。 （H2SO4、HNO3、HCl 等） （氢氟酸可腐蚀玻璃）SiOHFSiFH O 242 42 （5）非金属氧化物一般是分子晶体（如 CO2、NO2、SO2等） ，而却是原子晶体。SiO2 （6）无机酸一般易溶于水，而硅酸和原硅酸（H4SiO4）却难溶于水。 （7）较强酸能把较弱酸从其盐溶液中制取出来，这是复分解反应的一般规律，因此 H2CO3可制 H2SiO3：，但在高温下Na SiOCOH ONa COH SiO 23222323 却能由较弱酸性氧化物制得较强酸性氧化物，其Na COSiONa SiOCO 232232 高温 原因是，生成的 CO2是气体，离开反应体系而使反应进行到底。 （8）硅酸钠的水溶液俗称水玻璃，但它和玻璃的成分不完全相同，硅酸钠也俗称泡花 碱，但它是盐不是碱。 （9）钢化玻璃与普通玻璃成份相同，石英玻璃与普通玻璃成份却不同。 5. 常见硅酸盐产品比较 硅酸盐产品 玻璃（普通玻璃） 水泥 比较内容 原料纯碱、石灰石、石英粘土、石灰石 设备高温熔炉 回转窑 条件高温高温 发生变化复杂的物理、化学变化复杂的物理、化学变化 Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2 CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2 产品主要成份 Na2SiO33CaOSiO2 CaSiO32CaOSiO2 SiO23CaOAl2O3 产品特征 无固定熔点水硬性 6. 酸式盐和碱反应的方程式书写： 分析与书写酸式盐与碱反应的过程首先要从实质入手。酸式盐（大多数可溶）与碱反 应的一个重要本质是中和在碱溶液存在的条件下，酸式盐中可以电离出 H+，不得不全 部（或部分）电离出来与 OH结合成水，于是酸式酸根离子就转化为酸根离子，溶液中的 酸根离子将首先将能产生难溶物的阳离子沉淀析出，整个反应过程既遵守质量守恒又遵守 电荷守恒，产物的确定就要根据酸式酸根中的 H+与碱提供的 OH的相对量决定：如 （1）NaHCO3溶液与少量 Ca(OH)2混合： 析：析：少量，可提供足量，H+可将全部 OH中和：Ca OH()2HCO3 22 322233 NaHCOCa OHH ONa COCaCO() （2）溶液与过量混合NaHCO3Ca OH()2 析：析：过量，则不足，H+只能中和部分 OH：Ca OH()2HCO3 NaHCOCa OHH OCaCONaOH 3223 () 请试写下列反应： （3）少量Ca HCONaOH() 32 （4）过量Ca HCONaOH() 32 （5）少量Ca HCOCa OH()() 322 （6）过量NaHCONaOH 3 答案如下： （3）Ca HCONaOHH OCaCONaHCO() 32233 （4）Ca HCONaOHH OCaCONa CO() 322323 22 （5）Ca HCOCa OHCaCOH O()() 32232 22 （6）OHCONaNaOHNaHCO 2323 注：注：（5） （6）反应中为同种阳离子，因此提供的与是一样多的，因此“少H OH 量” 、 “过量”已不影响反应结果。 【典型例题典型例题】 例 1 最近，科学家研制得一种新的分子，它具有空心的类似足球状结构，分子式为 C60， 下列说法正确的是（ ） A. C60是一种新型的化合物 B. C60和石墨都是碳的同素异形体 C. C60中含离子键 D. C60的式量是 720 解析：解析：这是一道信息题，但考查了最基本的概念：单质和化合物，同素异形体，离子 键和共价键等。请同学们注意题中“分子” “分子式”等关键词，再加入以上基本概念的准 确掌握，即可顺利得出答案。 答案：答案：BD 评注：评注：本章是非金属部分不算重要的章节，但就高考题而言，在某些年份占有较大比 重，尤其是多以 C60、CO2与温室效应，新型无机材料为载体考查了化学基本理论、基本概 念，甚至“3+X”学科间的综合（见例 4） 例 2 锗酸铋简称 BGO，是我国新研制成功的一种性能优良的闪烁晶体材料，其中 Ge 处 于最高价，Bi 的价态与它跟氯形成的某种共价氯化物中的价态相同，而且在此氯化物中， 铋具有 8 电子稳定结构，则 BGO 的化学式为（ ） A. B. C. D. Bi GeO 315 Bi Ge O 4312 Bi Ge O 4316 Bi Ge O 3312 解析：解析：锗处于 IVA，最高正价为；铋的氯化物中能使 Bi 满足 8 电子稳定结构，由4 于 Bi 是 VA 元素，所以，是，为价。再运用化合物的化合价代数和为 0 的原BiCl3Bi3 则，确定 B 选项。 答案：答案：B 例 3 120、101.3 kPa 条件下，有 2L、2L、1L、0.5L和 1L组成的H O 2 COCO2O2H2 混合气体。将混合气体通过分别放足量 Cu 粉、C 粉和 CuO 粉的三个灼热的反应管。假设 气体通过每个反应管都能充分反应，且不记三个反应管以何种顺序排列，问： （1）尾气是否有可能是单一气体？_（填“可能”或“不可能” ） 。若可能， 该气体是_。 （2）原气体中是否有几种（或一种）不可能再存在于尾气之中？_（填“有” 或“没有” ） 。若有，它们（或它）是_。 （3）原气体中是否有几种（或一种）一定存在于尾气中？_（填“有”或 “没有” ） 。若有，它们（或它）是_。 解析：解析：解题思路有 2 条：第一条是按部就班，非常烦琐；第二条是抓住关键，删繁就 简。请同学认真体会： 方法一：方法一：因为 Cu、C、CuO 三种物质排列有 6 种顺序，列出混合气体 6 种串连方式的 结果如下： 混合气体OHLHLOHL CuOCCu 222 333 混合气体 222 22 333 993 HLOHLOHL LCOLCOLCO CCuOCu 混合气体 混合气体OHLOHLHL LCOLCOLCO CuCuOC 222 2 333 101010 混合气体 LCOLCOLO HLOHL COL OHL LCOLCOLCO CCuCuO 935 . 0 33 3 3 101010 22 22 2 2 22 混合气体 CuOCCu L H O L CO L O L H L CO L H L CO 3 3 05 3 10 3 10 2 2 2 22 . 从而得出结论。 （1）尾气不可能是单一气体，它只可能是 H2和 CO，或 H2O 和 CO2两种情况。 （2）原气体中 O2，无论是遇到 Cu 或 C（还原剂） ，即被耗去，不再出现于尾气中 （3）最后得到的尾气只有两种可能组合，还原性的 CO 和 H2，或氧化性的 CO2和 H2O。所以不能说尾气中肯定有哪一种（或哪些种）气体。 方法二：方法二：仔细分析 Cu 的作用只有一个，那就是吸收 O2，且吸收完全，而其它过程又 不产生 O2，O2与 CuO 不作用。O2与足量 C 作用产生 CO，若先产生，则混合物原来就有， 若后产生，试想 CO2与 C 最后亦能产生 CO，故对尾气无影响。故可将 O2、Cu 从题中抹 去，这样问题变得简单起来，只有 2 种顺序： H O gHH O g CCuO 222 ( )( ) CO、CO2 CO CO2 H O gH O gH CuOC 222 ( )( ) CO、CO2 CO2 CO 由于该问与体积无关，所以可以不考虑各气体的体积。 答案：答案：（1）不可能；（2）有；O2；（3）没有 评注：评注：不忙于作罗列式的 6 种可能情况，而是仔细的分析混合气体中各组份跟 3 种试 剂的反应实质，敏感地看出 8 个反应都是氧化还原反应，试剂中一个是氧化剂，两个是还 原剂。然后推理，可以大大缩短时间。在兼有难度和速度的高考中，时间也是不可忽视的 因素。 例 4 1996 年诺贝尔化学奖授予对发现 C60有重大贡献的三位科学家。C60分子是形如足球 状的多面体，如图所示： 该结构建立基于以下考虑： （1）C60分子中每个碳原子只能跟相邻的 3 个碳原子形成共价键； （2）C60分子中只含有五边形和六边形； （3）多面体的顶点数，面数和棱边数的关系遵循欧拉定理： 顶点数+面数棱边数=2 据上述可推知，C60中有 12 个五边形和 20 个六边形，C60分子中所含双键数为 30。 回答下列问题： （1）与金刚石相比，熔点较高是_（填“金刚石”或“C60” ） ，理由是 _。 （2）试估计 C60与 F2在一定条件下，能否生成 C60F60_（填“能”或 “不可能” ） ，并简述理由_。 （3）通过计算确定 C60分子中所含单键数为_。 （4）C70分子空间结构与 C60相似，通过计算确定 C70分子中的五边形和六边形的数目。 解析：解析： （1）金刚石为原子晶体，而 C60为分子晶体，所以肯定是金刚石熔点高。 （2）可能，只要是 F2与 C60在一定条件下完全加成即可，因为已经告诉了 C60中有 30 个双键，由烯烃加成原理可推知这是可能的。 （3）有 2 种方法： 一：共有 60 个 C 原子，每个 C 原子形成 3 个共价键，而每个共价键又是两个 C 原子 共同参予构成，所以在 C60中共有共价键数：。由其结构知共价键数即棱603 1 2 90 边数。共有 90 个共价键。其中有 30 个双键，所以单键为 60。 二：利用欧拉定理：棱边数，求得棱边数为 90，即单双键共为601220 2 90，所以单键为 60。 （4）设共有五边形个，六边形个。xy 1 2 56 1 2 703 70 1 2 3702 () () xy xy （键数棱边数） （欧拉定理） 解得 xy1225， 答案：答案：（1）金刚石；略 （2）可能；略 （3）60 （4）五边形 12 个，六边形 25 个。 【模拟试题模拟试题】 一. 选择题： 1. 石墨炸弹爆炸时能在方圆几百米范围内撒下大量石墨纤维，造成输电线、电厂设备损 坏，这是由于石墨（ ） A. 有放射性 B. 易燃易爆 C. 能导电 D. 有剧毒 2. 下列各组物质中，晶体类型相同且熔点高低比较正确的是（ ） A. 硅、铝合金铝 B. C. D. SiOCO 22 NaClCCl 4 IBr 22 3. 下列对二氧化碳的认识中正确的是（ ） A. 分子内有极性键，分子是极性分子CO2CO2 B. 二氧化碳与二氧化硫有完全相同的物理性质 C. 二氧化碳虽然无毒性，但也要控制其向大气中的排放量 D. 空气中的二氧化碳主要来源于人的呼吸作用 4. 下面的离子方程式正确的是（ ） A. 石英与烧碱反应：SiOOHSiOH O 23 2 2 2 B. 向小苏打溶液中加入石灰水至过量 222 3 2 323 2 HCOCaOHCaCOH OCO C. 向烧碱溶液中通入过量的CO2 2 23 2 2 OHCOCOH O D. 向水玻璃中加入盐酸 SiOHH SiO 3 2 23 2 5. 下列叙述所指的非金属元素中，气态氢化物最不稳定的是（ ） A. 构成矿物与岩石的主要元素 B. 空气中质量分数最大的元素 C. 有两种氯化物，其中一种氯的质量分数为 50%的元素 D. 在地壳中含量最多的元素 6. 证明碳酸酸性比硅酸酸性强的事实是（ ） A. 溶于水即生成碳酸，而不溶于水CO2SiO2 B. 能生成分子晶体，而是原子晶体CO2SiO2 C. 将通入硅酸钠溶液中有白色胶状沉淀析出CO2 D. 高温下能发生如下反应： Na COSiONa SiOCO 232232 7. 某些保健品中有锗元素（Ge） ，它在周期表的第 4 周期 IVA 族。有关锗的叙述正确的 是（ ） A. 锗原子序数为 34 B. Ge 可以生成化学式为的盐Na GeO 23 C. 锗的金属活泼性应比铝强 D. 单质锗是半导体 8. 下列说法正确的是（ ） A. 二氧化硅是原子晶体，不存在单个分子， “”表示的是晶体中硅、氧原子的最SiO2 简个数比而不是一个分子组成 B. 石英玻璃的膨胀系数是普通玻璃的 1/18，故不能用于制造耐高温化学仪器 C. 工业上用碳还原二氧化硅制粗硅，反应中氧化剂与还原剂质量比是 5：2 D. 二氧化硅熔沸点比二氧化碳高，是由于 SiO 键比 CO 键的键能大 9. 将 9 g 两种物质组成的混合物与足量的盐酸反应，在标准状况下可放出 2.24L CO2， 该混合物的成分可能是（ ） A. B. Na CONaHCO 233 、Na COK CO 2323 、 C. D. Ca HCONaHCO() 323 、CaCOCa OH 32 、() 10. 下列物质间的转化不能通过一步反应完成的是（ ） A. B. C. D. SiOSi 2 COC 2 SiOH SiO 223 SiNa SiO 23 11. 下列盐溶液中，加入溶液生成白色沉淀，再加入稀振荡，白色沉淀不BaCl2HNO3 消失的是（ ） A. B. C. D. Na SO 23 K CO 23 Na PO 34 Na SiO 23 12. 四氯化硅结构和四氯化碳类似，对其性质判断（1）四氯化硅是分子晶体；（2）常 温下为液态；（3）四氯化硅沸点较低；其中正确的是（ ） A. 只有（1） B. （1） （3） C. （2） （3） D. （1） （2） （3） 二. 填空题： 13. 工业上将磷酸钙、石英砂和炭粉混合，在电炉中焙烧制白磷： CaPOSiOCCaSiOPCO 34223 () （1）上述方程式配平后各物质系数依次为_ （2）反应中得气体密度折成标况下为 1.64g/L。据此计算制得白磷相对分子质量为 _。 （3）据计算推断白磷分子组成为_，其空间结构为_。 14. 除去 CO2中的少量 CO，可使混合气通过_；除去 CO 中的少量 CO2和水蒸气，可使混合气通过_；除去二氧化硅中混有的少量氧化铁的 实验方法是_。 15. 已知 X 和 Y 是短周期元素中同族单质，W、V 是化合物，它们有如下反应（式中各 物质系数，反应条件均略去） ；。写出符合上述题意并满足下列要求的化XWYV 学方程式： （1）W 是水 （2）V 是水 （3）W、V 均是氧化物 16. 近年来，科学家在氦的气氛中给石墨电极通电，石墨挥发，在其挥发的黑烟中发现 了 C60。C60的金属掺入物具有可贵的超导性质。北京大学首先将 C60掺锡，获得超导转变 温度为 37K 的好成绩。这种 C60是_元素的一种_，其摩尔质量 _。若要确证其元素组成，可将其在足量氧气中燃烧，再用_试剂来检测 生成的_气体，现象是_。 三. 实验题： 17. 如图所示： 图（I）中瓶 a 内放入 20 mL 6mol/L 盐酸，b 是未冲气的气球，里边放有 4 g 碳酸钙粉 末，将它紧紧套在瓶 a 口上，胶管 c 套在瓶的侧口，并用弹簧夹将 d 夹紧（瓶口和侧口都 不漏气） 。将图（I）的装置在托盘天平上称量，质量为g，根据实验现象填写下列空白：W1 （1）把气球 b 中的碳酸钙粉末小心地倒入瓶中，立即产生许多气泡，气球逐渐增大 （图 II） 。反应结束后，再次称量，质量为g。则和的关系是_。W2W2W1 （2）取 25 mL 6 mol/L NaOH 溶液，先用滴管取少量 NaOH 溶液，滴管插入胶管 c 口 （为便于操作，可以适当倾斜瓶 a，注意防止漏气） 。打开 d，将溶液挤入瓶中，立即夹紧 d，可以看到瓶内产生少量白色沉淀，轻轻摇动瓶 a，沉淀随即消失。用同样的方法再加入 少量 NaOH 溶液，又产生白色沉淀，轻摇，沉淀又消失。使沉淀消失的反应的化学方程式 是_。 （3）将全部 NaOH 溶液很快加入瓶中，夹紧 d，瓶内产生大量白色