第15講　碳族元素?zé)o機(jī)非金屬材料

時(shí)間：2022-07-31 03:04:38 教案我要投稿

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　　第15講碳族元素?zé)o機(jī)非金屬材料

　　考點(diǎn)1碳族元素

　　1．碳族元素的化合價(jià)

　　碳族元素常見化合價(jià)為+2和+4，其中碳、硅、鍺、錫的價(jià)化合物較穩(wěn)定，而鉛的價(jià)化合物穩(wěn)定。由氧化還原反應(yīng)的化合價(jià)升降來(lái)研究碳族元素的物質(zhì)，其性質(zhì)規(guī)律如下：

　�。�1）碳族元素的單質(zhì)以為主，如碳、硅都被氧氣氧化。碳作還原劑，溫度越高，還原性，高溫時(shí)碳可還原氧化銅。錫、鉛都能與鹽酸反應(yīng)置換出氫氣等。

　�。�2）價(jià)化合物有還原性。如CO高溫時(shí)能還原某些金屬氧化物（Fe2O3、CuO等）。

　�。�3）價(jià)化合物有氧化性。如CO2和碳高溫下反應(yīng)生成CO，PbO2在化學(xué)反應(yīng)中是強(qiáng)氧化劑等。

　　2．除去CO、CO2氣體中混有的雜質(zhì)（括號(hào)內(nèi)為雜質(zhì)）

　　（1）CO(CO2)：通過盛有的洗氣瓶。

　�。�2）CO2(CO)：通過盛放的硬質(zhì)玻璃官。

　�。�3）CO2(O2)：通過盛放的硬質(zhì)玻璃管。

　�。�4）CO2(SO2)：通過或。

　�。�5）CO2(HCl)：通過。

　�。�6）CO2(H2S)：通過。

　　[例1]（20xx年山東）下圖所示為常見氣體制備、分離、干爆和性質(zhì)驗(yàn)證的部分儀器裝置（加熱設(shè)備及夾持固定裝置均略去），請(qǐng)根據(jù)要求完成下列各題（儀器裝置可任意選用，必要時(shí)可重復(fù)選擇，a、b為活塞）。

　�。�1）若氣體入口通入CO和CO2的混合氣體，E內(nèi)放置CuO，選擇裝置獲得純凈干燥的CO，并驗(yàn)證其還原性及氧化產(chǎn)物，所選裝置的連接順序?yàn)椋ㄌ畲?hào)）。能驗(yàn)證CO氧化產(chǎn)物的現(xiàn)象是。

　�。�2）停止CO和CO2混合氣體的通入，E內(nèi)放置Na2O2，按A→E→D→B→H裝置順序制取純凈干燥的O2，并用O2氧化乙醇。此時(shí)，活塞a應(yīng)，活塞b應(yīng)。需要加熱的儀器裝置有（填代號(hào)），m中反應(yīng)的化學(xué)方程式為。

　　（3）若氣體入口改通空氣，分液漏斗內(nèi)改改加濃氨水，圓地?zé)績(jī)?nèi)改加NaOH固體，E內(nèi)裝有鉑鐒合金網(wǎng)，按A→G→E→D裝置程序制取干燥氧氣，并驗(yàn)證氨的某些性質(zhì)。

　　①裝置A中能產(chǎn)生氨氣的原因有：。

　　②實(shí)驗(yàn)中觀察到E內(nèi)有紅棕色氣體現(xiàn)出，證明氨氣具有性。

　　[解析]（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，A裝置中通入的氣體為CO和CO2的混合氣，在A中，CO2被氫氧化鈉吸收，若要獲得純凈干燥的CO，需要選取裝置C，證明CO2被除盡，然后通過盛有濃硫酸的B除去水蒸氣，要驗(yàn)證CO的還原性，需要裝有CuO的裝置E，驗(yàn)證CO的氧化產(chǎn)物CO2，還需要裝置C，最后需要F除去為反應(yīng)的CO。所選裝置的連接順序是ACBECF，能驗(yàn)證CO的氧化產(chǎn)物的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是：AB之間的C裝置中溶液保持澄清，EF之間的C裝置中溶液變渾濁。

　�。�2）停止通入CO和CO2的混合氣體，需要關(guān)閉活塞a，然后打開活塞b，此時(shí)稀硫酸與碳酸鈉溶液（CO2與NaOH反應(yīng)生成的）反應(yīng)，反應(yīng)生成的CO2氣體進(jìn)入E中，并與與Na2O2反應(yīng)產(chǎn)生氧氣，氧氣通過D除去可能存在的CO2，通過B除去水蒸氣，得到純凈干燥的氧氣，氧氣氧化乙醇的條件是需要加熱且有銅做催化劑，因此需要加熱k使乙醇揮發(fā)，并且加熱m，使氧氣與乙醇蒸氣反應(yīng)，反應(yīng)的化學(xué)方程式是：2CH3CH2OH+O2

　　2CH3CHO+2H2O。

　　（3）氫氧化鈉固體易吸水并且在溶于水時(shí)放出大量的熱，氫氧化鈉溶于水后溶液中的OH—的濃度增大，這些因素均能濃氨水中的化學(xué)平衡：NH3＋H2ONH3H2ONH4+＋OH-向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，使?jié)獍彼械陌睔夥懦�。根�?jù)常識(shí)可以判斷出在E中出現(xiàn)的紅棕色氣體應(yīng)該是NO2，由氨氣和NO2中氮元素的化合價(jià)可以判斷氨氣被氧化生成NO2氨氣體現(xiàn)出的是還原性。

　　【答案】（1）ACBECFAB之間的C裝置中溶液保持澄清，EF之同的C裝置中溶液變渾濁（2）關(guān)閉打開km2CH3CH2OH＋O22CH3CHO＋2H2O

　　（3）①氫氧化鈉溶于水放出大量熱，溫度升高，使氨的溶解度減小而放出；氧氧化鈉吸水，促使氨放出；氫氧化鈉電離出的OH-增大了氨水中OH-濃度，促使氨水電離平衡左移，導(dǎo)致氨氣放出。②還原

　　【方法技巧】本題得分的關(guān)鍵是應(yīng)明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模鹤C明混合氣體中有CO和H2。要想達(dá)到目的，只能利用它們的還原性將之轉(zhuǎn)化為CO2和H2O來(lái)檢驗(yàn)，同時(shí)又要防止CO2和水蒸氣的干擾，所以，用CO和H2還原CuO之前，必須首先除去CO2和水蒸氣。本題應(yīng)先解決第（4）問。

　　考點(diǎn)2碳酸鹽性質(zhì)的一般規(guī)律

　　1．溶解性規(guī)律：堿金屬的正鹽溶解度酸式鹽（如：Na2CO3NaHCO3）；堿土金屬（第ⅡA族）的正鹽溶解度酸式鹽〔如：CaCO3Ca(HCO3)2〕。

　　2．穩(wěn)定性：難溶性的碳酸鹽、(NH4)2CO3及酸式鹽受熱；可溶性的碳酸鹽較穩(wěn)定，受熱；一般來(lái)說(shuō)：穩(wěn)定性大小順序?yàn)檎}酸式鹽。

　　3．酸式鹽與堿反應(yīng)時(shí)的產(chǎn)物要根據(jù)相對(duì)用量判斷。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過量）

　　4．CO32-和HCO3-的檢驗(yàn)

　　（1）CO32-的檢驗(yàn)方法：向待檢溶液中滴加過量的溶液，生成，再加入

　　，白色沉淀又溶解，且生成無(wú)色、無(wú)味的氣體，則檢得溶液中有CO32-。

　�。�2）HCO3-的檢驗(yàn)方法：向待檢溶液中滴加足量的的可溶性鹽溶液，若無(wú)明顯現(xiàn)象，再向溶液中加入足量的（如等）溶液，溶液中逸出無(wú)色、無(wú)味的氣體，則待檢溶液中有HCO3-。

　　[特別提醒]：①檢驗(yàn)CO32-：試劑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，原因是無(wú)法排除HCO3-的干擾。②檢驗(yàn)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-將HCO3-轉(zhuǎn)化為CO32-；加酸后要通過氣體的氣味排除HSO3-的干擾。

　　[例2]（20xx年上海理綜）（1）鐘乳石和石筍的主要成分是碳酸鈣，其形成過程如右圖所示。隨著旅游人數(shù)的增加，潮濕溶洞中的鐘乳石和石筍受到二氧化碳侵蝕，其化學(xué)方程式為：__________________________________。

　�。�2）某學(xué)生提出一個(gè)修復(fù)溶洞底部受損石筍的研究方案，由以下五步組成，正確的實(shí)驗(yàn)步驟依次是__________。

　�、賹⑹⒂袎A溶液的容器置于石筍的上部②配制一定濃度的堿溶液③選擇合適的堿④調(diào)節(jié)堿溶液下滴的速度⑤觀察石筍表面復(fù)原情況

　　[解析]從圖可見，石筍受損是由于地表水中溶有CO2，CO2可溶解石筍，生成Ca(HCO3)2，而Ca(HCO3)2在受熱的情況下會(huì)分解生成CaCO3，形成鐘乳石和石筍。修復(fù)溶洞底部受損的石筍應(yīng)用能與Ca(HCO3)2反應(yīng)的堿。故實(shí)驗(yàn)的第一步是選擇合適的堿，再配制一定濃度的堿溶液后進(jìn)行修復(fù)操作①④⑤。

　　【答案】（1）CaCO3＋CO2+H2OCa(HCO3)2（2）③②①④⑤

　　【誤區(qū)警示】認(rèn)為應(yīng)先觀察石筍表面復(fù)原情況，根據(jù)石筍表面復(fù)原情況調(diào)節(jié)堿溶液下滴的速度，易將④和⑤搞反。

　　考點(diǎn)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：2C＋SiO2

　　2．非金屬單質(zhì)跟堿液作用一般無(wú)H2放出，但Si卻放出H2：Si＋2Na2OH＋H2O＝

　　3．非金屬單質(zhì)一般不跟非氧化性酸作用，但Si能與HF作用：Si+4HF＝

　　4．非金屬單質(zhì)一般為非導(dǎo)體，但Si為。

　　5．SiO2是H2SiO3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(diǎn)一般較低，但SiO2的熔沸點(diǎn)卻。

　　7．酸性氧化物一般不與酸作用，但SiO2能跟HF作用：SiO2＋4HF＝

　　8．無(wú)機(jī)酸一般易溶于水，H2SiO3卻難溶于水。

　　9．因碳酸的酸性強(qiáng)于硅酸，所以在Na2SiO3溶液中通入CO2能發(fā)生下列反應(yīng)：Na2SiO3

　　+CO2+H2O＝，但在高溫下2Na2CO3+SiO2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，但它卻是的溶液，并不是溶液。

　　[特別提醒]：硅與氫氧化鈉溶液反應(yīng)時(shí)，實(shí)際上是水被分解了，堿的存在只是起了加速作用，其過程可認(rèn)為：Si＋3H2O＝H2SiO3＋2H2↑，H2SiO3＋2NaOH＝Na2SiO3＋2H2O。顯然，Si失去電子，是還原劑；H2O中的H得到電子，H2O是氧化劑；NaOH既不是氧化劑，又不是還原劑，它只是反應(yīng)物而已。綜合上述兩個(gè)反應(yīng)得到總化學(xué)方程式：Si＋2NaOH＋H2O＝Na2SiO3＋2H2↑。

　　[例3]能說(shuō)明常溫下二氧化硅是很堅(jiān)硬的固體而二氧化碳是氣體的原因是（）

　　A．硅的非金屬性比碳的活潑

　　B．二氧化硅中硅氧鍵的類型和二氧化碳中碳氧鍵不同

　　C．硅氧鍵的鍵能比碳氧鍵的鍵能大得多

　　D．二氧化硅晶體類型和二氧化碳晶體不同

　　[解析]本題比較兩種晶體的物理性質(zhì)，應(yīng)該從晶體所屬類別入手。由于SiO2是一種空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的原子晶體，而CO2是靠分子間作用力結(jié)合在一起的分子晶體，因此SiO2晶體的熔沸點(diǎn)高、硬度大，而二氧化碳的熔沸點(diǎn)低。

　　【答案】D

　　【誤區(qū)警示】對(duì)兩種晶體結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)模糊以及對(duì)物理性質(zhì)差異原因的認(rèn)識(shí)不清，而認(rèn)為SiO2和CO2屬于同主族元素的兩種化合物，對(duì)應(yīng)的晶體類型相同，性質(zhì)上的差異應(yīng)該在于二氧化硅中硅氧鍵和二氧化碳中碳氧鍵間類型和鍵能的差異。從而錯(cuò)選B、C。

　　考點(diǎn)4無(wú)機(jī)非金屬材料

　　1．傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料——水泥和玻璃的生產(chǎn)方法

　　硅酸鹽產(chǎn)品水泥玻璃

　　主要設(shè)備水泥回轉(zhuǎn)窯玻璃窯

　　原料石灰石和粘土純堿、石灰石、石英(過量)

　　反應(yīng)原理復(fù)雜的物理-化學(xué)變化Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑

　　CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑

　　主要成份

　　反應(yīng)條件

　　2．新型無(wú)機(jī)非金屬材料

　　新開發(fā)利用的無(wú)機(jī)非金屬材料主要有氮化硅（Si3N4)、剛玉（Al2O3）等陶瓷，碳化硼、光導(dǎo)纖維(主要成分是SiO2)等，這些材料具有特殊結(jié)構(gòu)、特殊功能。

　　傳統(tǒng)非金屬材料具有抗腐蝕、耐高溫等許多優(yōu)點(diǎn)，但質(zhì)脆，耐熱沖擊差。

　　新型非金屬材料繼承了傳統(tǒng)非金屬材料的優(yōu)點(diǎn)，并克服了缺點(diǎn)，主要具有以下特性：①

　　；②；③；④。

　　[特別提醒]：復(fù)雜硅酸鹽可以看成堿性氧化物和酸性氧化物所組成的復(fù)雜化合物，因此可以改寫為aMxOybSiO2cH2O的方式（具體順序是：堿性氧化物兩性氧化物酸性氧化物水），如硅酸鈣：3CaOSiO2、鋁酸三鈣：3CaOAl2O3；高嶺土：Al2O32SiO22H2O。

　　[例4]（20xx屆南通市第一次調(diào)研測(cè)試）漢代器物上的顏料“漢紫”至今尚沒有發(fā)現(xiàn)其自然存在的記載。20世紀(jì)80年代科學(xué)家進(jìn)行超導(dǎo)材料研究時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)其成分為紫色的硅酸銅鋇（化學(xué)式：BaCuSi2Ox，Cu為＋2價(jià)），下列有關(guān)“漢紫”的說(shuō)法中不正確是（）

　　A．用鹽的形式表示：BaSiO3CuSiO3B．用氧化物形式表示：BaOCuO2SiO2

　　C．易溶于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿D．性質(zhì)穩(wěn)定，不易褪色

　　[解析]根據(jù)化合物中正負(fù)化合價(jià)的代數(shù)和等于零可知，A、B正確。硅酸鹽只溶于強(qiáng)酸不溶于強(qiáng)堿，C錯(cuò)。從題給信息：漢代器物上的顏料“漢紫”可知“漢紫”性質(zhì)穩(wěn)定，不易褪色，D正確。

　　【答案】C

　　參考答案

　　考點(diǎn)1碳族元素

　　1．+4+2（1）還原性越強(qiáng)（2）＋2（3）+4

　　2．（1）澄清石灰水（2）灼熱CuO（3）灼熱銅網(wǎng)（4）飽和NaHCO3溶液酸性KMnO4溶液（5）飽和NaHCO3溶液（6）CuSO4溶液

　　考點(diǎn)2碳酸鹽性質(zhì)的一般規(guī)律

　　1．大于＞小于＜2．易分解難分解＞

　　3．CaCO3↓+NaHCO3+H2OCaCO3↓+Na2CO3+2H2O

　　4．（1）CaCl2白色沉淀稀鹽酸或稀硝酸Ca2+或Ba2+酸鹽酸、硝酸、醋酸