考點(diǎn)21碳族元素.碳及其化合物

1．復(fù)習(xí)重點(diǎn)

1．碳族元素原子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、碳族元素化合價為正四價和正二價；

2．碳族元素的性質(zhì)及其遞變規(guī)律；

3．碳和硅的性質(zhì)、用途。

2．難點(diǎn)聚焦

碳和硅的化學(xué)性質(zhì)

化學(xué)性質(zhì)

碳

硅

還原性

與單質(zhì)反應(yīng)

（不穩(wěn)定）

與氧化物反應(yīng)

與酸反應(yīng)

不與、等反應(yīng)，但有：

與水或堿溶液反應(yīng)

與反應(yīng)

 

專題三  二氧化碳和二氧化硅的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)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(diǎn)和沸點(diǎn)

低

高，硬度大

化學(xué)性質(zhì)

不溶于水，與水也不反應(yīng)

 

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(zhì)跟堿液作用一般無放出，但Si卻放出H₂：   

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：

4. 非金屬單質(zhì)一般為非導(dǎo)體，但Si為半導(dǎo)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(diǎn)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(jī)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(yīng)：，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(yīng)特點(diǎn)

硅與強(qiáng)堿溶液反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是什么？究竟哪種物質(zhì)是氧化劑？根據(jù)化學(xué)方程式：

進(jìn)行分析，似乎和都是氧化劑，其實(shí)不然。上述反應(yīng)實(shí)際分兩步進(jìn)行

    ①

     ②

其中反應(yīng)①為氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)②為非氧化還原反應(yīng)。合并①②兩式得總反應(yīng)方程式。其中NaOH既不是氧化劑，也不是還原劑，只是反應(yīng)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(yīng)的氧化劑。為表示反應(yīng)的實(shí)質(zhì)（或要求標(biāo)出電子轉(zhuǎn)移方向和數(shù)目時），可寫成：
     

 11．碳及其化合物的知識網(wǎng)絡(luò)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                         

 

 

 

 

 

                                                    

 

硅及其化合物的知識網(wǎng)絡(luò)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                      

3．例題精講

[例1] 下列關(guān)于碳族元素的說法正確的是 [ ]

　　A．單質(zhì)都是無色晶體

　　B．單質(zhì)中硅單質(zhì)熔點(diǎn)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(zhì)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(zhì)中，金剛石、晶體硅為原子晶體，金剛石的熔點(diǎn)比晶體硅高。本族單質(zhì)的熔點(diǎn)與鹵族元素單質(zhì)熔點(diǎn)遞變趨勢不同，鹵族單質(zhì)熔點(diǎn)從F₂→I₂依次升高，碳族元素單質(zhì)由C→Pb熔點(diǎn)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(gòu)成種類繁多的有機(jī)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(yīng)的情況及氫化物的穩(wěn)定性說明它們非金屬性的強(qiáng)弱，并用原子結(jié)構(gòu)理論加以解釋。

　　分析： 元素非金屬性越強(qiáng)，越容易與氫氣發(fā)生反應(yīng)，生成的氣態(tài)氫比物越穩(wěn)定。比較硅、磷、硫、氯與氫氣反應(yīng)的難易程度，就可以得知它們非金屬性的強(qiáng)弱。

　　答案：硅只有在高溫下才能跟氫起反應(yīng)生成氣態(tài)氫化物SiH₄。磷的蒸氣和氫氣能起反應(yīng)生成氣態(tài)氫化物PH₃，但相當(dāng)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(diǎn)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(shí)可知非金屬性由弱到強(qiáng)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(qiáng)，元素的非金屬性也就逐漸增強(qiáng)。

　　 [例3] 最近，科學(xué)家研制得一種新的分子，它具有空心的類似足球狀結(jié)構(gòu)，化學(xué)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(xué)到過的，但只要明確單質(zhì)、化合物、同素異形體、化學(xué)鍵、式量的概念，對各選項進(jìn)行認(rèn)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(zhì)；碳原子之間以共價鍵相結(jié)合；C₆0和石墨都是由碳元素形成的不同單質(zhì)，都是碳的同素異形體，C₆0的式量=12×60=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(guān)X可能具有的性質(zhì)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(qiáng)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(zhì)遞變規(guī)律，可推知114號元素的金屬性比鉛還強(qiáng)，一定是金屬元素。它的穩(wěn)定價態(tài)應(yīng)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(qiáng)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(xué)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(jié)構(gòu)的新分子，碳原子之間存在②鍵，它的摩爾質(zhì)量是③，而金剛石是一種④結(jié)構(gòu)的⑤晶體，碳原子間通過⑥鍵結(jié)合，含有碳原子構(gòu)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(zhì)，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(jié)合，它的摩爾質(zhì)量可由化學(xué)式求，即12×60＝720g/mol。金剛石是一種正四面體型空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，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(jié)合，分別位于正四面體的四個頂點(diǎn)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109°28′。本題著重考學(xué)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⑦6⑧109°28′。

　　 [例6] 二氧化硅的熔沸點(diǎn)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(jié)合

　　分析：此題難度不大，但涉及二氧化硅晶體結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)知識。二氧化硅熔沸點(diǎn)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(yīng)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?yàn)楦邷貢r二氧化硅與碳酸鈉反應(yīng)放出二氧化碳，所以硅酸的酸性比碳酸強(qiáng)

　　D．二氧化硅是酸性氧化物，它不溶于任何酸

　　分析：此題是關(guān)于硅及其化合物性質(zhì)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(qiáng)酸制取弱酸的復(fù)分解反應(yīng)：

Na₂SiO₃＋2H₂O＋CO₂==Na₂CO₃＋H₄SiO₄↓

　　C．高溫時如下反應(yīng)可以進(jìn)行：

SiO₂＋Na₂CO₃==Na₂SiO₃＋CO₂↑

　　但因?yàn)镃O₂成氣態(tài)逸出，并不說明硅酸比碳酸強(qiáng)，硅酸和碳酸酸性強(qiáng)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(jié)構(gòu)，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(diǎn)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(jié)構(gòu)；此題的考查內(nèi)容，是化學(xué)鍵與晶體結(jié)構(gòu)。

　　所列三種晶體均是原子晶體，結(jié)構(gòu)相似，晶體內(nèi)的結(jié)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(diǎn)越高。所以三者的熔點(diǎn)由高到低的順序是：金剛石、碳化硅、晶體硅。

答案：A

[例9] 物質(zhì)A是一種高熔點(diǎn)化合物，不溶于硫酸，硝酸等強(qiáng)酸。A與純堿熔融反應(yīng)，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(zhuǎn)變?yōu)榛�合物E；將E加熱又得到化合物A。試寫出A、B、C、D、E的化學(xué)式：A____、B____、C____、D____、E____。

　　分析：此題應(yīng)根據(jù)對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析，得出結(jié)論。A是不溶于硫酸、硝酸等強(qiáng)酸的高熔點(diǎn)化合物，它能與純堿熔融反應(yīng)，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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相符合，這就證實(shí)A確實(shí)是SiO₂。A判斷出來了，其它物質(zhì)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(guān)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(gòu)成；

　　B．二氧化硅又叫硅酐；

　　C．二氧化硅與水化合生成對應(yīng)水化物硅酸；

　　D．二氧化硅為酸酐與堿反應(yīng)不與酸反應(yīng)；

　　E．二氧化硅與碳酸鈉反應(yīng)生成CO₂，所以硅酸酸性比碳酸強(qiáng)。

　　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(jié)構(gòu)，沒有分子，SiO₂為化學(xué)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(yīng)，但二氧化硅具有特性，可與氫氟酸反應(yīng)；

　　E錯，二氧化硅與碳酸鈉反應(yīng)生成硅酸鈉是在高溫，利用CO₂的揮發(fā)性，促使反應(yīng)完成，并不能說明硅酸酸性強(qiáng)于碳酸。

　　答案：B

　　[例11] （1）怎樣用化學(xué)方法檢驗(yàn)生石灰里混有的石英和石灰石？并寫出有關(guān)的化學(xué)方程式。

　�。�2）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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論。

　　分析：（1）生石灰的成分是氧化鈣，若不含雜質(zhì)，加鹽酸能完全溶解并且無氣體生成。加鹽酸充分反應(yīng)后仍有不溶于水的固體，說明有石英雜質(zhì)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(yīng)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(yīng)，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(zhì)（括號內(nèi)為雜質(zhì)）。將所選答案的編號填入在表內(nèi)相應(yīng)的空格內(nèi)（如果不需要外加試劑，則對應(yīng)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

　　Ⅰ．可選用的操作：①水洗 ②加熱 ③高溫灼燒 ④過濾 ⑤結(jié)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(qiáng)堿反應(yīng)，不跟酸（氫氟酸除外）反應(yīng)；它受熱不分解等性質(zhì)。而三氧化二鐵，碳酸鈣跟鹽酸反應(yīng)；硅酸、氯化銨能受熱分解。通過一定操作，除去雜質(zhì)。除雜過程中所發(fā)生的化學(xué)方程式如下：

　�。�1）SiO₂＋2NaOH==Na₂SiO₃＋H₂O

　�。�3）Fe₂O₃＋6HCl==2FeCl₃＋3H₂O

　　（4）CaCO₃＋2HCl==CaCl₂＋CO₂↑＋H₂O

　�。�5）H₂SiO₃SiO₂＋H₂O

　　（6）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(zhì)晶體是一種良好的半導(dǎo)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(yīng)的化學(xué)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(yīng)，只發(fā)生堿性氧化物與酸的反應(yīng)。鍺酸的化學(xué)式用硅酸遷移即得：H₄GeO₄或H₂GeO₃。

　�、貵eO₂＋4HCl==GeCl₄+2H₂O

　�、跦₄GeO₄GeO₂＋2H₂0

　　（或H₂GeO₃GeO₂+H₂O）

　�、蹽eO₂＋2H₂Ge＋2H₂O

　　 答案：見分析

 

4．實(shí)戰(zhàn)演練

一、選擇題

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二、非選擇題（共49分）?

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一、1.D  2.C  3.C  4.D?

5.解析：4.14 g Pb為0.02 mol，而反應(yīng)中增加氧的質(zhì)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(lán)  因?yàn)镠₂通過灼熱的CuO后生成Cu和水蒸氣，水蒸氣使無水CuSO₄變藍(lán)。?

20.（1）5  5  （2）（a－10）∶(20－a)  (3)10＜a＜20?

21.0.336 L  22.17.35%