第15講　 碳族元素 無機非金屬材料

1 / 11 第 15 講 碳族元素 無機非金屬材料 第 15 講 碳族元素無機非金屬材料 考點 1 碳族元素 1碳族元素的化合價 碳族元素常見化合價為 +2 和 +4，其中碳、硅、鍺、錫的價化合物較穩(wěn)定，而鉛的價化合物穩(wěn)定。由氧化還原反應(yīng)的化合價升降來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）價化合物有還原性。如 co 高溫時能還原某些金屬氧化物（ Fe2o3、 cuo 等）。 （ 3）價化合物有氧化性。如 co2 和碳高溫下反應(yīng)生成 co，Pbo2 在化學(xué)反應(yīng)中是強氧化劑等。 2除去 co、 co2 氣體中混有的雜質(zhì)（括號內(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。 2 / 11 例 1（ XX 年山東）下圖所示為常見氣體制備、分離、干爆和性質(zhì)驗證的部分儀器裝置（加熱設(shè)備及夾持固定裝置均略去）， 請根據(jù)要求完成下列各題（儀器裝置可任意選用，必要時可重復(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，并驗證其還原性及氧化產(chǎn)物，所選裝置的連接順序為（填代號）。能驗證 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AEDBH 裝置順序制取純凈干燥的 o2，并用 o2 氧化乙醇。此時，活塞 a 應(yīng)，活塞 b 應(yīng)。需要加熱的儀器裝置有（填代號）， 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，圓地燒瓶內(nèi)改加 NaoH 固體， E 內(nèi)裝有鉑鐒合金網(wǎng)，按AGED 裝置程序制取干燥氧氣，并驗證氨的某些性質(zhì)。 裝置 A 中能產(chǎn)生氨氣的原因有：。 實驗中觀察到 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)實驗要求， 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，要驗證 co 的還原性，需要裝有 cuo3 / 11 的裝置 E，驗證 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，能驗證 co 的氧化產(chǎn)物的實驗現(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，使?jié)獍彼械陌睔夥懦?。根?jù)常識可以判斷出在 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 km2cH3cH2oH4 / 11 o22cH3cHo 2H2o （ 3） 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。 還原 【方法技巧】本題得分的關(guān)鍵是應(yīng)明確實驗?zāi)康模鹤C明混合氣體中有 co 和 H2。要想達到目的，只能利用它們的還原性將之轉(zhuǎn)化為 co2 和 H2o 來檢驗，同時又要防止 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 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 A 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；一般來說：穩(wěn)定性大小順序為正鹽酸式鹽。 3酸式鹽與堿反應(yīng)時的產(chǎn)物要根據(jù)相對用量判斷。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 5 / 11 （ 1） co32-的檢驗方法：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，且生成無色、無味的氣體，則檢得溶液中有 co32-。 （ 2） Hco3-的檢驗方法：向待檢溶液中滴加足量的的可溶性鹽溶液，若無明顯現(xiàn)象，再向溶液中加入足量的（如等）溶液，溶液中逸出無色、無味的氣體，則待檢溶液中有 Hco3-。 特別提醒 ： 檢驗 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，原因是無法排除 Hco3-的干擾。 檢驗 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（ XX 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，正確的實驗步驟依次是 _。 將盛有堿溶液的容器置于石筍的上部 配制一定濃度的堿溶液 選擇合適的堿 調(diào)節(jié)堿溶液下滴的速度 觀察石筍表面復(fù)原情況 6 / 11 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。故實驗的第一步是選擇合適的堿，再配制一定濃度的堿溶液后進行修復(fù)操作 。 【答案】（ 1） caco3 co2+H2oca(Hco3)2（ 2） 【誤區(qū)警示】認為應(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 和 搞反。 考點 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： 2cSio2 2非金屬單質(zhì)跟堿液作用一般無 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一般較低，但 Sio2 的熔沸點卻。 7酸性氧化物一般不與酸作用，但 Sio2 能跟 HF 作用： Sio2 4HF 7 / 11 8無機酸一般易溶于水， H2Sio3 卻難溶于水。 9因碳酸的酸性強于硅酸，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，實際上是水被分解了，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。綜合上述兩個反應(yīng)得到總化學(xué)方程式： Si 2NaoH H2oNa2Sio3 2H2 。 例 3能說明常溫下二氧化硅是很堅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 co28 / 11 是靠分子間作用力結(jié)合在一起的分子晶體，因此 Sio2 晶體的熔沸點高、硬度大，而二氧化碳的熔沸點低。 【答案】 D 【誤區(qū)警示】對兩種晶體結(jié)構(gòu)認識模糊以及對物理性質(zhì)差異原因的認識不清，而認為 Sio2 和 co2 屬于同主族元素的兩種化合物，對應(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。從而錯選 B、 c。 考點 4 無機非金屬材料 1傳統(tǒng)無機非金屬材料 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新型無機非金屬材料 新開發(fā)利用的無機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，但質(zhì)脆，9 / 11 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，并克服了缺點，主要具有以下特性： ； ； ； 。 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amxoycH2o 的方式（具體順序是：堿性氧化物 水），如硅酸鈣： 3caoAl2o3；高嶺土： Al2o32H2o。 例 4（ XX 屆南通市第一次調(diào)研測試）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 80 年代科學(xué)家進行超導(dǎo)材料研究時，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），下列有關(guān) “ 漢紫 ” 的說法中不正確是（） A用鹽的形式表示： BaSio3cuSio3B用氧化物形式表示： Bao2Sio2 c易溶 于強酸、強堿 D性質(zhì)穩(wěn)定，不易褪色 解析 根據(jù)化合物中正負化合價的代數(shù)和等于零可知， A、 B正確。硅酸鹽只溶于強酸不溶于強堿， c 錯。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。 10 / 11 【答案】 c 參考答案 考點 1 碳族元素 1 +4+2（ 1）還原性越強（ 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 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+Na