逍遥右脑 2013-04-10 15:19
一. 教学内容：碳族元素
二. 重点、难点：
1. 掌握碳族元素的原子结构特点和性质递变规律。
2. 认识硅及其重要化合物的性质和用途，初步了解硅和二氧化硅的晶体结构以及与性质的关系。
3. 了解水泥、玻璃的主要成分和简单生产原理。
三. 具体内容：
1. 碳族元素性质的相似性和递变性：
（1）相似性
① 碳族元素原子结构最外层都为4个电子，C、Si为非金属元素，Ge、Sn、Pb为金属元素。
② 最高正价为 4，负价为-4。
③ 非金属元素可形成气态氢化物RH4
④ 非金属元素最高价氧化物对应的水化物为H2RO3，其水溶液呈酸性；金属元素低价氧化物对应水化物为 、 具两性偏碱性。
2. 碳单质（C）
碳元素价态变化及重要物质：
碳的同素异形体有金刚石和石墨两种。
（1）金刚石和石墨的晶体结构：
金刚石晶体里，每个碳原子都处于四个碳原子的中心，以共价键跟四个碳原子结合成正四面体结构，正四面体结构向空间发展，构成一个空间网状晶体，为原子晶体。
石墨晶体是层状结构，每层内的碳原子排列成六边形，一个个六边形排列成平面网状结构，同一层内，相邻的碳原子以非极性共价键结合，层与层以范德华力相结合，因层与层之间易滑动，质软。石墨晶体为层状晶体（看作混合型晶体）。
（2）性质：
金刚石和石墨物理性质有较大差异。
（3）性质：碳单质常温下性质很稳定，碳的性质随温度升高，活性增大。碳的同素异形体性质相似。
① 可燃性：在充足空气中燃烧C O2（足） 2CO
② 高温下，与氢、硫、硅等发生化合反应：
C＋2S CS2（C表现还原性）
C＋Si SiC（C表现弱氧化性）
C＋2H2 CH4（C表现弱氧化性）
③ 高温下，与钙、铁、铝、硅的氧化物发生反应，生成碳化物或还原出金属单质。
CaO＋3C CaC2＋CO（电石）
CuO＋C Cu＋CO
SiO2＋2C Si＋2CO
Fe2O3＋3C 2Fe＋3CO
④ 高温下，与水蒸汽发生反应，
⑤ 与氧化性酸发生反应：
C 4HNO3（浓） CO2↑ 2SO2↑ 2H2O
3. 二氧化碳（CO2）
属于酸性氧化物，即为碳酸酸酐。
（1）分子组成和结构：二氧化碳分子是由两个氧原子和一个碳原子通过极性共价键结合成直线型的非极性分子；固态时为分子晶体。
（2）物理性质：二氧化碳是无色、无嗅的气体，密度比空气大，加压和降温下变为雪状固体叫干冰，若在压强为101帕，温度 ℃时，干冰可升华成气体；CO2可溶于水（通常状况下1:1）。CO2无毒，但它是一种窒息性气体（≥10%即窒息），可灭火。
（3）化学性质：
① 溶于水，与水发生反应：
CO2＋H2O H2CO3 H ＋HCO3－-溶液呈弱酸性，H2CO3为弱电解质，而CO2为非电解质。
② 具有酸性氧化物的通性：与碱、与碱性氧化物、与盐等物质发生反应。
CO2＋CaO CaCO3
CO2＋Ca（OH）2=CaCO3↓ H2O
CaCO3＋CO2＋H2O=Ca（HCO3）2
③ 与还原性物质发生反应，CO2表现弱氧化性。
CO2＋C 2CO
④ 与某些活泼金属反应，CO2表现氧化性
CO2＋2Mg 2MgO＋C，生成黑色（C）和白色（MgO）两种粉末。
（4）制法：
实验室制法：CaCO3＋2HCl=CaCl2 H2O＋CO2↑
工业制法：CaCO3 2CO2（蓝色火焰）
② 还原性：
CuO＋CO
工业制法：
碳还原CO2：C＋CO2 2CO
水煤气法：C H2O（气） CO H2
（4）用途：气体燃烧、冶金工业的还原剂及有机合成原料。
5. 碳酸及其盐
（1）碳酸（H2CO3）
① 二元弱酸，分步电离：
H2CO3 H ＋HCO3－、HCO3－ H ＋CO32－
酸性：H2CO3＞HCO3－
CO2通入水中得到碳酸溶液，CO2＋H2O H2CO3，碳酸只存在于溶液中。
② 碳酸是不稳定酸，易分解。
H2CO3=H2O＋CO2↑
③ 碳酸具有酸的通性，与指示剂、与碱、与碱性氧化物、与活泼金属、与盐等物质发生反应。
2NaOH＋CO2＝Na2CO3＋H2O
Na2O＋CO2＝Na2CO3
＋CO2＋H2O＝CaCO3↓ 2HClO
（2）碳酸盐：包括正盐和酸式盐两种盐
① 溶解性：
碳酸盐除K 、Na 、NH4 盐易溶于水，Mg2 微溶于水外，剩余都难溶于水。阳离子相同的碳酸盐，通常，正盐溶解性＜酸式盐，如：CaCO3（难溶）＜ （可溶）、MgCO3（微溶）＜ （可溶），也有例外，如：Na2CO3溶解性＞NaHCO3溶解性。
② 热稳定性：通常正盐＞酸式盐，如：
Na2CO3 Na2CO3＋CO2↑ H2O
③ 正盐与酸式盐相互转化：
Na2CO3＋CO2＋H2O=2NaHCO3
Na2CO3＋HCl＝NaHCO3＋NaCl
NaHCO3＋NaOH＝Na2CO3＋H2O
2NaHCO3 SiO2、Si＋2Cl2 SiF4↑＋2H2O
（HF制取：CaF2＋H2SO4（浓） SiO2＋H2O
用途：石英制耐火材料、石英玻璃等。水晶用于制光学仪器和工艺品。
8. 硅酸及硅酸盐
（1）硅酸（H2SiO3）和原硅酸（H4SiO4）
硅酸（H2SiO3）是一种难溶于水的弱酸，其酸性比碳酸还弱；通过硅酸钠溶液和盐酸反应不同操作，可制得硅酸溶胶或凝胶，甚至可得到白色胶状沉淀物，Na2SiO3＋2HCl=H2SiO3＋2NaCl，硅酸凝胶经过处理后用CoCl2溶液浸泡、烘干，制得一种变色硅胶（SiO2?xH2O），吸水前为蓝色，吸水后为粉红色，是一种很好的干燥剂。
硅酸还能和碱发生反应；H2SiO3＋2NaOH=Na2SiO3＋2H2O。
原硅酸H4SiO4是一种很不稳定、难溶于水的弱酸。
（2）硅酸钠（Na2SiO3）：
Na2SiO3水溶液称之为水玻璃或泡花碱。
① 发生水解反应，水溶液呈碱性：
SiO32－ 2H2O H2SiO3＋2OH－
② 与酸发生反应：
Na2SiO3＋CO2＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO3
Na2SiO3＋2HCl=H2SiO3（胶体）＋2NaCl
向Na2SiO3溶液中滴加盐酸，边加边强力振荡，得到硅酸溶胶，继续滴加盐酸，得到硅酸凝胶。
9. 硅酸盐工业
（1）玻璃工业
① 制普通玻璃的主要原料：纯碱（Na2CO3）、石灰石（CaCO3）和石英（SiO2）；若制有色玻璃或特种玻璃还要加入一些其它有色的物质。
② 生产玻璃的主要反应和主要设备。
Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3＋CO2↑
CaCO3＋SiO2 CaSiO3＋CO2↑，玻璃窑中进行。
③ 玻璃成分：玻璃不是晶体，称作玻璃态物质，它没有固定熔点，而是在某一温度范围内逐渐软化。软化状态时，可制成任何形状制品。
普通玻璃：是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2熔化在一起的物质，可写成Na2O?CaO?6SiO2。
有色玻璃：在普通玻璃中加入氧化钴（Co2O3）呈蓝色，加入氧化亚铜（Cu2O）呈红色等，有色玻璃为固溶胶。
钢化玻璃：普通玻璃加热软化，急速冷却得到钢化玻璃，即成分与普通玻璃相同，因热处理方法不同，而结构、物性不同。
（2）水泥工业：
① 制水泥原料：石灰石、粘土和适量石膏（熟料中加入适量石膏，为的是调节水泥硬化速度）。
② 制水泥主要设备：水泥回转窑。
③ 水泥成分：主要成分是：
硅酸三钙：3CaO?SiO2
硅酸二钙：2CaO?SiO2
铝酸三钙：3CaO?Al2O3
即水泥为混合物
④ 水泥性能和用途
水泥的组成和结晶形态的不同直接影响到它的主要性能。
水泥具有水硬性。水泥和水拌和后，发生作用，生成不同的水合物，同时放出一定热量，生成的水合物逐步形成胶状物，并开始凝聚，最后有些胶状物转变为晶体 高中生物，使胶状物和晶体交错地结合成强度很大的固体，以上过程叫水泥的硬化。
水泥不仅是一般建筑材料，而且是水下工程必不可少的建筑材料。水泥、砂子和碎石按一定比率混合后，制得混凝土，常用来造桥，建厂房。若建筑物用钢筋作结构，再浇注混凝土，即钢筋混凝土，使建筑物更加坚固。
10. 碳族元素及其单质的物理性质和化学性质比较。
【典型例题】
[例1]下列关于硅的说法不正确的是（ ）
A. 硅是非金属元素，但它的单质是灰黑色有金属光泽的固体
B. 硅的导电性能介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料
C. 硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质起反应
D. 当加热到一定温度时，硅能与氧气、氢气等非金属反应
答案：C
[例2] 下列关于碳族元素的说法中，错误的是（ ）
A. 它们从上到下的非金属性向金属性递变的趋势比卤族元素明显
B. 碳族元素的气态氢化物的稳定性从上到下逐渐减弱
C. 碳族元素原子的最外层都有4个电子
D. 主要化合价有 2价和 4价，大多数 2价化合物稳定
答案：D
[例3] 对于碳族元素，下列说法不正确的是（ ）
A. 随着元素原子序数的增加，其单质的熔点逐渐升高
B. 它是由非金属性向金属性过渡十分明显的元素族
C. 只能形成共价化合物，不能形成离子化合物
D. 除铅外，碳族元素均以 4价化合物较为稳定
答案：A、C。
[例4] 待发现的原子序数为114的元素X，其下列性质推断正确的是（ ）
A. 它的金属活动性比铅强
B. 有稳定的气态氢化物XH4
C. 它稳定的化合价是 4价
D. 最高价氧化物为XO2
答案：A、D。
[例5] 将过量的CO2分别通入① CaCl2溶液；② Na2SiO3溶液；③ 溶液；④ 饱和Na2CO3溶液。最终溶液中有白色沉淀析出的是（ ）
A. ①②③④ B. ②④ C. ①②③ D.②③
H2CO3，H2CO3的酸性比盐酸弱，而比硅酸、次氯酸强。根据酸与盐反应的规律，CO2通入CaCl2溶液无明显现象（弱酸不能制强酸）；过量CO2通入Ni2SiO3溶液中有白色沉淀H2SiO3生成；CO2通入 溶液至过量， CO2 H2O CaCO3↓ 2HClO，CaCO3 H2O CO2 ，最终生成 而无沉淀产生。过量CO2通入饱和Na2CO3溶液中。
2NaHCO3生成的NaHCO3溶解度比Na2CO3溶解度小而结晶析出。
编号
试剂
保存方法
理由
A
固体氢氧化钠
存放在带橡皮塞的广口瓶中
防止与空气接触被氧化和与水蒸气、二氧化碳接触而变质
B
碳酸钠晶体
存放在干燥密封的广口瓶中
防止风化而碎裂成粉末
C
液溴
存放在带橡皮塞的细口瓶中，并用水封
防止挥发
D
过氧化钠粉末
存放在带玻璃塞的试剂瓶中
防止吸收水分而变质
答案：B
据此，请填空：
（1）化合物F是___________。
（2）化合物I是___________。
（3）反应③的化学方程式是_____________。
（4）反应④的化学方程式是____________。
2H2O
反应④为：2F2 2H2O 4HF O2
经逐个物质核对，均符合题意，解毕。显然，本题的“切入点”，可以认为是Si和CO，而HF和F2则是本题的难点和重点之所在。
2H2O
（4）2F2 2H2O 4HF O2
答案：B、D
答案：B
答案：A、C
答案：B
化简得2x y＝14，将A?DD各项中，x、y值代入验证，只有B符合方程。
另解：根据硅酸盐的另一种表示组成的方法?D?D氧化物的形式，可将Al2Si2Ox（OH）y，改写成
化简可得2x y＝14，以下同前解。
[例12] 三硅酸镁被用来治疗胃溃疡，是因为该物质不溶于水，服用后能中和胃酸，作用持久。把三硅酸镁Mg2Si3O8?nH2O改写成氧化物形式为_________，写出它中和胃酸（HCl）的化学方程式______________。
解析：本题主要考查硅酸盐的书写方式和性质，其氧化物形式的书写关键在于化合价，该物质中Mg为 2价，Si为 4价，其氧化物分子式分别为MgO，SiO2，故三硅酸镁的氧化物形式为：2MgO?3SiO2?nH2O，与盐酸反应的方程式（只有MgO能反应）为：
2MgO?3SiO2?nH2O 4HCl＝2MgC12 3SiO2 （n 2）H2O
[例13]（1）将下列硅酸盐改写成氧化物的形式：
① 镁橄揽石（Mg2SiO4）：___________。
② 高岭石[ _________。
通过以上改写可知，HNO3的酸酐为_______，HCOOH与浓H2SO4反应可制_________气体。
（3）已知在一定条件下，Fe在Cl2中燃烧可以生成Fe3Cl8，它可以看作是FeCl2?2FeCl3，类似地，碘与Fe在一定条件下可得到Fe3I8，则它可以看作是_________。
。上述反应中，Fe由 2价变为 3价，而Y的化合价不变，则可推算此钇矿石的化学式中x＝_________。若用氧化物表示其组成，则化学式可写成_______________。
解析：依题意在钇矿石中Y元素的化合价为 3价，铁元素为 2价，Be元素只有 2价，Si元素为十4价，氧元素为?D2价，由化合物中元素的正价总数与负价总数的绝对值相等，可知x＝2。
改写成氧化物的形式为：Y2O3?FeO?2BeO?2SiO2
[例15] 自YBa2Cu3O7?Dδ超导氧化物发现以后，许多新型超导材料不断问世。汞系超导氧化物就是一类典型的代表物。1993年Putilin等合成了第一个汞系超导氧化物HgBa2CuO4 δ（Hg?D1201相Tc＝94K），紧接着HgBa2CaCu2O6 δ（Hg?D1212相Tc＝127K）和HgBa2Ca2Cu3O8 δ（Hg?D1223相Tc＝134K）也相继合成出来。该类化合物可用通式表示为________。
答案： HgBa2Can?D1CunO2n 2 δ（其中人n为大于或等于1的正整数）
解析：对这几种汞系超导氧化物中各元素的原子个数进行分析，分析过程如下表：
Hg数
Ba数
Ca数
Cu数
O
HgBa2CuO4 δ
1
2
0
1
4 δ
HgBa2 CaCu2O6 δ
1
2
1
2
6 δ
HgBa2 Ca2Cu3O8 δ
1
2
2
3
8 δ
1
2
n?D1
n
2n 2 δ
从上表可得出：该类化合物的通式为：
HgBa2Ca1CunO2n 2 δ。
【模拟】（答题时间：60分钟）
一. 选择题（本题共20小题，每小题3分，共60分。每小题有只有一个选项符合题意）
1. 用于汽车或火车车窗上的玻璃是（ ）
A. 普通硬质玻璃 B. 铅玻璃 C. 钢化玻璃 D. 玻璃钢
2. 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（MCE00）
3. 下列气体不会造成大气污染的是（ ）
A. NO2 B. SO2 C. CO2 D. Cl2
4. 下列化合物中最容易脱水的是（ ）
A. NaOH B. B. C. D.
20. 据报导，国外有科学家用激光将置于铁室中石墨靶上的碳原子炸松，与此同时再用射频电火花喷射氮气，此时碳、氮原子结合成碳氮化合物薄膜。据称这种化合物可能比金刚石更坚硬。其原因可能是（ ）
A. 碳、氮原子构成网状结构的晶体
B. 碳氮键比金刚石中的碳碳键更强
C. 氮原子最外层电子数比碳原子最外层电子数多
D. 碳、氮的单质化学性质均不活泼
二. 填空题（本题包括7小题，共30分）
21.（4分）盐碱地（含较多NaCl、Na2CO3）不利于作物生长，其产生碱性的原因是（用离子方程式表示）____________________；施加适量石膏可降低盐碱地的碱性，表示其反应原理的离子方程式是__________________。
22.（8分）称取一定质量的含不同杂质的纯碱溶于水后与适量盐酸反应，跟同质量不含杂质的纯碱相比（填多或少）
（1）若纯碱中含小苏打，则盐酸用量_____，产生气体的量______；
（2）若纯碱中含碳酸钾，则盐酸用量_____，产生气体的量______；
（3）若纯碱中含氯化钠，则盐酸用量_____，产生气体的量______；
（4）若纯碱中含碳酸氢钙，则盐酸用量_____，产生气体的量______。
23.（3分）将50 mL 0.1 mol / L的氢氧化钠溶液和5 mL 0.5 mol / L的乙酸溶液混合蒸干并强热，最终得到的固体是_________，得到此固体的最后化学方程式是：__________。
24.（7分）物质A是一种高熔点化合物，不溶于硫酸、硝酸，却溶于氢氟酸；C是一种气体；D是白色胶状沉淀；E是白色固体。A、B、C、D、E间的转化如右图，根据图示关系回答：
分子式A________，B________，C________，D________，E________；
（2）请写出变化中的有关化学方程式：
① B C ─→ D：____________________；
② E 【试题答案
1. C 2. C 3. C 4. D 5. D 6. A 7. B 8. A 9. C 10. A
11. D 12. C 13. C 14. A 15. B 16. C 17. C 18. A 19. A 20. B
21.（每空2分）<1" > ＋H2O ＋OH－；Ca2 ＋<2" > ＝CaCO3↓（每空1分）
（1）少；多 （2）少；少 （3）少；少 （4）少；多
23. Na2CO3（1分）；CH3COONa＋NaOH Na2CO3＋CH4↑（2分）
24.（每空1分）（1）SiO2；Na2SiO3；CO2；H4SiO4；H2SiO3
（2）① Na2SiO3＋CO2＋2H2O＝Na2CO3＋H4SiO4 ② H2SiO3 SiO2＋H2O
25.（每空2分）C；因为Na2CO3＝2Na ＋ ， ＋H ，所以溶液中 浓度逐渐增大，又因为 ＋H ＝H2CO3，H2CO3＝H2O＋CO2↑（或因为 ＋H ＝H2O＋CO2↑），所以溶液中 浓度减少。
26.（2分）1:2
27.（每空2分）CO；5
28. n（CO2）= =0.0475 mol（1分）
（1） =0.025 L ＝25 mL（1分）
（2）解一： =582 kg（1分）
解二：m（CO2）=1000 kg× ×56 g / mol=0.23g（1分）
剩余不纯生石灰为5 g－2.09 g=2.91 g
CaO％＝ =532kg（1分）
m（SiO2）=1000 kg－532 kg－418 kg=50kg（1分）
SiO2消耗CaO 50 kg× =46.7kg（1分）
CaO％= ×100％=83.4％（1分）