第15講　碳族元素無機非金屬材料

時間：2022-07-31 03:04:38 教案我要投稿

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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和碳高溫下反應生成CO，PbO2在化學反應中是強氧化劑等。

　　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。

　　[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，活塞a應，活塞b應。需要加熱的儀器裝置有（填代號），m中反應的化學方程式為。

　　（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A→G→E→D裝置程序制取干燥氧氣，并驗證氨的某些性質(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CuO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反應生成的）反應，反應生成的CO2氣體進入E中，并與與Na2O2反應產(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，反應的化學方程式是：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平衡：NH3＋H2ONH3H2ONH4+＋OH-向逆反應方向移動，使?jié)獍彼械陌睔夥懦觥８鶕?jù)常識可以判斷出在E中出現(xiàn)的紅棕色氣體應該是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，導致氨氣放出。②還原

　　【方法技巧】本題得分的關(guān)鍵是應明確實驗目的：證明混合氣體中有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；一般來說：穩(wěn)定性大小順序為正鹽酸式鹽。

　　3．酸式鹽與堿反應時的產(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

　　（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]：①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。②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]（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，其化學方程式為：__________________________________。

　　（2）某學生提出一個修復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__________。

　　①將盛有堿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在受熱的情況下會分解生成CaCO3，形成鐘乳石和石筍。修復溶洞底部受損的石筍應用能與Ca(HCO3)2反應的堿。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操作①④⑤。

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

　　【誤區(qū)警示】認為應先觀察石筍表面復原情況，根據(jù)石筍表面復原情況調(diào)節(jié)堿溶液下滴的速度，易將④和⑤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：2C＋SiO2

　　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＝

　　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：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，它只是反應物而已。綜合上述兩個反應得到總化學方程式：Si＋2NaOH＋H2O＝Na2SiO3＋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，對應的晶體類型相同，性質(zhì)上的差異應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)

　　反應原理復雜的物理-化學變化Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑

　　CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑

　　主要成份

　　反應條件

　　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，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：①

　　；②；③；④。

　　[特別提醒]：復雜硅酸鹽可以看成堿性氧化物和酸性氧化物所組成的復雜化合物，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年代科學家進行超導材料研究時，偶然發(fā)現(xiàn)其成分為紫色的硅酸銅鋇（化學式：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：BaOCuO2SiO2

　　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。

　　【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↓+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