第十八讲 碳族元素（建议 2 课时完成）考试目标1了解碳的三种重要的同素异形体及导致它们物理性质有较大差别的原因。了解碳的多样性。2了解碳、硅单质及其重要化合物（氧化物、碳酸钠、碳酸氢钠、硅酸钠等）的主要性质及应用。3了解水泥、玻璃和陶瓷等硅酸盐产品的主要化学成分、生产原料及其用途。4了解常见的无机非金属材料、金属材料与复合材料。5了解碳的氧化物对大气的污染。要点精析复习策略:本单元主要采用对比的方法复习碳硅及化合物的主要性质,同时注意碳硅及化合物的某些特殊性.一、碳族元素1碳族元素：包括碳（C） 、硅（Si） 、锗（Ge） 、锡（Sn） 、铅（Pb） ，为第 IV A 族元素；最外层均有四个电子，决定了碳族元素性质具有相似性，容易形成共价化合物（特别是碳和硅） ，其化合价主要有+4 和+2；但电子层数不同，又导致了性质具有递变性：从碳铅，非金属性逐渐减弱，金属性逐渐增强，有着明显的递变规律。见如下表格：（181）元 素 C Si Ge Sn Pb单质颜色状态 无色固体或黑色固体无色到棕色固体灰白色晶体 银白色晶体 蓝白色晶体与 H2化合的难易程度在高温下化合 在高温下化合 不能直接化合 不能直接化合 不能直接化合氢化物 CH4 SiH4 分解温度 800 450 最高价氧化物 CO2 SiO2 GeO2 SnO2 PbO2最高价氧化物对应水化物H2CO3 H2SiO3H4SiO4Ge（OH） 4 Sn（OH） 4 Pb（OH） 4最高价氧化物对应水化物的酸碱性酸性逐渐减弱2碳的同素异形体的比较：（表 182）同素异形体 金刚石 石墨 C60晶体结构 正四面体，空间网状结构的原子晶体平面层状正六边形结构，层与层之间以分子间作用力结合分子内碳碳之间以共价键结合成空心笼状结构，由 20 个六边形和 12 个五边形构成的 20 面体主要物理性质 熔沸点高、硬度极大，难溶于溶剂，不能导电、无色透明的晶体熔点很高，深灰色、质软有滑腻感，易导电的片状固体灰黑色固体物理性质不同的原因 结构不同，碳原子的排列方式不同化学性质 相同用途 钻具、装饰品 电极、润滑剂、耐火材料超导、磁性、光学、催化、材料、生物方面有优异的性能碳元素不仅可以形成多种同素异形体，而且还可以形成多种无机化合物和有机化合物，是形成化合物种类最多的元素。例题 1：（1）质量相等的石墨与足球烯（C 60）所含质子数（ ）A前者多 B. 相等 C. 后者多 D. 无法确定（2）设计一个实验证明金刚石、石墨和 C60都是由碳元素组成的。答案：（1）B （2）分别将三种物质在氧气充足的条件下燃烧，若三者产生的都是无色无味的气体且将所得气体通入澄清石灰水中，若气体都使澄清的石灰水变浑浊，则说明它们都是由碳元素组成的。解析：（1）等质量的石墨与足球烯含有相同物质的量碳原子，所含质子数也相等二、碳、硅元素的单质及重要化合物的主要性质、制法及应用的比较1碳单质：（1）物理性质：碳元素形成的同素异形体由于碳原子的排列方式不同，导致物理性质有较大的差别。 （见表 182）（2）化学性质：C + O2 CO2 2C + O2 2CO C+4HNO 3（浓）CO 2+ 4NO2+ 2H2O C + 2CuO 2Cu + CO 2 C + CO 2 2CO 2C + SiO 2 Si + 2CO2碳的氧化物（CO、CO 2）性质的比较：（表 183）氧化物 一氧化碳 二氧化碳物理性质 无色无味气体、有毒、难溶于水，能与人体中血红蛋白迅速结合，是一种严重的大气污染物无色略带酸味气体，无毒，能溶于水，固态时俗称“干冰” 。 是产生温室效应的气体之一。化学性质1 可燃性2 还原性：（CuO、Fe 2O3、H 2O 反应）3 不成盐氧化物1 不能燃烧2 与 C、Mg 等反应，表现氧化性3 酸性氧化物（与碱反应）实验室制法 HCOOH CO + H 2O CaCO3 + 2HCl CaCl 2 + H2O + CO2收集方法 排水法 向上排空气法点燃 点燃 高温高温浓硫酸检验方法 点燃后在火焰上分别罩上干燥的烧杯和沾有澄清石灰水的烧杯使澄清石灰水变浑浊用途 燃料、化工原料 化工原料、灭火等相互转化 C + CO2 2CO （高温） 2CO + O 2 2CO 2（点燃）例题 2：除去下列物质中的杂质（括号内为杂质） 。写出所加试剂或方法，并写出相关反应的化学方程式物质 试剂（或方法） 化学方程式CO（CO 2）CO2（CO）Fe2O3（SiO 2）答案：物质 试剂（或方法） 化学方程式CO（CO 2） NaOH 溶液 CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2OCO2（CO） 灼热的氧化铜 CO + CuO Cu + CO 2Fe2O3（SiO 2） NaOH 溶液，过滤 SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O3碳酸钠与碳酸氢钠的比较：（表 184）碳酸钠（Na 2CO3） 碳酸氢钠（NaHCO 3）俗名 纯碱、苏打 小苏打物理性质 白色固体、易溶于水 白色细小晶体，可溶于水与盐酸反应 CO32- + 2H+ CO 2+ H 2O（慢） HCO3- + H+ = CO2 + H 2O（快）与 NaOH 反应 不反应 HCO3- + OH- CO32- + H2O（溶液中）NaHCO3 + NaOH Na2CO3 + H2O（固）化学性质加热 不分解 2NaHCO3 Na 2CO3 + CO2 + H2O（固）用途 玻璃、造纸工业 发酵粉鉴别 1比较与盐酸反应速率 2.固体用酒精灯加热是否产生 CO2气体相互转化 NaHCO3 + NaOH Na 2CO3 + H2O；2NaHCO 3 Na 2CO3 + CO2 + H 2OCO2 + Na2CO3 + H2O = 2NaHCO3例题 3：要除去下列物质中的少量杂质，按要求填写空白（1）Na 2CO3固体中的 NaHCO3，方法是_,反应方程式是_;（2）NaHCO 3溶液中的 Na2CO3，方法是_,反应方程式是_;（3）NaCl 溶液中 Na2CO3，方法是_,反应方程式是_;（4）NaOH 溶液中的 Na2CO3，方法是_,反应方程式是_.答案：（1）加热，2NaHCO 3 Na 2CO3 + CO2 + H 2O （2）通入 CO2气体，CO 2 + Na2CO3 + H2O = 2NaHCO3（3）加入过量的盐酸，Na 2CO3 + 2HCl = 2NaCl + CO2 + H 2O（4）加入适量的 Ca(OH)2溶液,过滤, Na 2CO3 + Ca(OH)2 = CaCO3+ 2NaOH4二氧化硅与二氧化碳的对比：（表 185）物 质 二氧化硅 二氧化碳化学式 SiO2 CO2晶体类型 原子晶体 分子晶体物理性质 硬度大、熔沸点高、常温下为固体、不溶于水熔沸点低，常温下为气体，微溶于水与水反应 不反应 CO2 + H2O H2CO3与酸反应 SiO2 + 4HF = SiF4+ 2H 2O 不反应与碱反应 SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O盛碱液的试剂瓶用橡皮塞CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O 或CO2 + NaOH = 2NaHCO3与盐反应 SiO2 + Na2CO3 Na 2SiO3 + CO2SiO2 + CaCO3 CaSiO 3 + CO2Ca(ClO)2 + CO2 + H2O = CaCO3 + 2HClOCO2 + Na2CO3 + H2O = 2NaHCO3化学性质与碱性氧化物反应 SiO2 + CaO CaSiO 3 CO2 + Na2O Na 2CO3例题 4：下列试剂的存放方法正确的是A氢氧化钠、纯碱、以及水玻璃溶液要存放在带磨砂玻璃塞的试剂瓶中B氢氟酸存放在棕色玻璃试剂瓶中C液溴盛放在带橡胶塞的试剂瓶中D新制的氯水盛放在棕色细口瓶中答案：D分析：玻璃中含 SiO2，A 中三种溶液要盛放在带橡胶塞的试剂瓶中，氢氟酸腐蚀玻璃，液溴与橡胶发生反应。5.硅、硅酸及硅酸盐:（1）硅：单质硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅为原子晶体，灰黑色、有金属光泽、硬度大而脆、熔沸点高。导电性介于导体和绝缘体之间，是常用的半导体材料。化学性质：常温 Si + 2F2 = SiF4 ； Si + 4HF = SiF4 + 2H2 ； Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2加热：Si + O2 SiO2； Si + 2Cl2 SiCl4 ；Si + 2H2 SiH4 。自然界中无游离态的硅，工业上用焦炭在电炉中还原二氧化硅制取粗硅：SiO 2 + 2C Si + 2CO（2）硅酸（H 2SiO3或原硅酸 H4SiO4）：难溶于水的弱酸，酸性比碳酸还弱。（3）硅酸钠：溶于水，其水溶液俗称“水玻璃” ，是一种矿物胶。盛水玻璃的试剂瓶高温高温高温 高温高温要使用橡胶塞。能与酸性较强的酸反应：Na 2SiO3 + 2HCl H2SiO3 (白) + 2NaCl；Na 2SiO3 + CO2 + H2O H 2SiO3+ Na 2CO3例题 5：常温下不能与单质硅反应的是（ ）AO 2 B. F2 C. HF 溶液 D. NaOH 溶液答案:A例题 6：CO2 气体通入下列各溶液中，不可能产生沉淀的是（ ）A氯化钙溶液 B.石灰水 C. 饱和碳酸钠溶液 D. 硅酸钠溶液答案：A分析：B：Ca（OH） 2 + CO2 = CaCO3 + H2O C：CO 2 + Na2CO3 + H2O = 2NaHCO3，NaHCO 3的溶解度比 Na2CO3小，在饱和溶液中会析出固体；D：Na 2SiO3 + CO2 + H2O H 2SiO3+ Na 2CO3。三、水泥、玻璃和陶瓷等硅酸盐产品的主要化学成分、生产原料及其用途硅酸盐材料是传统的无机非金属材料：玻璃、水泥、各种陶瓷等都是以黏土、石英和长石等为原料生产的硅酸盐制品，比较如下（表 186）硅酸盐产品 水 泥 玻 璃原 料 石灰石、黏土 纯碱、石灰石、石英反应原理 发生复杂的物理化学变化（不作要求） SiO2 + Na2CO3 Na 2SiO3 + CO2SiO2 + CaCO3 CaSiO 3 + CO2主要设备 水泥回转窑 玻璃窑主要成分 3CaOSiO2、2CaOSiO 2、3CaOAl2O3Na2SiO3、CaSiO 3、SiO 2反应条件 高温 高温陶瓷生产的一般过程：混合成型干燥烧结冷却陶瓷，随着现代科学技术的发展，一些具有特殊结构、特殊功能的新型无机非金属材料如高温结构陶瓷、生物陶瓷、压电陶瓷等相继被生产出来。四、常见的无机非金属材料、金属材料与复合材料的比较（表 187）材料 无机非金属材料 金属材料 复合材料涵义 以黏土、石英和长石等为原料生产的硅酸盐制品金属及其合金 两种或两种以上性质不同的材料经特殊加工而而制成的主要成分 各种硅酸盐的混合物 各种金属及硅等少量非金属由基体（黏结作用）和增强体（骨架作用）组成特性 抗腐蚀、耐高温、硬度大耐磨损，新型无机非金属材料还具有电学、光学特性、生物功能等强度高、坚韧塑性好、易于成型、有良好的延展性、导电性、导热性，