碳族元素復(fù)習(xí)略談 河北省宣化縣第一中學(xué) 欒春武 一、碳族元素 1. 碳族元素報(bào)括碳(C)、硅(Si)、鍺(Ge)、錫(Sn)和鉛(Pb)五種元素,位于元素周期表中的第ⅣA族。 2. 碳族元素原子的最外層都有4個(gè)電子,其最高正價(jià)為 +4價(jià),最高價(jià)氧化物的化學(xué)通式為RO2,氣態(tài)氫化物的化學(xué)通式為RH4。 3. 碳族元素的原子獲得電子的能力較弱,失去電子的能力也不強(qiáng),它們的主要化合價(jià)為+2、+4價(jià),其中碳和硅還有負(fù)價(jià)。碳族元素的化合價(jià)多以+4價(jià)為主(+4價(jià)時(shí)穩(wěn)定),而鉛的化合價(jià)卻以+2價(jià)為主(+2價(jià)時(shí)穩(wěn)定)。 4. 碳族元素隨著原子序數(shù)的增大,電子層數(shù)逐漸增多,原子半徑逐漸增大,金屬性逐漸增強(qiáng),是一個(gè)典型的由非金屬過渡到金屬的一個(gè)完整族。其中碳、硅屬于非金屬,鍺為準(zhǔn)金屬,而錫、鉛為金屬。 5. 碳族元素性質(zhì)的變化規(guī)律:隨著原子序數(shù)的增大,金屬性逐漸增強(qiáng),非金屬性逐漸減弱;最高價(jià)氧化物對(duì)應(yīng)的水化物的酸性逐漸減弱,堿性逐漸增強(qiáng);氣態(tài)氫化物的穩(wěn)定性逐漸減弱,還原性逐漸增強(qiáng)。 二、單質(zhì)碳的性質(zhì) 1. 同素異形體:金剛石為原子晶體,石墨為過渡型晶體,C60、C70等為分子晶體。除此之外還有活性炭、無定性碳等新型的碳的單質(zhì)。 2. 化學(xué)性質(zhì):① 可燃性:C + O2 CO2; 2C + O2 2CO ② 還原性: C + H2OCO + H2(水煤氣) C + 2CuO 2Cu + CO2↑ 3. 用途:金剛石用于切割、鉆頭、制裝飾品等;石墨用于制造電極、鉛筆芯、坩堝、潤滑劑等。 三、一氧化碳的性質(zhì) 1. 物理性質(zhì):無色無味、密度和空氣相近氣體,不溶于水,有毒。 2. 化學(xué)性質(zhì):① 可燃性:2CO + O2 2CO2 ② 還原性:CO + CuO Cu + CO2(可以來除去CO) 3CO + Fe2O3 2Fe + 3CO2(煉鐵) CO+ H2OCO2 + H2(工業(yè)上用來制取氫氣) 3. 毒性:CO有劇毒,與血液里的血紅蛋白化合,使人體缺氧而死亡。CO是空氣污染物之一,主要來自汽車的尾氣、煤和石油的未充分燃燒及鋼鐵的冶煉等。 四、二氧化碳的性質(zhì) 1. 物理性質(zhì):無色無味、密度比空氣大的氣體,能溶于水,固態(tài)的二氧化碳稱為“干冰”。 2. 化學(xué)性質(zhì):① 氧化性: CO2 + C 2CO; CO2 + 2Mg 2MgO + C ② 酸性氧化物(酸酐): CO2 + H2OH2CO3HCO3- + H+ CO2 + Ca(OH)2 === CaCO3↓+ H2O;CO2 + CaCO3+ H2O === Ca(HCO3)2 3. 制取方法:① 工業(yè)制法:煅燒石灰石:CaCO3 CaO + CO2↑ ② 實(shí)驗(yàn)室制法:石灰石與稀鹽酸反應(yīng)(不能用稀硫酸) CaCO3 + 2HCl === CaCl2 + H2O + CO2↑ 固體和液體混合不需要加熱型制取氣體,可用啟普發(fā)生器或其簡(jiǎn)易裝置。 4. 用途:制純堿、汽水;滅火劑、干冰還用作制冷劑或人工降雨等。 五、碳及其化合物的轉(zhuǎn)化 鐘乳石、石筍的形成原因: CO2 + CaCO3+ H2O === Ca(HCO3)2 Ca(HCO3)2 CO2↑+ CaCO3↓+ H2O 六、酸式鹽性質(zhì)的一般規(guī)律 1. 溶解性:一般來說,在相同的溫度下,酸式鹽的溶解性比正鹽大,如CaCO3難溶于水,Ca(HCO3)2易容于水。但也有例外情況,如NaHCO3的溶解性就小于Na2CO3 2. 熱穩(wěn)定性:一般來說,在相同的條件下熱穩(wěn)定性的順序?yàn)椋赫}>酸式鹽>多元酸(鹽的陽離子相同,成鹽的酸相同)。如: 2NaHCO3 Na2CO3 + H2O + CO2↑ Na2CO3 不分解 H2CO3CO2 + H2O 3. 酸式鹽的特殊性質(zhì): ①. 強(qiáng)酸的酸式鹽具有強(qiáng)酸的性質(zhì),如: NaHSO4 + NaOH === Na2SO4 + H2O,NaHSO4 + HCl(不反應(yīng)) NaHSO4 + NaCl(s) Na2SO4 + HCl↑ ②. 弱酸的酸式鹽具有H+ 的某些性質(zhì) NaHCO3 + NaOH === Na2CO3 + H2O,Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 === 2CaCO3 + 2H2O Ca (HCO3)2 + 2NaOH === CaCO3↓+ Na2CO3 + 2H2O Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 === 2CaCO3↓+ Mg(OH)2↓+ 2H2O ③. 弱酸的酸式鹽具還具有OH-的某些性質(zhì) NaHCO3 + HCl === NaCl + H2O + CO2↑ Ca(HCO3)2 + 2HNO3 === Ca(NO3)2+ 2CO2↑+ 2H2O ④. 弱酸酸式強(qiáng)堿鹽水解的堿性比其相應(yīng)正鹽水解的堿性弱。如 NaHCO3水解:HCO3-+ H2O H2CO3 + OH- Na2CO3水解: CO32-+ H2O HCO3- + OH-(主要) HCO3-+ H2O H2CO3 + OH-(次要) 七、硅及其化合物的特殊性 1. 碳族元素的主要化合價(jià)是“+2”、“+4”價(jià),而硅通常表現(xiàn)為“+4”價(jià)。 2. 非金屬單質(zhì)一般為非導(dǎo)體,但硅卻為半導(dǎo)體。 3. 在通常情況下,硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑,但在自然界里卻沒有單質(zhì)硅存在。 4. 非金屬氧化物一般為分子晶體,而SiO2卻為原子晶體。 5. 非金屬單質(zhì)一般不與非氧化性酸反應(yīng),而硅卻能夠與氫氟酸反應(yīng),且有氫氣生成。 Si + 4HF === SiF4↑+ 2H2↑ 6. 非金屬單質(zhì)與強(qiáng)堿溶液反應(yīng)一般不生成氫氣,但硅與強(qiáng)堿溶液反應(yīng)卻生成氫氣。 Si + 2NaOH + H2O === Na2SiO3 + 2H2↑ 7. 硅的還原性比碳強(qiáng),但碳在高溫下卻能從二氧化硅中還原出硅。這是因?yàn)樵诟邷貢r(shí),非水體系的反應(yīng)有利于有氣體生成的方向進(jìn)行。2C + SiO2 Si + 2CO↑。 8. SiO2不溶于水,但其是硅酸的酸酐,因此硅酸不能用SiO2直接與水反應(yīng)制得,只能采用可溶性硅酸鹽與酸作用生成,如Na2SiO3 + 2HCl === 2NaCl + H2SiO3↓,SiO2即能與堿性氧化物反應(yīng),又能與強(qiáng)堿反應(yīng),如SiO2 + CaO CaSiO3,SiO2 + 2NaOH=== Na2SiO3 + H2O 9. CO2屬于分子晶體,通常狀況下是氣體,但SiO2卻是立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的原子晶體,因此二者的物理性質(zhì)相差很大。 10. 酸性氧化物一般不與酸反應(yīng),但二氧化硅卻能與氫氟酸反應(yīng),生成四氟化硅和水。SiO2+ 4HF === SiF4↑+ 2H2O,雕花玻璃就是利于該反應(yīng)原理在玻璃上進(jìn)行蝕刻制得的。 11. 無機(jī)酸一般易溶于水,而硅酸和原硅酸卻難溶于水。 12. 在水溶液中,碳酸的酸性比硅酸強(qiáng),因此二氧化碳能與硅酸鈉反應(yīng)生成碳酸鈉和硅酸沉淀。CO2 + Na2SiO3 + H2O === Na2CO3 + H2SiO3↓,但在高溫下碳酸鈉與二氧化硅卻能反應(yīng)生成硅酸鈉和二氧化碳,SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2↑,其原因是在高溫條件下生成的二氧化碳離開反應(yīng)體系而使反應(yīng)進(jìn)行到底。 13. 硅酸鈉的水溶液俗稱泡花堿或水玻璃,但它與玻璃的成分不同,其本身是鹽溶液,不是堿溶液。 八、硅及其化合物的轉(zhuǎn)化
九、關(guān)于Sn和Pb的活潑性與不同價(jià)態(tài)的穩(wěn)定性 在金屬活動(dòng)性順序表中,活潑性Sn>Pb;在元素周期表中,活潑性Pb>Sn。但兩者并不矛盾。在金屬活動(dòng)性順序中,指的是金屬單質(zhì)的活潑性,即金屬單質(zhì)在水溶液里失去電子的能力。而在元素周期表中指的是元素的原子失電子能力的強(qiáng)弱,即元素原子在氣態(tài)時(shí)失電子的能力。所以單質(zhì)Sn失電子能力強(qiáng)于單質(zhì)Pb,而Pb原子的失電子能力強(qiáng)于Sn原子。 Sn的+4價(jià)穩(wěn)定,而Pb的+2價(jià)穩(wěn)定,由此可以推出如下結(jié)論: (1)單質(zhì)與非金屬反應(yīng)生成物的價(jià)態(tài)不同: Sn + 2Cl2 SnCl4 Pb + Cl2PbCl2 (2)+4價(jià)鉛的化合物具有強(qiáng)氧化性: PbO2 + 4HCl PbCl2 + Cl2↑+ 2H2O (3)+2價(jià)錫的化合物具有強(qiáng)還原性:、 SnCl2 + 2FeCl3 === SnCl4 + FeCl2 十、不用任何試劑鑒別溶液的重要方法——互滴法 兩種物質(zhì)相互反應(yīng)時(shí),由于用量不同,導(dǎo)致產(chǎn)物不同,因而互滴時(shí)現(xiàn)象也不同。例如向鹽酸中滴入碳酸鈉溶液,由于鹽酸過量,發(fā)生反應(yīng):Na2CO3 + 2HCl === 2NaCl + H2O + CO2↑,現(xiàn)象是有氣泡產(chǎn)生。反之,如果是向碳酸鈉溶液中滴加鹽酸,由于碳酸鈉過量,先發(fā)生的反應(yīng)是:Na2CO3 + HCl === 2NaCl + NaHCO3,故無明顯現(xiàn)象,當(dāng)繼續(xù)滴加鹽酸,后發(fā)生的反應(yīng)是:NaHCO3 + HCl === NaCl + H2O + CO2↑,有氣泡產(chǎn)生。 高中階段常用互滴法鑒別的有如下幾組: ①HCl和Na2CO3、②H2SO4和NaAlO2、③AlCl3和NaOH、④NaHSO4和Na2CO3、⑤FeCl3和Na2S、⑥AgNO3和NH3·H2O、⑦K2SO3和HCl、⑧Ba(OH)2和H3PO4等。 【例題1】下列所列各組物質(zhì)中,物質(zhì)之間通過一步反應(yīng)就能實(shí)現(xiàn)如圖所示轉(zhuǎn)化的是
解析: A項(xiàng):Al → AlCl3(2Al + 6HCl === 2AlCl3 + 3H2↑或2Al +3H2SO4 === Al2(SO4)3 + 3H2↑),AlCl3 → Al(OH)3 (AlCl3 +3NH3·H2O === Al(OH)3↓+ 3NH4Cl),Al(OH)3 → AlCl3(Al(OH)3 +3HCl === AlCl3 + 3H2O),Al(OH)3 → Al的轉(zhuǎn)化必須經(jīng)過Al(OH)3 → Al2O3(反應(yīng)方程式為:2Al(OH)3 Al2O3+3H2O)和Al2O3 → Al(2Al2O34Al + 3O2↑)這兩步,所以A項(xiàng)不選;B項(xiàng):HNO3 → NO (3Cu + 8HNO3 === 3Cu(NO3)2 + 2NO↑+ 4H2O),NO → NO2(2NO + O2 === 2NO2),NO2 → NO(3NO2 + H2O === 2HNO3 + NO),NO2 → HNO3(3NO2 + H2O === 2HNO3 + NO),所以B項(xiàng)正確;C項(xiàng):Si → SiO2 (Si + O2=== SiO2),SiO2 → H2SiO3必須經(jīng)過兩步(SiO2 +2NaOH === Na2SiO3 + H2O、Na2SiO3 + H2O + CO2 === H2SiO3↓+ Na2CO3),D項(xiàng):CH2=CH2 → CH3CH2OH(CH2=CH2 + H2OCH3CH2OH ),CH3CH2OH → CH3CHO(2CH3CH2OH + O22CH3CHO +2H2O),CH3CHO →CH3CH2OH(CH3CHO +H2CH3CH2OH),CH3CH2O →CH2=CH2就必須經(jīng)過兩步(CH3CHO +H2CH3CH2OH和CH3CH2OH CH2=CH2↑+2H2O) 答案:B 【例題2】下列關(guān)于硅單質(zhì)及其化合物的說法正確的是 ①硅是構(gòu)成一些巖石和礦物的基本元素②水泥、玻璃、水晶飾物都是硅酸鹽制品 ③高純度的硅單質(zhì)廣泛用于制作光導(dǎo)纖維④陶瓷是人類應(yīng)用很早的硅酸鹽材料 A.①② B.②③ C.①④ D.③④ 解析:光導(dǎo)纖維的成分是SiO2,③錯(cuò);陶瓷的成分是SiO2,而不屬于硅酸鹽,④錯(cuò)。故A項(xiàng)正確。 答案:A 【例題3】碳族元素包括:C、Si、 Ge、 Sn、Pb。 (1)碳納米管有單層或多層石墨層卷曲而成,其結(jié)構(gòu)類似于石墨晶體,每個(gè)碳原子通過 雜化與周圍碳原子成鍵,多層碳納米管的層與層之間靠 結(jié)合在一起。 (2)CH4中共用電子對(duì)偏向C,SiH4中共用電子對(duì)偏向H,則C、Si、H的電負(fù)性由大到小的順序?yàn)?u> 。 (3)用價(jià)層電子對(duì)互斥理論推斷SnBr2分子中Sn—Br的鍵角 120°(填“>”“<”或“=”)。 (4)鉛、鋇、氧形成的某化合物的晶胞結(jié)構(gòu)是:Pb4+ 處于立方晶胞頂點(diǎn),Ba2+ 處于晶胞中心,O2-處于晶胞棱邊中心,該化合物化學(xué)式為 ,每個(gè)Ba2+與 個(gè)O2-配位。 解析:(1)石墨的每個(gè)碳原子用sp2雜化軌道與鄰近的三個(gè)碳原子以共價(jià)鍵結(jié)合,形成無限的六邊形平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),每個(gè)碳原子還有一個(gè)與碳環(huán)平面垂直的未參與雜化的2P軌道,并含有一個(gè)未成對(duì)電子,這些平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)再以范德華力結(jié)合形成層狀結(jié)構(gòu)。因碳納米管結(jié)構(gòu)與石墨類似,可得答案。(2)共用電子對(duì)偏向電負(fù)性大的原子,故電負(fù)性:C>H>Si。(3)SnBr2分子中,Sn原子的價(jià)層電子對(duì)數(shù)目是(4+2)/2=3,配位原子數(shù)為2,故Sn原子含有故對(duì)電子,SnBr2空間構(gòu)型為V型,鍵角小于120°。(4)每個(gè)晶胞含有Pb4+:8×1/8=1個(gè),Ba2+:1個(gè),O2-:12×1/4=3個(gè),故化學(xué)式為:PbBaO3。Ba2+處于晶胞中心,只有1個(gè),O2-處于晶胞棱邊中心,共12個(gè),故每個(gè)Ba2+與12個(gè)O2-配位。 答案:(1) sp2 范德華力;(2) C>H>Si;(3) <(4)PbBaO3 12 【例題4】已知周期表中,元素Q、R、W、Y與元素X相鄰。Y的最高化合價(jià)氧化物的水化物是強(qiáng)酸?;卮鹣铝袉栴}: (1)W與Q可以形成一種高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料。W的氯化物分子呈正四面體結(jié)構(gòu),W的氧化物的晶體類型是_______________; (2)Q的具有相同化合價(jià)且可以相互轉(zhuǎn)變的氧化物是_______________; (3)R和Y形成的二元化合物中,R呈現(xiàn)最高化合價(jià)的化合物是化學(xué)式是_________; (4)這5個(gè)元素的氫化物分子中,①立體結(jié)構(gòu)類型相同的氫化物的沸點(diǎn)從高到低排列次序是(填化學(xué)式)____________,其原因是_______________; ②電子總數(shù)相同的氫化物的化學(xué)式和立體結(jié)構(gòu)分別是_______________; (5)W和Q所形成的結(jié)構(gòu)陶瓷材料的一種合成方法如下:W的氯化物與Q的氫化物加熱反應(yīng),生成化合物W(QH2)4和HCl氣體;W(QH2)4在高溫下分解生成Q的氫化物和該陶瓷材料。上述相關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式(各物質(zhì)用化學(xué)式表示)是_______________。 【解析】本題可結(jié)合問題作答。W的氯化物為正四體型,則應(yīng)為SiCl4或CCl4,又W與Q形成高溫陶瓷,故可推斷W為Si。(1)SiO2為原子晶體。(2)高溫陶瓷可聯(lián)想到Si3N4,Q為N,則有NO2與N2O4之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。(3)Y的最高價(jià)氧化的的水化物為強(qiáng)酸,且與Si、N等相鄰,則只能是S。Y為O,所以R為As元素。(4)顯然X為P元素。①氫化物沸點(diǎn)順序?yàn)?/span>NH3>AsH3>PH3,因?yàn)?/span>NH3分子間存在氫鍵,所以沸點(diǎn)最高。相對(duì)分子質(zhì)量AsH3>PH3,分子間的作用力AsH3>PH3,故AsH3得沸點(diǎn)高于PH3。② SiH4、PH3和H2S的電子數(shù)均為18。結(jié)構(gòu)分別為正四面體,三角錐和角形(V形)。(5)由題中所給出的含字母的化學(xué)式可以寫出具體的物質(zhì),然后配平即可。 答案:(1)原子晶體。(2)NO2和N2O4(3)As2S5。(4)① NH3>AsH3>PH3,因?yàn)榍罢咧泻袣滏I。② SiH4、PH3和H2S結(jié)構(gòu)分別為正四面體,三角錐和角形(V形)。(5)SiCl4 + 4NH3 Si(NH2)4 + 4HCl,3Si(NH2)4 Si3N4 + 8NH3↑ 【例題5】單晶硅是信息產(chǎn)業(yè)中重要的基礎(chǔ)材料。通常用碳在高溫下還原二氧化硅制得粗硅(含鐵、鋁、硫、磷等雜質(zhì)),粗硅與氯氣反應(yīng)生成四氯化硅(反應(yīng)溫度450-500℃),四氯化硅經(jīng)提純后用氫氣還原可得高純硅。以下是實(shí)驗(yàn)室制備四氯化硅的裝置示意圖。 相關(guān)信息如下: a.四氯化硅遇水極易水解; b.硼、鋁、鐵、磷在高溫下均能與氯氣直接反應(yīng)生成相應(yīng)的氯化物; c.有關(guān)物質(zhì)的物理常數(shù)見下表:
請(qǐng)回答下列問題: (1)寫出裝置A中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式 。 (2)裝置A中g管的作用是 ;裝置C中的試劑是 ;裝置E中的h瓶需要冷卻理由是 。 (3)裝置E中h瓶收集到的粗產(chǎn)物可通過精餾(類似多次蒸餾)得到高純度四氯化硅,精餾后的殘留物中,除鐵元素外可能還含有的雜質(zhì)元素是 (填寫元素符號(hào))。 (4)為了分析殘留物中鐵元素的含量,先將殘留物預(yù)處理,是鐵元素還原成Fe2+ ,再用KMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液在酸性條件下進(jìn)行氧化還原滴定,反應(yīng)的離子方程式是: 5Fe2+ + MnO4- + 8H+ === 5Fe3+ + Mn2++4H2O ①滴定前是否要滴加指示劑? (填“是”或“否”),請(qǐng)說明理由 。 ②某同學(xué)稱取5.000g殘留物,預(yù)處理后在容量瓶中配制成100ml溶液,移取25.00ml,試樣溶液,用1.000×10-2mol·L-1KMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定。達(dá)到滴定終點(diǎn)時(shí),消耗標(biāo)準(zhǔn)溶液20.00ml,則殘留物中鐵元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是 。 解析:制備四氯化硅的原料為Cl2和Si。A裝置為Cl2的制備裝置,B、C裝置為除雜裝置。先用B除去HCl,再用C(濃H2SO4)除去H2O蒸氣。Cl2通入粗硅中反應(yīng),用冷水將產(chǎn)生SiCl4冷凝即可。(1)制取氯氣用濃鹽酸和MnO2在加熱條件下反應(yīng)。(2)g管是將分液漏斗與燒瓶相連,則它們中的壓強(qiáng)是相待的,這樣便于鹽酸能順利滴下。SiCl4的沸點(diǎn)很低,只有57.7℃,而反應(yīng)的溫度達(dá)幾百度,故需要冷凝收集。(3)從物質(zhì)的物理性質(zhì)表可發(fā)現(xiàn),AlCl3,FeCl3和PCl5均易升華,故還應(yīng)還有Al、P、Cl元素。(4)由于高錳酸鉀本身是紫紅色的,與Fe2+反應(yīng)時(shí),可以褪色,故而可以作為指示劑。根據(jù)方程式可以找出關(guān)系,5Fe2+ ~ MnO4- ,n(Fe)=10-2×20×10-3×5×100/25 =4×10-3mol。W (Fe)= 4×10-3×56/5 ×100% =4.48%。 答案: (1)MnO2 + 4H+ + 2Cl-Mn2+ + Cl2↑ + 2H2O (2)平衡壓強(qiáng) 濃硫酸 使SiCl4 冷凝 (3)Al、P、Cl (4) ①否;KMnO4溶液自身可作指示劑;② 4.480% 2013-08-16 人教網(wǎng) 下載:
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