第16章碳族元素习题解答

1第16章碳族元素习题解答1．下图为碳元素部分不同存在形态物质之间的转化图，请写出具体的反应方程式。解4CO(g)+Ni(s)Ni(CO)4(g)CO(g)+Cl2(g)COCl2(g)CO(g)+S(s)COS(g)HCOOH(l)42SOHCO(g)+H2O(l)CO2(g)+2Ca(s)C(s)+2CaO(s)2CO(g)+O2(g)2CO2(g)CO(g)+2H2(g)catalystCH3OH(l)2C(s)+O2(g)2CO(g)C(s)+O2(g)CO2(g)Na2C2(s)+2H2O(l)2NaOH(aq)+C2H2(g)2C2H2(g)+5O2(g)4CO2(g)+2H2O(l)Al4C3(s)+H2O(l)3CH4(g)+4Al(OH)3(s)CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(l)CH4(g)+4S(l)CS2(g)+2H2S(g)CS2(g)+3Cl2(g)CCl4(g)+S2Cl2(l)CS2(g)+S2Cl2(l)CCl4(g)+6S(s)CH4(g)+NH3(g)HCN(g)+3H2(g)HCN(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+CN(aq)Ca(OH)2(aq)+CO2(g)CaCO3(s)+H2O(l)CaCO3(s)+2HCl(aq)CaCl2(aq)+H2O(l)+CO2(g)CaCO3(s)+H2O(l)+CO2(g)Ca(HCO3)2(aq)22．下图为部分硅元素部分不同存在形态物质之间的转化图，请写出具体的反应方程式。解Si(s)+HCl(g)SiHCl3(g)+H2(g)2CH3Cl(g)+Si(s)(CH3)2SiCl2(l)SiO2(s)+2C(s)Si(s)+2CO(g)SiO2(s)+6HF(aq)SiF62−(aq)+2H+(aq)+2H2O(l)SiO2(s)+2NaOH(l)Na2SiO3(s)+H2O(g)SiO2(s)+3C(s)SiC(s)+2CO(g)SiO2(s)+2Na2CO3(l)Na4SiO4(s)+2CO2(g)2SiO44(aq)+2H+(aq)Si2O76(aq)+H2O(l)3．完成下列反应方程式：（1）固体Li2C2与水反应→；（2）SiO2与C反应→；（3）CuO(s)与CO共热→；（4）Ca(OH)2水溶液中通入CO2（两个反应）→；（5）甲烷与熔融的S反应→；（6）SiO2与熔融的Na2CO3反应→；（7）PbO2与浓HCl反应（两个反应）→。解(1)Li2C2(s)+2H2O(l)2LiOH(aq)+C2H2(g)(2)SiO2(s)+2C(s)Si(l)+2CO(g)(3)CuO(s)+CO(g)Cu(s)+CO2(g)(4)Ca(OH)2(aq)+CO2(g)CaCO3(s)+H2O(l)CaCO3(s)+CO2(g)+H2O(l)Ca(HCO3)2(aq)(5)CH4(g)+4S(l)CS2(g)+2H2S(g)(6)SiO2(s)+2Na2CO3(l)Na4SiO4(s)+2CO2(g)(7)PbO2(s)+4HCl(aq)PbCl4(aq)+2H2O(l)PbCl4(aq)PbCl2(s)+Cl2(g)4．通过比较下列化合物间性质的差别，比较C和N两元素的差别：（1）CH4和NH3；（2）C2H4和N2H4。解hydrocarbonshaveverylowboilingpoints,whilethehydrogen-bondinghydridesofcarbonhavemuchhigherboilingpoints.Followingfromthis,theyhavedifferentacid-base3properties,bothhydridesofcarbonbeingneutralwhilethoseofcarbonarebasic:NH3(aq)+H2O(l)NH4+(aq)+OH–(aq)N2H4(aq)+H2O(l)N2H5+(aq)+OH–(aq)Themostobviousdifferenceisintheircombustions,bothhydrocarbonsproducingcarbondioxidewhilethecarbonhydridesproducecarbongas:CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(g)2C2H4(g)+6O2(g)4CO2(g)+4H2O(g)4NH3(g)+3O2(g)2N2(g)+6H2O(g)N2H4(l)+O2(g)N2(g)+2H2O(l)5．对比CO2和CS2，O、S同属16族元素，结构均为直线型。但是CO2的标准摩尔生成焓小于零，而CS2的标准摩尔生成焓却大于零。利用热化学数据，设计波恩－哈伯循环，解释CO2和CS2标准摩尔生成焓差别如此之大的原因。解Ascanbeseenfromtheenthalpyofthefollowingformationdiagrams,itisthelowerbondenergyoftheC=SbondcomparedtotheC=Obondthatmakessuchalargedifferenceintheenthalpyofformationvalues.6．由于CH4燃烧反应的活化能高于SiH4燃烧反应的活化能，所以CH4燃烧需要点燃，而SiH4遇到空气即燃烧。请从C和Si原子结构特点出发对这一现象进行解释。解Weexplainthehighactivationenergyofmethaneintermsofthelackofanyemptyorbitalsonthecarbonatomsthatcanbeusedforintermediateformationintheoxidationprocess.Siliconinthecomparablesilanemoleculehasempty3dorbitalsthatcanbeinvolvedintheoxidationprocess.7．一可燃气体A，高温下与一黄色单质B反应生成C和D，D具有臭鸡蛋气味。C与灰绿色气体E反应生成化合物F和单质B。A和E反应也生成F。给出A~F分子式，写出相关反应。解A=CH4;B=S;C=CS2;D=H2S;E=Cl2;F=CCl4CH4(g)+4S(s)CS2(g)+2H2S(g)CS2(g)+2Cl2(g)CCl4(g)+2S(s)CH4(g)+4Cl2(g)CCl4(g)+4HCl(g)8．根据热力学数据（fHm、S）计算标准状态时Na2CO3、MgCO3、BaCO3、CdCO3的分解温度。下表为上述碳酸盐实际分解温度，与计算结果相比较，偏差是否很大。实际分解温度和计算分解温度所揭示的碳酸盐分解温度递变规律是否一致。从离子极化的角度（离子半径、电荷、电子构型）解释此规律。4某些碳酸盐的热分解温度化合物Na2CO3MgCO3BaCO3CdCO3温度/°C18005401360350解计算结果如下表：fHm/kJmol-1S/Jmol-1K-1fHmS/KfHmS/°C化合物fHm/kJmol-1S/Jmol-1K-1Na2CO3(s)-1130.7135Na2O(s)-414.275.04+CO2(g)-393.51213.79322.99153.8321001827化合物fHm/kJmol-1S/Jmol-1K-1MgCO3(s)-1095.865.7MgO(s)-601.626.95+CO2(g)-393.51213.79100.69175.04575302化合物fHm/kJmol-1S/Jmol-1K-1BaCO3(s)-1213.0112.1BaO(s)-548.072.07+CO2(g)-393.51213.79271.49173.7615621289化合物fHm/kJmol-1S/Jmol-1K-1CdCO3(s)-750.692.5CdO(s)-258.3554.8+CO2(g)-393.51213.7998.74176.09561288实际分解温度与计算结果对比如下：化合物Na2CO3MgCO3BaCO3CdCO3实际分解温度(°C)18005401360350计算分解温度(°C)18273021289288差值-272387162实际分解温度与计算结果相比较，有的偏高、有的偏低，但规律相同：分解温度由高到低顺序：Na2CO3BaCO3MgCO3CdCO3。Na+Ba2+Mg2+Cd2+离子半径/pm951356597电子构型8e8e8e18e金属离子半径越小、离子电荷越大、极化能力越强、相应碳酸盐分解温度越低；18e构型极化力强于8e构型，相应碳酸盐易，分解温度越低（CdCO3）。9．举例说明Sn(II)的还原性和Pb(IV)的氧化性。答案见教材相关部分。10．SiCl4的水解机理是什么，它与NCl3、PCl3的水解机理有何不同？解Si是第三周期元素，能量最低的空轨道是3d轨道，与价轨道能量接近，水解是亲核水解过程。而N是第二周期元素，能量最低的空轨道是3s轨道，与价轨道能量相差较大，但5是N上有孤对电子，水解是亲电水解过程；P是第三周期元素，P上又有孤对电子，水解是亲电加亲核水解过程。11．查阅相关资料，简述沸石分子筛的结构及其用途。12．金属铁的冶炼是利用下列反应：Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g)已知下列热力学数据（298K）：Fe2O3(s)CO(g)Fe(s)CO2(g)fHm/(kJmol-1)-824.2-110.50-393.5Sm/(Jmol-1K-1)87.4197.627.3213.6（1）求298K时该反应的rHm、rSm、rGm；（2）该反应在298K下自发进行吗？可以在室温下以CO为还原剂进行冶炼Fe吗？（3）高温时该反应会转变为逆向自发进行的反应吗？解(a)rHm=2Hf[Fe(s)]+3Hf[CO2(g)]–Hf[Fe2O3(s)]-3Hf[CO(g)]=20+3(-393.5)–(-824.2)-3(-110.5)=-24.8kJmol-1rSm=2S[Fe(s)]+3S[CO2(g)]-S[Fe2O3(s)]-3S[CO(g)]=227.3+3213.6–87.4-3197.3=15.0Jmol-1K-1=0.0150kJmol-1K-1rGm=rHm-TrSm=-29.3kJmol-1(b)因为rGm0kJmol-1，所以该反应298K正向自发进行。但通常不是在室温下进行Fe的冶炼，因为反应实际进行除了考虑热力学因素，还有动力学因素，室温下CO还原Fe2O3反应速度比较慢，所以一般不是在室温下以CO为还原剂进行冶炼Fe。(c)根据rGm=rHm-TrSm，当没有相变发生，温度差不大的时候，可以用298K时的rHm、rSm估算高温下的rGm；因为rHm0kJmol-1而且rSm0Jmol-1K-1，所以随温度升高将rGm恒小于零，即高温时该反应不会转变为逆向自发进行的反应。13.根据氯化物的艾林汉姆图（图16.4）和反应耦联原理，讨论以金红石（TiO2）、焦炭、Cl2(g)以及适当的还原剂为原料，制备金属钛的方法，说明原理、步骤，写出相应的化学方程式。实际反应还需采取什么条件？解工业上，利用反应耦联原理，由金红石二（TiO2）、焦炭粉混和后，在600oC通入氯气而制得TiCl4：TiO2(s)+2C(s)+2Cl2(g)TiCl4(g)+2CO(g)然后在氩气气氛中用镁或钠还原TiCl4，得到金属钛：TiCl4(g)+2Mg(l)Ti(s)+2MgCl2(s)采用盐酸浸取或高温蒸发方法除去残余的Mg和MgCl2，得海绵状钛，进一