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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IVA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：（18—1）元素CSiGeSnPb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CH4SiH4——————分解温度℃800450——————最高价氧化物CO2SiO2GeO2SnO2PbO2最高价氧化物对应水化物H2CO3H2SiO3H4SiO4Ge（OH）4Sn（OH）4Pb（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18—2）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（C60）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18—2）（2）化学性质：①C+O2＝CO2②2C+O2＝2CO③C+4HNO3（浓）＝CO2↑+4NO2↑+2H2O④C+2CuO＝2Cu+CO2↑⑤C+CO2＝2CO⑥2C+SiO2＝Si+2CO↑2．碳的氧化物（CO、CO2）性质的比较：（表18—3）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、Fe2O3、H2O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↑+H2OCaCO3+2HCl＝CaCl2+H2O+CO2↑收集方法排水法向上排空气法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点燃点燃△高温高温△浓硫酸△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+O2＝2CO2（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（CO2）CO2（CO）Fe2O3（SiO2）答案：物质试剂（或方法）化学方程式CO（CO2）NaOH溶液CO2+2NaOH=Na2CO3+H2OCO2（CO）灼热的氧化铜CO+CuO＝Cu+CO2Fe2O3（SiO2）NaOH溶液，过滤SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O3．碳酸钠与碳酸氢钠的比较：（表18—4）碳酸钠（Na2CO3）碳酸氢钠（NaHCO3）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，可溶于水化学性质与盐酸反应CO32-+2H+＝CO2↑+H2O（慢）HCO3-+H+=CO2↑+H2O（快）与NaOH反应不反应HCO3-+OH-＝CO32-+H2O（溶液中）NaHCO3+NaOH＝Na2CO3+H2O（固）加热不分解2NaHCO3＝Na2CO3+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＝Na2CO3+H2O；2NaHCO3＝Na2CO3+CO2↑+H2OCO2+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）Na2CO3固体中的NaHCO3，方法是___________,反应方程式是_______________;（2）NaHCO3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，2NaHCO3＝Na2CO3+CO2↑+H2O（2）通入CO2气体，CO2+Na2CO3+H2O=2NaHCO3（3）加入过量的盐酸，Na2CO3+2HCl=2NaCl+CO2↑+H2O（4）加入适量的Ca(OH)2溶液,过滤,Na2CO3+Ca(OH)2=CaCO3↓+2NaOH4．二氧化硅与二氧化碳的对比：（表18—5）△△△△物质二氧化硅二氧化碳化学式SiO2CO2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，微溶于水化学性质①与水反应不反应CO2+H2OH2CO3②与酸反应SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O不反应③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=2NaHCO3④与盐反应SiO2+Na2CO3＝Na2SiO3+CO2↑SiO2+CaCO3＝CaSiO3+CO2↑Ca(ClO)2+CO2+H2O=CaCO3↓+2HClOCO2+Na2CO3+H2O=2NaHCO3⑤与碱性氧化物反应SiO2+CaO＝CaSiO3CO2+Na2O＝Na2CO3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：①常温Si+2F2=SiF4；Si+4HF=SiF4+2H2；Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑②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：SiO2+2C＝Si+2CO↑（2）硅酸（H2SiO3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。盛水玻璃的试剂瓶要使用橡胶塞。能与酸性较强的酸反应：Na2SiO3+2HCl＝H2SiO3↓(白)+2NaCl；Na2SiO3+CO2+H2O＝H2SiO3↓+Na2CO3例题5：常温下不能与单质硅反应的是（）A．O2B.F2C.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↓+H2OC：CO2+Na2CO3+H2O=2NaHCO3，NaHCO3的溶解度比Na2CO3小，在饱和溶液中会析出固体；D：Na2SiO3+CO2+H2O＝H2SiO3↓+Na2CO3。三、水泥、玻璃和陶瓷等硅酸盐产品的主要化学成分、生产原料及其用途高温高温高温△△高温高温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18—6）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＝Na2SiO3+CO2↑SiO2+CaCO3＝CaSiO3+CO2↑主要设备水泥回转窑玻璃窑主要成分3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3Na2SiO3、CaSiO3、SiO2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18—7）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，合金抗腐蚀性强耐酸碱、化学稳定性好、密度小、强度高、韧性好、耐高温、导电导热热性能好；性能保持原材料特点又优于原材料品种示例玻璃、水泥、各种陶瓷（粘土质陶瓷、高温结构陶瓷、生物陶瓷、压电陶瓷等）、光导纤维黑色金属材料（铁、铬、锰及它们的合金）：钢铁；有色金属材料（铁、铬、锰以外的金属及合金）：金、银、铜及合金生产生活中的复合材料（玻璃钢：玻璃纤维增强树脂基复合材料、碳纤维：碳纤维增强树脂基复合材料）；航空航天中的复合材料（飞机、火箭：纤维增强金属基复合材料；航天飞机：纤维增强陶瓷基复合材料）五、碳的氧化物对大气的污染1．二氧化碳：随着工业化程度的提高以及世界范围内人工采伐林木量的增加，森林面积锐减，大气中的二氧化碳浓度逐渐增加。由于二氧化碳对从地表射向太空的长波特别是红外辐射有强烈的吸收作用，从而部分阻碍了地球向太空辐射能量。这就会使地球表面温度升高、两极冰川高温高温融化、海平面上升，人们把这种二氧化碳所产生的效应称为温室效应。为了减缓大气中二氧化碳浓度的增加，要控制工业上二氧化碳的排放量并大量植树造林。2．一氧化碳：人们常说的煤气中毒就是一氧化碳导致的，它是一种无色无味难溶于水的气体，极易与人体内的血红蛋白结合从而使人缺氧窒息死亡。它是水煤气的成分之一，含碳燃料的不充分燃烧会产生一氧化碳。是一种严重的大气污染物。[过关训练]一、单项选择题1．根据统计数字表明，全球气候逐年变暖，其后果是气候异常，生态平衡被破坏，海平面升高。造成这种变化的“罪魁”是（）A．SO2B．CO2C．COD．Cl2