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
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、矽、鍺、錫的價化合物較穩定，而鉛的價化合物穩定。由氧化還原反應的化合價升降來研究碳族元素的物質，其性質規律如下：
（1）碳族元素的單質以為主，如碳、矽都被氧氣氧化。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（括號內為雜質）
（1）CO(CO2)：透過盛有的洗氣瓶。
（2）CO2(CO)：透過盛放的硬質玻璃官。
（3）CO2(O2)：透過盛放的硬質玻璃管。
（4）CO2(SO2)：透過或。
（5）CO2(HCl)：透過。
（6）CO2(H2S)：透過。
[例1]（20xx年山東）下圖所示為常見氣體制備、分離、幹爆和性質驗證的部分儀器裝置（加熱裝置及夾持固定裝置均略去），請根據要求完成下列各題（儀器裝置可任意選用，必要時可重複選擇，a、b為活塞）。
（1）若氣體入口通入CO和CO2的混合氣體，E內放置CuO，選擇裝置獲得純淨乾燥的CO，並驗證其還原性及氧化產物，所選裝置的連線順序為（填代號）。能驗證CO氧化產物的現象是。
（2）停止CO和CO2混合氣體的通入，E內放置Na2O2，按A→E→D→B→H裝置順序製取純淨乾燥的O2，並用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，分液漏斗內改改加濃氨水，圓地燒瓶內改加NaOH固體，E內裝有鉑鐒合金網，按A→G→E→D裝置程式製取乾燥氧氣，並驗證氨的某些性質。
①裝置A中能產生氨氣的原因有：。
②實驗中觀察到E內有紅棕色氣體現出，證明氨氣具有性。
[解析]（1）根據實驗要求，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，若要獲得純淨乾燥的CO，需要選取裝置C，證明CO2被除盡，然後透過盛有濃硫酸的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的氧化產物CO2，還需要裝置C，最後需要F除去為反應的CO。所選裝置的連線順序是ACBECF，能驗證CO的氧化產物的實驗現象是：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，需要關閉活塞a，然後開啟活塞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，並與與Na2O2反應產生氧氣，氧氣透過D除去可能存在的CO2，透過B除去水蒸氣，得到純淨乾燥的氧氣，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，並且加熱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並且在溶於水時放出大量的熱，氫氧化鈉溶於水後溶液中的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，使濃氨水中的氨氣放出。根據常識可以判斷出在E中出現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）關閉開啟km2CH3CH2OH＋O22CH3CHO＋2H2O
（3）①氫氧化鈉溶於水放出大量熱，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碳酸鹽性質的一般規律
1．溶解性規律：鹼金屬的正鹽溶解度酸式鹽（如：Na2CO3NaHCO3）；鹼土金屬（第ⅡA族）的正鹽溶解度酸式鹽〔如：CaCO3Ca(HCO3)2〕。
2．穩定性：難溶性的碳酸鹽、(NH4)2CO3及酸式鹽受熱；可溶性的碳酸鹽較穩定，受熱；一般來說：穩定性大小順序為正鹽酸式鹽。
3．酸式鹽與鹼反應時的產物要根據相對用量判斷。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
，白色沉澱又溶解，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-轉化為CO32-；加酸後要透過氣體的氣味排除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。隨著旅遊人數的增加，潮溼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將盛有鹼溶液的容器置於石筍的上部②配製一定濃度的鹼溶液③選擇合適的鹼④調節鹼溶液下滴的速度⑤觀察石筍表面復原情況
[解析]從圖可見，石筍受損是由於地表水中溶有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反應的鹼。故實驗的第一步是選擇合適的鹼，再配製一定濃度的鹼溶液後進行修復操作①④⑤。
【答案】（1）CaCO3＋CO2+H2OCa(HCO3)2（2）③②①④⑤
【誤區警示】認為應先觀察石筍表面復原情況，根據石筍表面復原情況調節鹼溶液下滴的速度，易將④和⑤搞反。
考點3矽及其化合物的特性
1．Si的還原性大於C，但C卻能在高溫下還原出Si：2C＋SiO2
2．非金屬單質跟鹼液作用一般無H2放出，但Si卻放出H2：Si＋2Na2OH＋H2O＝
3．非金屬單質一般不跟非氧化性酸作用，但Si能與HF作用：Si+4HF＝
4．非金屬單質一般為非導體，但Si為。
5．SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶於水，不能直接將它與水作用製備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．無機酸一般易溶於水，H2SiO3卻難溶於水。
9．因碳酸的酸性強於矽酸，所以在Na2SiO3溶液中通入CO2能發生下列反應：Na2SiO3
+CO2+H2O＝，但在高溫下2Na2CO3+SiO2也能發生。
10．Na2SiO3的水溶液稱水玻璃，但它與玻璃的成分大不相同，矽酸鈉水溶液（即水玻璃）俗稱，但它卻是的溶液，並不是溶液。
[特別提醒]：矽與氫氧化鈉溶液反應時，實際上是水被分解了，鹼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矽是很堅硬的固體而二氧化碳是氣體的原因是（）
A．矽的非金屬性比碳的活潑
B．二氧化矽中矽氧鍵的型別和二氧化碳中碳氧鍵不同
C．矽氧鍵的鍵能比碳氧鍵的鍵能大得多
D．二氧化矽晶體型別和二氧化碳晶體不同
[解析]本題比較兩種晶體的物理性質，應該從晶體所屬類別入手。由於SiO2是一種空間網狀結構的原子晶體，而CO2是靠分子間作用力結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
【誤區警示】對兩種晶體結構認識模糊以及對物理性質差異原因的認識不清，而認為SiO2和CO2屬於同主族元素的兩種化合物，對應的晶體型別相同，性質上的差異應該在於二氧化矽中矽氧鍵和二氧化碳中碳氧鍵間型別和鍵能的差異。從而錯選B、C。
考點4無機非金屬材料
1．傳統無機非金屬材料——水泥和玻璃的生產方法
矽酸鹽產品水泥玻璃
主要裝置水泥迴轉窯玻璃窯
原料石灰石和粘土純鹼、石灰石、石英(過量)
反應原理複雜的物理-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
新開發利用的無機非金屬材料主要有氮化矽（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構、特殊功能。
傳統非金屬材料具有抗腐蝕、耐高溫等許多優點，但質脆，耐熱衝擊差。
新型非金屬材料繼承了傳統非金屬材料的優點，並克服了缺點，主要具有以下特性：①
；②；③；④。
[特別提醒]：複雜矽酸鹽可以看成鹼性氧化物和酸性氧化物所組成的複雜化合物，因此可以改寫為aMxOybSiO2cH2O的方式（具體順序是：鹼性氧化物兩性氧化物酸性氧化物水），如矽酸鈣：3CaOSiO2、鋁酸三鈣：3CaOAl2O3；高嶺土：Al2O32SiO22H2O。
[例4]（20xx屆南通市第一次調研測試）漢代器物上的顏料“漢紫”至今尚沒有發現其自然存在的記載。20世紀80年代科學家進行超導材料研究時，偶然發現其成分為紫色的矽酸銅鋇（化學式：BaCuSi2Ox，Cu為＋2價），下列有關“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．易溶於強酸、強鹼D．性質穩定，不易褪色
[解析]根據化合物中正負化合價的代數和等於零可知，A、B正確。矽酸鹽只溶於強酸不溶於強鹼，C錯。從題給資訊：漢代器物上的顏料“漢紫”可知“漢紫”性質穩定，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（4）飽和NaHCO3溶液酸性KMnO4溶液（5）飽和NaHCO3溶液（6）CuSO4溶液
考點2碳酸鹽性質的一般規律
1．大於＞小於＜2．易分解難分解＞
3．CaCO3↓+NaHCO3+H2OCaCO3↓+Na2CO3+2H2O
4．（1）CaCl2白色沉澱稀鹽酸或稀硝酸Ca2+或Ba2+酸鹽酸、硝酸、醋酸
考點3矽及其化合物的特性
1．Si＋2CO↑2．Na2SiO3＋2H2↑3．SiF4↑+H2↑4．半導體6．很高
7．SiF4↑＋H2O9．Na2CO3+H2SiO3↓Na2SiO3+CO2↑10．泡花鹼鹽鹼
考點4無機非金屬材料
1．3CaOSiO2、2CaOSiO2、3CaOAl2O3Na2SiO3、CaSiO3、SiO2高溫高溫
2．能承受高溫具有電學特性具有光學特性具有生物功能