第15讲 碳族元素无机非金属材料
第15讲碳族元素无机非金属材料
考点1碳族元素
1．碳族元素的化合价
碳族元素常见化合价为+2和+4，其中碳、硅、锗、锡的价化合物较稳定，而铅的价化合物稳定。由氧化还原反应的化合价升降来研究碳族元素的物质，其性质规律如下：
（1）碳族元素的单质以为主，如碳、硅都被氧气氧化。碳作还原剂，温度越高，还原性，高温时碳可还原氧化铜。锡、铅都能与盐酸反应置换出氢气等。
（2）价化合物有还原性。如CO高温时能还原某些金属氧化物（Fe2O3、CuO等）。
（3）价化合物有氧化性。如CO2和碳高温下反应生成CO，PbO2在化学反应中是强氧化剂等。
2．除去CO、CO2气体中混有的杂质（括号内为杂质）
（1）CO(CO2)：通过盛有的洗气瓶。
（2）CO2(CO)：通过盛放的硬质玻璃官。
（3）CO2(O2)：通过盛放的硬质玻璃管。
（4）CO2(SO2)：通过或。
（5）CO2(HCl)：通过。
（6）CO2(H2S)：通过。
[例1]（20xx年山东）下图所示为常见气体制备、分离、干爆和性质验证的部分仪器装置（加热设备及夹持固定装置均略去），请根据要求完成下列各题（仪器装置可任意选用，必要时可重复选择，a、b为活塞）。
（1）若气体入口通入CO和CO2的混合气体，E内放置CuO，选择装置获得纯净干燥的CO，并验证其还原性及氧化产物，所选装置的连接顺序为（填代号）。能验证CO氧化产物的现象是。
（2）停止CO和CO2混合气体的通入，E内放置Na2O2，按A→E→D→B→H装置顺序制取纯净干燥的O2，并用O2氧化乙醇。此时，活塞a应，活塞b应。需要加热的仪器装置有（填代号），m中反应的化学方程式为。
（3）若气体入口改通空气，分液漏斗内改改加浓氨水，圆地烧瓶内改加NaOH固体，E内装有铂铹合金网，按A→G→E→D装置程序制取干燥氧气，并验证氨的某些性质。
①装置A中能产生氨气的原因有：。
②实验中观察到E内有红棕色气体现出，证明氨气具有性。
[解析]（1）根据实验要求，A装置中通入的气体为CO和CO2的混合气，在A中，CO2被氢氧化钠吸收，若要获得纯净干燥的CO，需要选取装置C，证明CO2被除尽，然后通过盛有浓硫酸的B除去水蒸气，要验证CO的还原性，需要装有CuO的装置E，验证CO的氧化产物CO2，还需要装置C，最后需要F除去为反应的CO。所选装置的连接顺序是ACBECF，能验证CO的氧化产物的实验现象是：AB之间的C装置中溶液保持澄清，EF之间的C装置中溶液变浑浊。
（2）停止通入CO和CO2的混合气体，需要关闭活塞a，然后打开活塞b，此时稀硫酸与碳酸钠溶液（CO2与NaOH反应生成的）反应，反应生成的CO2气体进入E中，并与与Na2O2反应产生氧气，氧气通过D除去可能存在的CO2，通过B除去水蒸气，得到纯净干燥的氧气，氧气氧化乙醇的条件是需要加热且有铜做催化剂，因此需要加热k使乙醇挥发，并且加热m，使氧气与乙醇蒸气反应，反应的.化学方程式是：2CH3CH2OH+O2
2CH3CHO+2H2O。
（3）氢氧化钠固体易吸水并且在溶于水时放出大量的热，氢氧化钠溶于水后溶液中的OH—的浓度增大，这些因素均能浓氨水中的化学平衡：NH3＋H2ONH3H2ONH4+＋OH-向逆反应方向移动，使浓氨水中的氨气放出。根据常识可以判断出在E中出现的红棕色气体应该是NO2，由氨气和NO2中氮元素的化合价可以判断氨气被氧化生成NO2氨气体现出的是还原性。
【答案】（1）ACBECFAB之间的C装置中溶液保持澄清，EF之同的C装置中溶液变浑浊（2）关闭打开km2CH3CH2OH＋O22CH3CHO＋2H2O
（3）①氢氧化钠溶于水放出大量热，温度升高，使氨的溶解度减小而放出；氧氧化钠吸水，促使氨放出；氢氧化钠电离出的OH-增大了氨水中OH-浓度，促使氨水电离平衡左移，导致氨气放出。②还原
【方法技巧】本题得分的关键是应明确实验目的：证明混合气体中有CO和H2。要想达到目的，只能利用它们的还原性将之转化为CO2和H2O来检验，同时又要防止CO2和水蒸气的干扰，所以，用CO和H2还原CuO之前，必须首先除去CO2和水蒸气。本题应先解决第（4）问。
考点2碳酸盐性质的一般规律
1．溶解性规律：碱金属的正盐溶解度酸式盐（如：Na2CO3NaHCO3）；碱土金属（第ⅡA族）的正盐溶解度酸式盐〔如：CaCO3Ca(HCO3)2〕。
2．稳定性：难溶性的碳酸盐、(NH4)2CO3及酸式盐受热；可溶性的碳酸盐较稳定，受热；一般来说：稳定性大小顺序为正盐酸式盐。
3．酸式盐与碱反应时的产物要根据相对用量判断。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过量）
4．CO32-和HCO3-的检验
（1）CO32-的检验方法：向待检溶液中滴加过量的溶液，生成，再加入
，白色沉淀又溶解，且生成无色、无味的气体，则检得溶液中有CO32-。
（2）HCO3-的检验方法：向待检溶液中滴加足量的的可溶性盐溶液，若无明显现象，再向溶液中加入足量的（如等）溶液，溶液中逸出无色、无味的气体，则待检溶液中有HCO3-。
[特别提醒]：①检验CO32-：试剂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，原因是无法排除HCO3-的干扰。②检验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-将HCO3-转化为CO32-；加酸后要通过气体的气味排除HSO3-的干扰。
[例2]（20xx年上海理综）（1）钟乳石和石笋的主要成分是碳酸钙，其形成过程如右图所示。随着旅游人数的增加，潮湿溶洞中的钟乳石和石笋受到二氧化碳侵蚀，其化学方程式为：__________________________________。
（2）某学生提出一个修复溶洞底部受损石笋的研究方案，由以下五步组成，正确的实验步骤依次是__________。
①将盛有碱溶液的容器置于石笋的上部②配制一定浓度的碱溶液③选择合适的碱④调节碱溶液下滴的速度⑤观察石笋表面复原情况
[解析]从图可见，石笋受损是由于地表水中溶有CO2，CO2可溶解石笋，生成Ca(HCO3)2，而Ca(HCO3)2在受热的情况下会分解生成CaCO3，形成钟乳石和石笋。修复溶洞底部受损的石笋应用能与Ca(HCO3)2反应的碱。故实验的第一步是选择合适的碱，再配制一定浓度的碱溶液后进行修复操作①④⑤。
【答案】（1）CaCO3＋CO2+H2OCa(HCO3)2（2）③②①④⑤
【误区警示】认为应先观察石笋表面复原情况，根据石笋表面复原情况调节碱溶液下滴的速度，易将④和⑤搞反。
考点3硅及其化合物的特性
1．Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：2C＋SiO2
2．非金属单质跟碱液作用一般无H2放出，但Si却放出H2：Si＋2Na2OH＋H2O＝
3．非金属单质一般不跟非氧化性酸作用，但Si能与HF作用：Si+4HF＝
4．非金属单质一般为非导体，但Si为。
5．SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接将它与水作用制备H2SiO3。
6．非金属氧化物的熔沸点一般较低，但SiO2的熔沸点却。
7．酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能跟HF作用：SiO2＋4HF＝
8．无机酸一般易溶于水，H2SiO3却难溶于水。
9．因碳酸的酸性强于硅酸，所以在Na2SiO3溶液中通入CO2能发生下列反应：Na2SiO3
+CO2+H2O＝，但在高温下2Na2CO3+SiO2也能发生。
10．Na2SiO3的水溶液称水玻璃，但它与玻璃的成分大不相同，硅酸钠水溶液（即水玻璃）俗称，但它却是的溶液，并不是溶液。
[特别提醒]：硅与氢氧化钠溶液反应时，实际上是水被分解了，碱的存在只是起了加速作用，其过程可认为：Si＋3H2O＝H2SiO3＋2H2↑，H2SiO3＋2NaOH＝Na2SiO3＋2H2O。显然，Si失去电子，是还原剂；H2O中的H得到电子，H2O是氧化剂；NaOH既不是氧化剂，又不是还原剂，它只是反应物而已。综合上述两个反应得到总化学方程式：Si＋2NaOH＋H2O＝Na2SiO3＋2H2↑。
[例3]能说明常温下二氧化硅是很坚硬的固体而二氧化碳是气体的原因是（）
A．硅的非金属性比碳的活泼
B．二氧化硅中硅氧键的类型和二氧化碳中碳氧键不同
C．硅氧键的键能比碳氧键的键能大得多
D．二氧化硅晶体类型和二氧化碳晶体不同
[解析]本题比较两种晶体的物理性质，应该从晶体所属类别入手。由于SiO2是一种空间网状结构的原子晶体，而CO2是靠分子间作用力结合在一起的分子晶体，因此SiO2晶体的熔沸点高、硬度大，而二氧化碳的熔沸点低。
【答案】D
【误区警示】对两种晶体结构认识模糊以及对物理性质差异原因的认识不清，而认为SiO2和CO2属于同主族元素的两种化合物，对应的晶体类型相同，性质上的差异应该在于二氧化硅中硅氧键和二氧化碳中碳氧键间类型和键能的差异。从而错选B、C。
考点4无机非金属材料
1．传统无机非金属材料——水泥和玻璃的生产方法
硅酸盐产品水泥玻璃
主要设备水泥回转窑玻璃窑
原料石灰石和粘土纯碱、石灰石、石英(过量)
反应原理复杂的物理-化学变化Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑
CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑
主要成份
反应条件
2．新型无机非金属材料
新开发利用的无机非金属材料主要有氮化硅（Si3N4)、刚玉（Al2O3）等陶瓷，碳化硼、光导纤维(主要成分是SiO2)等，这些材料具有特殊结构、特殊功能。
传统非金属材料具有抗腐蚀、耐高温等许多优点，但质脆，耐热冲击差。
新型非金属材料继承了传统非金属材料的优点，并克服了缺点，主要具有以下特性：①
；②；③；④。
[特别提醒]：复杂硅酸盐可以看成碱性氧化物和酸性氧化物所组成的复杂化合物，因此可以改写为aMxOybSiO2cH2O的方式（具体顺序是：碱性氧化物两性氧化物酸性氧化物水），如硅酸钙：3CaOSiO2、铝酸三钙：3CaOAl2O3；高岭土：Al2O32SiO22H2O。
[例4]（20xx届南通市第一次调研测试）汉代器物上的颜料“汉紫”至今尚没有发现其自然存在的记载。20世纪80年代科学家进行超导材料研究时，偶然发现其成分为紫色的硅酸铜钡（化学式：BaCuSi2Ox，Cu为＋2价），下列有关“汉紫”的说法中不正确是（）
A．用盐的形式表示：BaSiO3CuSiO3B．用氧化物形式表示：BaOCuO2SiO2
C．易溶于强酸、强碱D．性质稳定，不易褪色
[解析]根据化合物中正负化合价的代数和等于零可知，A、B正确。硅酸盐只溶于强酸不溶于强碱，C错。从题给信息：汉代器物上的颜料“汉紫”可知“汉紫”性质稳定，不易褪色，D正确。
【答案】C
参考答案
考点1碳族元素
1．+4+2（1）还原性越强（2）＋2（3）+4
2．（1）澄清石灰水（2）灼热CuO（3）灼热铜网（4）饱和NaHCO3溶液酸性KMnO4溶液（5）饱和NaHCO3溶液（6）CuSO4溶液
考点2碳酸盐性质的一般规律
1．大于＞小于＜2．易分解难分解＞
3．CaCO3↓+NaHCO3+H2OCaCO3↓+Na2CO3+2H2O
4．（1）CaCl2白色沉淀稀盐酸或稀硝酸Ca2+或Ba2+酸盐酸、硝酸、醋酸
考点3硅及其化合物的特性
1．Si＋2CO↑2．Na2SiO3＋2H2↑3．SiF4↑+H2↑4．半导体6．很高
7．SiF4↑＋H2O9．Na2CO3+H2SiO3↓Na2SiO3+CO2↑10．泡花碱盐碱
考点4无机非金属材料
1．3CaOSiO2、2CaOSiO2、3CaOAl2O3Na2SiO3、CaSiO3、SiO2高温高温
2．能承受高温具有电学特性具有光学特性具有生物功能