鲁科版《碳的多样性》教学参考

碳的多样性教学参考[课程目标]1．从碳族元素在周期表的位置和其原子结构特点了解其性质的相似性和递变规律。2．掌握单质碳及二氧化碳、碳酸、碳酸钠、碳酸氢钠等重要化合物的性质及应用。3．掌握硅和二氧化硅的化学性质。了解重要的硅酸盐及硅酸盐工业产品。[要点精析]一、碳族元素的相似性和递变性。1、碳族元素的性质比较2、碳族元素的原子半径逐渐增大，非金属性逐渐减弱，金属性逐渐增强。这一规律十分明显：碳硅（半导体）锗（半导体）锡和铅非金属非金属性较强金属性较强金属3、碳族元素的化学性质①碳族元素在周期表中处于从活泼金属向活泼非金属过渡的中间位置，故在反应时不易得失电子，易形成共价键，不易形成离子键。②它们原子结构最外层电子数为4，价电子数为4，最高价是+4价，最低价-4价，也可形成+2价化合物。其中从C→Sn+4价稳定，Pb以+2价化合物稳定。③碳族元素的单质均很难与H2化合：C与H2在高温下化合，Si、Ge、Sn、Pb不能与H2直接化合，气态氢化物稳定性依次减弱。④最高价氧化物对应水化物H4RO4（或H2RO3）酸性由强到弱。（锗、锡、铅的氢氧化物呈两性。）例1：下列关于碳族元素的说法正确的是（）A．单质都是无色晶体B．单质中硅单质熔点最高C．碳族元素形成的化合物种类最多D．在化合物中最稳定的化合价都是+4价解析：在碳族元素所形成的单质中，只有金刚石为无色晶体。金刚石的熔点比晶体硅高。Pb的稳定价态为+2，故选项D也是错误的。答案：C例2：如果发现114号新元素（位于第7周期IVA族），下列有关X可能具有的性质合理的是。A．X是非金属元素B．X的+2价化合物比+4价化合物稳定C．XO2具有强氧化性D．X有稳定的气态氢化物解析：根据碳族元素性质递变规律，可推知114号元素的金属性比铅还强，一定是金属元素。它的稳定价态应与铅相同，即为+2价，所以XO比XO2稳定。原子易得电子变成，所以XO2具有强氧化性。X是金属元素，不可能存在稳定的气态氢化物。答案：BC二、碳、硅的单质及其重要化合物1、碳及其化合物：碳既是构成生物体的基本元素，又是构成地壳中岩石和化石燃料的主要元素。是形成化合物的种类最多的元素，碳以多种形态存在于自然界中。碳元素有金刚石、石墨、足球烯（如C60等）多种同素异形体。其中金刚石、石墨是两种重要单质性质比较如下表：金刚石石墨晶体结构正四面体空间网状结构正六边形、层状结构熔点35503652溶解性不溶于任何溶剂难溶于任何溶剂硬度最大软且滑导电性绝缘体良导体相互转化金刚石石墨（化学变化）例3：下列物质组别，属于同素异形体的是：A．CO和CO2B．O2和O3C．石墨和C解析：同素异形体指的是由同种元素形成的不同种单质，所以本题选B、C。例4：下列物质属于纯净物的是:A．氯水B．冰水和混物C．O2、O3混合物D．漂白粉解析：氯水是氯气的水溶液，含有多种成分；O2、O3虽是同素异形体，但是不同的单质；漂白粉是CaCl2、Ca(ClO)2的混合物；冰水混合物的成分只有水，所以本题选B。（1）碳的化学性质可燃性：C+O2(O2充足)2C+O22CO(O2不充足)②还原性：C+H2O(气)CO+H2（水煤气）C+2CuOCu+CO2C+CO22CO（2）CO：通常为无色无色气体，难溶于水，有剧毒，属不成盐氧化物。高温下有强还原性：CO+O22CO2，CO+CuOCu+CO2，3CO+Fe2O32Fe+3CO2（3）CO2：通常为无色无味气体，能溶于水，固体叫干冰，易升华，属酸性氧化物，碳酸酸酐。氧化性：CO2+C2COCO2+2Mg2MgO+C酸性氧化物通性：CO2+H2O===H2CO3CO2+CaOCaCO3CO2+2NaOH===Na2CO3+H2OCO2+Ca(OH)2===CaCO3+H2OCO2+Na2CO3+H2O===2NaHCO3CO2+CaCO3+H2O===Ca(HCO3)2制备：实验室CaCO3+2HCl===CaCl2+CO2+H2O工业上C+H2OCO+H2CO+H2OCO2+H2CaCO3CaO+CO2↑（4）Na2CO3与NaHCO3Na2CO3NaHCO3俗称纯碱、苏打，白色固体，广泛用于玻璃、造纸工业。俗称小苏打，白色固体，是发酵粉的主要成分。Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑Na2CO3+Ca(OH)2=CaCO3+2NaOHNa2CO3加热不反应NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2↑2NaHCO3+Ca(OH)2=CaCO3+Na2CO3+H2O2NaHCO3Na2CO3+H2O+CO2↑正盐与酸式盐相互转化：例5：溶洞一般存在于石灰岩地区，其中有许多形态各异、栩栩如生的石笋、钟乳石、石柱，说说它们是怎样形成的？写出有关方程式。解析：石灰石与CO2、H2O作用生成Ca(HCO3)2而被溶解，随着水滴从洞顶滴下时发生分解，又生成CaCO3沉淀，因而从洞顶长出钟乳石；但水滴中的Ca(HCO3)2未全部分解，水滴到地上，继续分解，因而在地上生长出石笋；久而久之，上下相连，形成石柱。CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2Ca(HCO3)2=CaCO3+CO2↑+H2O例6：在标准状态下，把一定体积的CO2气体通入200ml1mol/lCa（OH）2的澄清石灰水中，充分反应，生成沉淀10g，则通入CO2气体体积的是A．2.24升B．3.36升C．4.48升D．6.72升解析：当CO2气体不足时，生成的沉淀需要（2.24升）的CO2气体，当CO2气体过量时，生成的沉淀后又溶解了其中的的沉淀，共需要（6.72升）的CO2气体，答案：AD（5）碳酸盐检验：a:试剂：盐酸、澄清石灰水b:现象：出气泡，放出无色无味的气体。气体通入澄清的石灰水中，石灰水变浑浊。（6）日常生活中的碳及含碳化合物金刚石----用于制作钻头、刀具、装饰品等。石墨----用于制电极、坩埚、铅笔、高温润滑剂、反应塔槽内衬、碳纤维增强陶瓷等。足球烯----作为催化剂载体，也可制成纳米材料。木炭----作燃料、还原剂。焦炭----冶金工业还原剂。活性炭----用作吸附剂。CO（人工煤气、水煤气的主要成分之一）----作还原剂、燃料。CO2（干冰）----做食品的冷冻剂、灭火剂，也可用于制造舞台效果，CO2是植物光合作用的原料，在大棚蔬菜生产中被作为气肥，CO2也是地球的保温层（若大气中没有CO2，碳循环中断，动植物不能生长生存，地球变冷，若CO2过量，地球又会产生温室效应，冰川融化，海平面上升。）。纯碱----做去污剂。小苏打----作干粉灭火剂、面食的膨松剂、胃药。大理石、石灰石----常用的建筑材料，石灰石是制水泥、玻璃的主要原料之一。例7：水垢主要成分是什么？它是怎样形成的？如何除去水壶中的水垢？写出相关反应化学方程式解析：水垢主要成分是CaCO3和Mg(OH)2。它是溶解在水中的Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2受热与水反应形成的，可用食醋浸泡溶解去除。Ca(HCO3)2CaCO3↓+CO2+H2O↑Mg(HCO3)2MgCO3↓+CO2+H2O↑MgCO3+H2OMg(OH)2+CO2↑Mg(OH)2+2CH3COOH=(CH3COO)2Mg+2H2O2、硅及其化合物硅元素以化合态的形式广泛存在于自然界，在地壳中的含量占第2位，是形成地壳的主要元素，沙、鹅卵石的主要成分为SiO2，土壤岩石的主要成份为硅酸盐。自然界没有游离态的硅。硅晶体、SiO2光纤是现代电子工业、现代通信的基础。（1）硅的化学性质及制法①硅的化学性质不活泼，常温下只跟F2、HF、强碱溶液反应，加热时可与O2、Cl2反应。Si+2F2===SiF4Si+4HF===SiF4+2H2Si+O2SiO2(研细硅粉加热可在纯氧中燃烧)Si+2Cl2SiCl4硅的制法SiO2+2CSi+2CO(粗硅)粗硅的提纯（2）SiO2的性质无色晶体，难溶于水，是石英、水晶、硅藻土的主要成分，属酸性氧化物，硅酸、原硅酸的酸酐。酸性氧化物通性：SiO2+CaOCaSiO3SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O特殊性：SiO2+4HF===SiF4↑+2H2OSiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑（3）Si、SiO2的用途：硅晶体----半导体材料，用于制造电子元器件。二氧化硅----制光导纤维、光学仪器、玻璃原料和建筑材料。（4）硅酸盐及硅酸盐工业①硅酸钠：其水溶液（浓）俗名水玻璃，无色粘稠液体，可做粘合剂。硅酸钠耐火材料、防腐剂。②硅酸盐工业：玻璃水泥原料纯碱（Na2CO3）石灰石（CaCO3）石英（SiO2）主要原料石灰石粘土辅助原料适量的石膏等化学方程式Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2产品的主要成分及特性普通玻璃（钠玻璃：Na2O·CaO·6SiO2），玻璃是非晶体，称为玻璃态物质无固定熔点，在某一温度范围内软化可加工成制品水泥主要成：具有水硬性（熟料中加适量石膏以调节水泥硬化速度）（5）各种材料各种材料品种繁多，分类各不相同，根据来源可分为天然材料和人工材料，根据发现发明的历史可分传统材料和新型材料，还可以按功能、按材质等依据分类。按材质大致可作如下分类：①无机非金属材料：如玻璃、水泥、陶瓷（传统硅酸盐陶瓷、特种陶瓷）等②金属材料：如钢铁、铝、铜等③有机材料：如棉花、塑料、橡胶、合成纤维等④复合材料：将两种或两种以上的材料通过加工而形成的新材料。其组成分为两部分：基体（黏结作用）和增强体（骨架作用）。玻璃钢、碳纤维增强陶瓷等都是常见的复合材料。三、碳硅单质及化合物之间的相互关系例8：物质A是一种高熔点化合物，不溶于硫酸，硝酸等强酸。A与纯碱熔融反应，生成化合物B，同时放出气体C；把气体C通过B的溶液中，则得到化合物D；D在干燥空气中转变为化合物E；将E加热又得到化合物A。试写出A、B、C、D、E的化学式：A、B、C、D、E、。解析：此题应根据对实验现象的分析，得出结论。A是不溶于硫酸、硝酸等强酸的高熔点化合物，它能与纯碱熔融反应，而且放出气体C，可初步判断A可能是SiO2，B可能是Na2SiO3，C可能是CO2。若把CO2通过Na2SiO3溶液中，会得到胶状沉淀H4SiO4，H4SiO4在干燥空气中易脱水生成H2SiO3，H2SiO3只有加热才能生成SiO2。这些都是与题目所给出的实验现象相符合，这就证实A确实是SiO2。A判断出来了，其它物质的推断就迎刃而解。答案：A：SiO2、B：Na2SiO3、C：CO2、D：H4SiO4、E：H2SiO3例9：最近，科学家研制得一种新的分子，它具有空心的类似足球状结构，化学式为C60，下列说法正确的是A．C60是一种新型的化合物B．C60和石墨都是碳的同素异形体C．C60中含离子键D．C60的式量是720解析：C60是由同种元素（碳）组成的纯净物，属于单质；碳原子之间以共价键相结合；C60和石墨都是由碳元素形成的不同单质，都是碳的同素异形体，C60的式量=12×60=720。解题方法为概念辩析法答案：BD例10：近年来，有科学家提出硅是“21世纪的能源”、“未来的石油”的观点。假如硅作为一种普遍使用的新型能源被开发利用，关于其有利因素的下列说法中你认为不妥当的是（）。A．硅便于运输、贮存，从安全角度考虑，硅是最佳的燃料B．硅的来源丰富，易于开采，且可再生C．硅燃烧放出的热量大，且燃烧产物对环境污染较低，容易有效控制D．寻找高效催化剂，使二氧化硅分解产生硅的同时释放能量，是硅能源大规模开发利用的一项关键技术解析：此题答案为D。硅燃烧放出大量热，使二氧化硅分解则需吸收能量。催化剂只能改变反应的速率，并不能改变反应的总的能量关系。[强化训练]1．导致全球气温逐渐变暖的主要气体污染物是[]A．二氧化硫B．二氧化碳C．一氧化碳D．二氧化氮2．下列变化属于物理变化的是:A．干冰变成二氧化碳B．石墨变成金刚石C．CuSO4·5H2O变成CuSO4粉末D．氧化钠溶于水3．下列单质中，属于金刚石的同素异形体的是[]A．硅B．石墨C．锗D．C604．石墨炸弹爆炸时能在方圆几百米范围内撒下大量石墨纤维，造成输电线、电厂设备损坏。这是由于石墨[]A．有放射性 B．易燃、易爆 C．能导电 D．有剧毒5．下列物质中导电性介于导体与绝缘体之间的是。[]A．铜B．硅C．石墨D．金刚石6．光导纤维不但用在通讯中具有极高的保密性，还是是制造内窥镜的理想材料。光导纤维的组成是[]A．硅B．石墨C．二氧化硅D．金刚石7．下列叙述中，正确的是[]A．碳族元素都是非金属元素，其非金属性随核电荷数的增加而减弱B．碳族元素的单质都有导电性C．碳酸的酸性比硅酸弱D．同一周期的氧族元素比碳族元素的非金属性强8．关于碳族元素的说法正确的是[]A．原子半径由上到下逐渐变小B．各元素形成的化合物均以正四价最稳定C．各元素最高氧化物均易溶于水D．硅和锗均可作半导体材料9．下列叙述中，正确的是[]A．自然界中存在大量单质硅B．石英、水晶、大理石的主要成分都是二氧化硅C．二氧化硅的化学性质活泼，能跟酸、碱发生化学反应D．氢氟酸能和玻璃发生化学反应，所以氢氟酸要存放在塑料瓶中10．在反应SiO2+3CSiC+2CO中，氧化剂与还原剂的物质的量之比为[]A．1∶3B．3∶1C．2∶1D．1∶211．下列说法中，不正确的是[]A．以共价键相结合形成的化合物种类最多的元素是碳B．某物质只含有一种元素，则该物质一定是纯净物C．大气污染物中，能与人体血红蛋白结合而引起中毒的气体有CO和NOD．金刚石、石墨、C60都是碳的同素异形体，但性质不完全相同12．下列物质中不能与二氧化硅作用的是[]A．纯碱B．苛性钠C．氢氟酸D．水13．下列属于同种物质的是[]A．干冰和冰B．石英和水晶C．玻璃与二氧化硅D．水玻璃和玻璃14．生石灰中往往含有杂质碳酸钙和二氧化硅，检验是否存在这两种杂质最好选用[]A．水 B．盐酸 C．硫酸 D．烧碱溶液15．以下五个转化不能一步反应实现的是[]①SiO2→Na2SiO3②CaSO4→CaCl2③SiO2→H2SiO3④CuO→Cu(OH)2⑤Na2CO2→Na2SO4A．①② B．③④ C．②③④ D．②③④⑤16．下列各组离子在水溶液中能大量共存的是[]A．K+，CO32-，Cl-，H+B．SiO32-，Na+，NO3-，K+C．Na+，SiO32-,SO42-,H+D．Ca2+,HCO3-,Na+,OH-17.下列离子反应方程式不正确的是[]A．向小苏打溶液中加入稀硫酸：HCO3-+H+=CO2↑+H2OB．向烧碱溶液中通人小量的CO2：2OH-+CO2=CO32-+H2OC．向小苏打溶液中加入足量石灰水：HCO3-+Ca2++OH-=CaCO3↓+H2OD．向纯碱溶液中通人足量CO2：CO32-+CO2+H2O=2HCO3-18．要除去混在石英砂中的少量碳酸钙应采用的方法是[]A．用水溶解后过滤分离B．用稀硫酸溶解后过滤分离C．用酒精灯加热D．用稀盐酸溶解后过滤分离19．除去二氧化碳中少量氯化氢应选择的净化剂是[]A．NaOHB．Na2CO3C．NaHCO3D．H220．在下列物质的水溶液里通入适量的CO2，一定不产生白色沉淀的是[]A．Na2SiO3B．CaCl2C．Ca（OH）2D．Na2CO21．普通玻璃（Na2SiO3·CaSiO3·4SiO2）的特征是[]A．是一种纯净物，具有一定熔点B．非常坚硬，没有一定熔点C．是一种晶体，透光性能很好D．膨胀系数很小，化学稳