一. 教學(xué)內(nèi)容：碳族元素
二. 重點、難點：
1. 掌握碳族元素的原子結(jié)構(gòu)特點和性質(zhì)遞變規(guī)律。
2. 認(rèn)識硅及其重要化合物的性質(zhì)和用途，初步了解硅和二氧化硅的晶體結(jié)構(gòu)以及與性質(zhì)的關(guān)系。
3. 了解水泥、玻璃的主要成分和簡單生產(chǎn)原理。
三. 具體內(nèi)容：
1. 碳族元素性質(zhì)的相似性和遞變性：
（1）相似性
① 碳族元素原子結(jié)構(gòu)最外層都為4個電子，C、Si為非金屬元素，Ge、Sn、Pb為金屬元素。
② 最高正價為 4，負(fù)價為-4。
③ 非金屬元素可形成氣態(tài)氫化物RH4
④ 非金屬元素最高價氧化物對應(yīng)的水化物為H2RO3，其水溶液呈酸性；金屬元素低價氧化物對應(yīng)水化物為 、 具兩性偏堿性。
2. 碳單質(zhì)（C）
碳元素價態(tài)變化及重要物質(zhì)：
碳的同素異形體有金剛石和石墨兩種。
（1）金剛石和石墨的晶體結(jié)構(gòu)：
金剛石晶體里，每個碳原子都處于四個碳原子的中心，以共價鍵跟四個碳原子結(jié)合成正四面體結(jié)構(gòu)，正四面體結(jié)構(gòu)向空間發(fā)展，構(gòu)成一個空間網(wǎng)狀晶體，為原子晶體。
石墨晶體是層狀結(jié)構(gòu)，每層內(nèi)的碳原子排列成六邊形，一個個六邊形排列成平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同一層內(nèi)，相鄰的碳原子以非極性共價鍵結(jié)合，層與層以范德華力相結(jié)合，因?qū)优c層之間易滑動，質(zhì)軟。石墨晶體為層狀晶體（看作混合型晶體）。
（2）性質(zhì)：
金剛石和石墨物理性質(zhì)有較大差異。
（3）性質(zhì)：碳單質(zhì)常溫下性質(zhì)很穩(wěn)定，碳的性質(zhì)隨溫度升高，活性增大。碳的同素異形體性質(zhì)相似。
① 可燃性：在充足空氣中燃燒C O2（足） 2CO
② 高溫下，與氫、硫、硅等發(fā)生化合反應(yīng)：
C＋2S CS2（C表現(xiàn)還原性）
C＋Si SiC（C表現(xiàn)弱氧化性）
C＋2H2 CH4（C表現(xiàn)弱氧化性）
③ 高溫下，與鈣、鐵、鋁、硅的氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成碳化物或還原出金屬單質(zhì)。
CaO＋3C CaC2＋CO（電石）
CuO＋C Cu＋CO
SiO2＋2C Si＋2CO
Fe2O3＋3C 2Fe＋3CO
④ 高溫下，與水蒸汽發(fā)生反應(yīng)，
⑤ 與氧化性酸發(fā)生反應(yīng)：
C 4HNO3（濃） CO2↑ 2SO2↑ 2H2O
3. 二氧化碳（CO2）
屬于酸性氧化物，即為碳酸酸酐。
（1）分子組成和結(jié)構(gòu)：二氧化碳分子是由兩個氧原子和一個碳原子通過極性共價鍵結(jié)合成直線型的非極性分子；固態(tài)時為分子晶體。
（2）物理性質(zhì)：二氧化碳是無色、無嗅的氣體，密度比空氣大，加壓和降溫下變?yōu)檠罟腆w叫干冰，若在壓強為101帕，溫度 ℃時，干冰可升華成氣體；CO2可溶于水（通常狀況下1:1）。CO2無毒，但它是一種窒息性氣體（≥10%即窒息），可滅火。
（3）化學(xué)性質(zhì)：
① 溶于水，與水發(fā)生反應(yīng)：
CO2＋H2O H2CO3 H ＋HCO3－-溶液呈弱酸性，H2CO3為弱電解質(zhì)，而CO2為非電解質(zhì)。
② 具有酸性氧化物的通性：與堿、與堿性氧化物、與鹽等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。
CO2＋CaO CaCO3
CO2＋Ca（OH）2=CaCO3↓ H2O
CaCO3＋CO2＋H2O=Ca（HCO3）2
③ 與還原性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，CO2表現(xiàn)弱氧化性。
CO2＋C 2CO
④ 與某些活潑金屬反應(yīng)，CO2表現(xiàn)氧化性
CO2＋2Mg 2MgO＋C，生成黑色（C）和白色（MgO）兩種粉末。
（4）制法：
實驗室制法：CaCO3＋2HCl=CaCl2 H2O＋CO2↑
工業(yè)制法：CaCO3 2CO2（藍色火焰）
② 還原性：
CuO＋CO
工業(yè)制法：
碳還原CO2：C＋CO2 2CO
水煤氣法：C H2O（氣） CO H2
（4）用途：氣體燃燒、冶金工業(yè)的還原劑及有機合成原料。
5. 碳酸及其鹽
（1）碳酸（H2CO3）
① 二元弱酸，分步電離：
H2CO3 H ＋HCO3－、HCO3－ H ＋CO32－
酸性：H2CO3＞HCO3－
CO2通入水中得到碳酸溶液，CO2＋H2O H2CO3，碳酸只存在于溶液中。
② 碳酸是不穩(wěn)定酸，易分解。
H2CO3=H2O＋CO2↑
③ 碳酸具有酸的通性，與指示劑、與堿、與堿性氧化物、與活潑金屬、與鹽等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。
2NaOH＋CO2＝Na2CO3＋H2O
Na2O＋CO2＝Na2CO3
＋CO2＋H2O＝CaCO3↓ 2HClO
（2）碳酸鹽：包括正鹽和酸式鹽兩種鹽
① 溶解性：
碳酸鹽除K 、Na 、NH4 鹽易溶于水，Mg2 微溶于水外，剩余都難溶于水。陽離子相同的碳酸鹽，通常，正鹽溶解性＜酸式鹽，如：CaCO3（難溶）＜ （可溶）、MgCO3（微溶）＜ （可溶），也有例外，如：Na2CO3溶解性＞NaHCO3溶解性。
② 熱穩(wěn)定性：通常正鹽＞酸式鹽，如：
Na2CO3 Na2CO3＋CO2↑ H2O
③ 正鹽與酸式鹽相互轉(zhuǎn)化：
Na2CO3＋CO2＋H2O=2NaHCO3
Na2CO3＋HCl＝NaHCO3＋NaCl
NaHCO3＋NaOH＝Na2CO3＋H2O
2NaHCO3 SiO2、Si＋2Cl2 SiF4↑＋2H2O
（HF制�。篊aF2＋H2SO4（濃） SiO2＋H2O
用途：石英制耐火材料、石英玻璃等。水晶用于制光學(xué)儀器和工藝品。
8. 硅酸及硅酸鹽
（1）硅酸（H2SiO3）和原硅酸（H4SiO4）
硅酸（H2SiO3）是一種難溶于水的弱酸，其酸性比碳酸還弱；通過硅酸鈉溶液和鹽酸反應(yīng)不同操作，可制得硅酸溶膠或凝膠，甚至可得到白色膠狀沉淀物，Na2SiO3＋2HCl=H2SiO3＋2NaCl，硅酸凝膠經(jīng)過處理后用CoCl2溶液浸泡、烘干，制得一種變色硅膠（SiO2?xH2O），吸水前為藍色，吸水后為粉紅色，是一種很好的干燥劑。
硅酸還能和堿發(fā)生反應(yīng)；H2SiO3＋2NaOH=Na2SiO3＋2H2O。
原硅酸H4SiO4是一種很不穩(wěn)定、難溶于水的弱酸。
（2）硅酸鈉（Na2SiO3）：
Na2SiO3水溶液稱之為水玻璃或泡花堿。
① 發(fā)生水解反應(yīng)，水溶液呈堿性：
SiO32－ 2H2O H2SiO3＋2OH－
② 與酸發(fā)生反應(yīng)：
Na2SiO3＋CO2＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO3
Na2SiO3＋2HCl=H2SiO3（膠體）＋2NaCl
向Na2SiO3溶液中滴加鹽酸，邊加邊強力振蕩，得到硅酸溶膠，繼續(xù)滴加鹽酸，得到硅酸凝膠。
9. 硅酸鹽工業(yè)
（1）玻璃工業(yè)
① 制普通玻璃的主要原料：純堿（Na2CO3）、石灰石（CaCO3）和石英（SiO2）；若制有色玻璃或特種玻璃還要加入一些其它有色的物質(zhì)。
② 生產(chǎn)玻璃的主要反應(yīng)和主要設(shè)備。
Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3＋CO2↑
CaCO3＋SiO2 CaSiO3＋CO2↑，玻璃窯中進行。
③ 玻璃成分：玻璃不是晶體，稱作玻璃態(tài)物質(zhì)，它沒有固定熔點，而是在某一溫度范圍內(nèi)逐漸軟化。軟化狀態(tài)時，可制成任何形狀制品。
普通玻璃：是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2熔化在一起的物質(zhì)，可寫成Na2O?CaO?6SiO2。
有色玻璃：在普通玻璃中加入氧化鈷（Co2O3）呈藍色，加入氧化亞銅（Cu2O）呈紅色等，有色玻璃為固溶膠。
鋼化玻璃：普通玻璃加熱軟化，急速冷卻得到鋼化玻璃，即成分與普通玻璃相同，因熱處理方法不同，而結(jié)構(gòu)、物性不同。
（2）水泥工業(yè)：
① 制水泥原料：石灰石、粘土和適量石膏（熟料中加入適量石膏，為的是調(diào)節(jié)水泥硬化速度）。
② 制水泥主要設(shè)備：水泥回轉(zhuǎn)窯。
③ 水泥成分：主要成分是：
硅酸三鈣：3CaO?SiO2
硅酸二鈣：2CaO?SiO2
鋁酸三鈣：3CaO?Al2O3
即水泥為混合物
④ 水泥性能和用途
水泥的組成和結(jié)晶形態(tài)的不同直接影響到它的主要性能。
水泥具有水硬性。水泥和水拌和后，發(fā)生作用，生成不同的水合物，同時放出一定熱量，生成的水合物逐步形成膠狀物，并開始凝聚，最后有些膠狀物轉(zhuǎn)變?yōu)榫w 高中生物，使膠狀物和晶體交錯地結(jié)合成強度很大的固體，以上過程叫水泥的硬化。
水泥不僅是一般建筑材料，而且是水下工程必不可少的建筑材料。水泥、砂子和碎石按一定比率混合后，制得混凝土，常用來造橋，建廠房。若建筑物用鋼筋作結(jié)構(gòu)，再澆注混凝土，即鋼筋混凝土，使建筑物更加堅固。
10. 碳族元素及其單質(zhì)的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)比較。
【典型例題】
[例1]下列關(guān)于硅的說法不正確的是（ ）
A. 硅是非金屬元素，但它的單質(zhì)是灰黑色有金屬光澤的固體
B. 硅的導(dǎo)電性能介于金屬和絕緣體之間，是良好的半導(dǎo)體材料
C. 硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，常溫下不與任何物質(zhì)起反應(yīng)
D. 當(dāng)加熱到一定溫度時，硅能與氧氣、氫氣等非金屬反應(yīng)
答案：C
[例2] 下列關(guān)于碳族元素的說法中，錯誤的是（ ）
A. 它們從上到下的非金屬性向金屬性遞變的趨勢比鹵族元素明顯
B. 碳族元素的氣態(tài)氫化物的穩(wěn)定性從上到下逐漸減弱
C. 碳族元素原子的最外層都有4個電子
D. 主要化合價有 2價和 4價，大多數(shù) 2價化合物穩(wěn)定
答案：D
[例3] 對于碳族元素，下列說法不正確的是（ ）
A. 隨著元素原子序數(shù)的增加，其單質(zhì)的熔點逐漸升高
B. 它是由非金屬性向金屬性過渡十分明顯的元素族
C. 只能形成共價化合物，不能形成離子化合物
D. 除鉛外，碳族元素均以 4價化合物較為穩(wěn)定
答案：A、C。
[例4] 待發(fā)現(xiàn)的原子序數(shù)為114的元素X，其下列性質(zhì)推斷正確的是（ ）
A. 它的金屬活動性比鉛強
B. 有穩(wěn)定的氣態(tài)氫化物XH4
C. 它穩(wěn)定的化合價是 4價
D. 最高價氧化物為XO2
答案：A、D。
[例5] 將過量的CO2分別通入① CaCl2溶液；② Na2SiO3溶液；③ 溶液；④ 飽和Na2CO3溶液。最終溶液中有白色沉淀析出的是（ ）
A. ①②③④ B. ②④ C. ①②③ D.②③
H2CO3，H2CO3的酸性比鹽酸弱，而比硅酸、次氯酸強。根據(jù)酸與鹽反應(yīng)的規(guī)律，CO2通入CaCl2溶液無明顯現(xiàn)象（弱酸不能制強酸）；過量CO2通入Ni2SiO3溶液中有白色沉淀H2SiO3生成；CO2通入 溶液至過量， CO2 H2O CaCO3↓ 2HClO，CaCO3 H2O CO2 ，最終生成 而無沉淀產(chǎn)生。過量CO2通入飽和Na2CO3溶液中。
2NaHCO3生成的NaHCO3溶解度比Na2CO3溶解度小而結(jié)晶析出。
編號
試劑
保存方法
理由
A
固體氫氧化鈉
存放在帶橡皮塞的廣口瓶中
防止與空氣接觸被氧化和與水蒸氣、二氧化碳接觸而變質(zhì)
B
碳酸鈉晶體
存放在干燥密封的廣口瓶中
防止風(fēng)化而碎裂成粉末
C
液溴
存放在帶橡皮塞的細(xì)口瓶中，并用水封
防止揮發(fā)
D
過氧化鈉粉末
存放在帶玻璃塞的試劑瓶中
防止吸收水分而變質(zhì)
答案：B
據(jù)此，請?zhí)羁眨?/p>
（1）化合物F是___________。
（2）化合物I是___________。
（3）反應(yīng)③的化學(xué)方程式是_____________。
（4）反應(yīng)④的化學(xué)方程式是____________。
2H2O
反應(yīng)④為：2F2 2H2O 4HF O2
經(jīng)逐個物質(zhì)核對，均符合題意，解畢。顯然，本題的“切入點”，可以認(rèn)為是Si和CO，而HF和F2則是本題的難點和重點之所在。
2H2O
（4）2F2 2H2O 4HF O2
答案：B、D
答案：B
答案：A、C
答案：B
化簡得2x y＝14，將A?DD各項中，x、y值代入驗證，只有B符合方程。
另解：根據(jù)硅酸鹽的另一種表示組成的方法?D?D氧化物的形式，可將Al2Si2Ox（OH）y，改寫成
化簡可得2x y＝14，以下同前解。
[例12] 三硅酸鎂被用來治療胃潰瘍，是因為該物質(zhì)不溶于水，服用后能中和胃酸，作用持久。把三硅酸鎂Mg2Si3O8?nH2O改寫成氧化物形式為_________，寫出它中和胃酸（HCl）的化學(xué)方程式______________。
解析：本題主要考查硅酸鹽的書寫方式和性質(zhì)，其氧化物形式的書寫關(guān)鍵在于化合價，該物質(zhì)中Mg為 2價，Si為 4價，其氧化物分子式分別為MgO，SiO2，故三硅酸鎂的氧化物形式為：2MgO?3SiO2?nH2O，與鹽酸反應(yīng)的方程式（只有MgO能反應(yīng)）為：
2MgO?3SiO2?nH2O 4HCl＝2MgC12 3SiO2 （n 2）H2O
[例13]（1）將下列硅酸鹽改寫成氧化物的形式：
① 鎂橄攬石（Mg2SiO4）：___________。
② 高嶺石[ _________。
通過以上改寫可知，HNO3的酸酐為_______，HCOOH與濃H2SO4反應(yīng)可制_________氣體。
（3）已知在一定條件下，F(xiàn)e在Cl2中燃燒可以生成Fe3Cl8，它可以看作是FeCl2?2FeCl3，類似地，碘與Fe在一定條件下可得到Fe3I8，則它可以看作是_________。
。上述反應(yīng)中，F(xiàn)e由 2價變?yōu)?3價，而Y的化合價不變，則可推算此釔礦石的化學(xué)式中x＝_________。若用氧化物表示其組成，則化學(xué)式可寫成_______________。
解析：依題意在釔礦石中Y元素的化合價為 3價，鐵元素為 2價，Be元素只有 2價，Si元素為十4價，氧元素為?D2價，由化合物中元素的正價總數(shù)與負(fù)價總數(shù)的絕對值相等，可知x＝2。
改寫成氧化物的形式為：Y2O3?FeO?2BeO?2SiO2
[例15] 自YBa2Cu3O7?Dδ超導(dǎo)氧化物發(fā)現(xiàn)以后，許多新型超導(dǎo)材料不斷問世。汞系超導(dǎo)氧化物就是一類典型的代表物。1993年P(guān)utilin等合成了第一個汞系超導(dǎo)氧化物HgBa2CuO4 δ（Hg?D1201相Tc＝94K），緊接著HgBa2CaCu2O6 δ（Hg?D1212相Tc＝127K）和HgBa2Ca2Cu3O8 δ（Hg?D1223相Tc＝134K）也相繼合成出來。該類化合物可用通式表示為________。
答案： HgBa2Can?D1CunO2n 2 δ（其中人n為大于或等于1的正整數(shù)）
解析：對這幾種汞系超導(dǎo)氧化物中各元素的原子個數(shù)進行分析，分析過程如下表：
Hg數(shù)
Ba數(shù)
Ca數(shù)
Cu數(shù)
O
HgBa2CuO4 δ
1
2
0
1
4 δ
HgBa2 CaCu2O6 δ
1
2
1
2
6 δ
HgBa2 Ca2Cu3O8 δ
1
2
2
3
8 δ
1
2
n?D1
n
2n 2 δ
從上表可得出：該類化合物的通式為：
HgBa2Ca1CunO2n 2 δ。
【模擬】（答題時間：60分鐘）
一. 選擇題（本題共20小題，每小題3分，共60分。每小題有只有一個選項符合題意）
1. 用于汽車或火車車窗上的玻璃是（ ）
A. 普通硬質(zhì)玻璃 B. 鉛玻璃 C. 鋼化玻璃 D. 玻璃鋼
2. 石墨炸彈爆炸時能在方圓幾百米范圍內(nèi)撒下大量石墨纖維，造成輸電線、電廠設(shè)備損壞。這是由于石墨（ ）
A. 有放射性 B. 易燃、易爆 C. 能導(dǎo)電 D. 有劇毒（MCE00）
3. 下列氣體不會造成大氣污染的是（ ）
A. NO2 B. SO2 C. CO2 D. Cl2
4. 下列化合物中最容易脫水的是（ ）
A. NaOH B. B. C. D.
20. 據(jù)報導(dǎo)，國外有科學(xué)家用激光將置于鐵室中石墨靶上的碳原子炸松，與此同時再用射頻電火花噴射氮氣，此時碳、氮原子結(jié)合成碳氮化合物薄膜。據(jù)稱這種化合物可能比金剛石更堅硬。其原因可能是（ ）
A. 碳、氮原子構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體
B. 碳氮鍵比金剛石中的碳碳鍵更強
C. 氮原子最外層電子數(shù)比碳原子最外層電子數(shù)多
D. 碳、氮的單質(zhì)化學(xué)性質(zhì)均不活潑
二. 填空題（本題包括7小題，共30分）
21.（4分）鹽堿地（含較多NaCl、Na2CO3）不利于作物生長，其產(chǎn)生堿性的原因是（用離子方程式表示）____________________；施加適量石膏可降低鹽堿地的堿性，表示其反應(yīng)原理的離子方程式是__________________。
22.（8分）稱取一定質(zhì)量的含不同雜質(zhì)的純堿溶于水后與適量鹽酸反應(yīng)，跟同質(zhì)量不含雜質(zhì)的純堿相比（填多或少）
（1）若純堿中含小蘇打，則鹽酸用量_____，產(chǎn)生氣體的量______；
（2）若純堿中含碳酸鉀，則鹽酸用量_____，產(chǎn)生氣體的量______；
（3）若純堿中含氯化鈉，則鹽酸用量_____，產(chǎn)生氣體的量______；
（4）若純堿中含碳酸氫鈣，則鹽酸用量_____，產(chǎn)生氣體的量______。
23.（3分）將50 mL 0.1 mol / L的氫氧化鈉溶液和5 mL 0.5 mol / L的乙酸溶液混合蒸干并強熱，最終得到的固體是_________，得到此固體的最后化學(xué)方程式是：__________。
24.（7分）物質(zhì)A是一種高熔點化合物，不溶于硫酸、硝酸，卻溶于氫氟酸；C是一種氣體；D是白色膠狀沉淀；E是白色固體。A、B、C、D、E間的轉(zhuǎn)化如右圖，根據(jù)圖示關(guān)系回答：
分子式A________，B________，C________，D________，E________；
（2）請寫出變化中的有關(guān)化學(xué)方程式：
① B C ─→ D：____________________；
② E 【試題答案
1. C 2. C 3. C 4. D 5. D 6. A 7. B 8. A 9. C 10. A
11. D 12. C 13. C 14. A 15. B 16. C 17. C 18. A 19. A 20. B
21.（每空2分）<1" > ＋H2O ＋OH－；Ca2 ＋<2" > ＝CaCO3↓（每空1分）
（1）少；多 （2）少；少 （3）少；少 （4）少；多
23. Na2CO3（1分）；CH3COONa＋NaOH Na2CO3＋CH4↑（2分）
24.（每空1分）（1）SiO2；Na2SiO3；CO2；H4SiO4；H2SiO3
（2）① Na2SiO3＋CO2＋2H2O＝Na2CO3＋H4SiO4 ② H2SiO3 SiO2＋H2O
25.（每空2分）C；因為Na2CO3＝2Na ＋ ， ＋H ，所以溶液中 濃度逐漸增大，又因為 ＋H ＝H2CO3，H2CO3＝H2O＋CO2↑（或因為 ＋H ＝H2O＋CO2↑），所以溶液中 濃度減少。
26.（2分）1:2
27.（每空2分）CO；5
28. n（CO2）= =0.0475 mol（1分）
（1） =0.025 L ＝25 mL（1分）
（2）解一： =582 kg（1分）
解二：m（CO2）=1000 kg× ×56 g / mol=0.23g（1分）
剩余不純生石灰為5 g－2.09 g=2.91 g
CaO％＝ =532kg（1分）
m（SiO2）=1000 kg－532 kg－418 kg=50kg（1分）
SiO2消耗CaO 50 kg× =46.7kg（1分）
CaO％= ×100％=83.4％（1分）
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