专题12主族非金属碳及其化合物解析版.docx
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专题12主族非金属碳及其化合物解析版
系列一主族非金属
专题2碳及其化合物
一、碳的单质
碳有三种同素异形体:
金刚石,石墨,碳原子簇
(1)金刚石是典型的原子晶体,硬度在自然界中最高,也是熔点最高的单质,高达3823K。
在金刚石中每个碳原子都为sp3杂化。
俗称钻石,价格极其昂贵。
除作装饰品外,金刚石主要用于制造钻头,精密似器的轴和磨削工具。
(2)石墨其熔点略低于金刚石,是最软的晶体之一。
石墨晶体层内碳原子杂化类型为sp2杂化,其中每个碳原子均有一个未参与杂化的p电子,又形成大π键。
这些离域电子使得石墨沿层向具有良好导电性。
石墨的层与层之间是以分子间力结合起来的,所以层间易于滑动,导致石墨质软。
石墨被大量用来制作电极、电刷、润滑剂、铅笔芯等。
无定形碳,如木炭、焦炭等实际上都具有石墨结构。
(3)碳原子簇中人们对C60研究的最透彻。
C60也称为足球烯和富勒烯,其中每个碳原子以sp2杂化轨道和相邻三个碳原子相连,未参加杂化的p轨道在C60的球面形成大π键。
C60是碳的一种单质,而不是化合物,更不是烯烃。
(4)碳单质的还原性是其最重要的化学性质,最常用于冶金工业,如提取金属锌,其中的一步反应是在1200K温度下进行的,ZnO+C
Zn(g)+CO(g),至于为什么是1200K,可以参考下图
二、碳的氧化物-一氧化碳(CO)
碳有许多氧化物,除常见的CO、CO2外,还有C3O2、C4O3、C5O3等低氧化物。
(1)实验室制备:
一种是将甲酸滴加到热浓硫酸中,HCOOH
CO↑+H2O;另一种方法是将草酸晶体与浓硫酸共热,并使生成的混合气体通过固体NaOH,吸收掉CO2和少量的水蒸气得到纯净的CO,H2C2O4
CO2↑+CO↑+H2O。
(2)工业制备:
制取水煤气,C(s)+H2O(g)
CO(g)+H2(g)
(3)CO气体可以还原溶液中的二氯化钯,使溶液变黑,CO+PdCl2+H2O
CO2+2HCl+Pd↓,该反应十分灵敏可用来检验CO。
CO与CuCl的酸性溶液的反应进行得很完全,以至于可以用来定量吸收CO,CO+CuCl+2H2O
Cu(CO)Cl·2H2O。
(4)在高温下CO能与许多过渡金属反应生成金属羰基配位化合物,例如Fe+5CO
Fe(CO)5。
羰基配合物一般是剧毒的。
一氧化碳的毒性也很大,它能与血红素中的铁结合成羰基配合物,从而使血液失去输送氧的作用。
(5)C和O之间有三键,其中包括一个配位键,结构式为
,这个配位键在一定程度上抵消了因碳和氧间电负性差所造成的极性,正因为碳原子略带电荷,比较容易向其它有空轨道的原子提供电子对,所以,CO分子的键能(1072)比N2分子的大(945),但它却比N2活泼。
三、碳的氧化物-二氧化碳(CO2)
(1)CO2分子是直线形的,一般认为CO2之间有双键。
它解释了CO2分子的非极性,以及CO2具有很高的热稳定性2273K时CO2也只是略有分解。
同时,CO2分子中也有一对大π键
。
(2)工业煅烧石灰石会生成CO2;实验室用启普发生器作为反应装置,碳酸盐和盐酸为反应物制取CO2;检验CO2使用澄清石灰水,有白色浑浊出现。
固态的CO2称为干冰,常用作制冷剂。
(3)CO2是工业制取小苏打的重要原料之一,CO2+NH3+H2O+NaCl
NaHCO3↓+NH4Cl
四、碳酸与碳酸盐
(1)二氧化碳溶于水生成碳酸,是二元弱酸。
在H2CO3分子中,中心碳原子采用sp2杂化,碳酸分子为平面型
。
(2)碳酸盐可分为酸式碳酸盐、碱式碳酸盐和正盐,通常所说的碳酸盐指的是正盐。
此处重点讲解碳酸盐与碳酸氢盐与金属阳离子的沉淀。
当可溶性碳酸盐如Na2CO3作为沉淀剂与其它金属盐溶液反应时,其产物可能是碳酸盐、碱式碳酸盐或氢氧化物。
究竟是哪种产物,取决于反应物、生成物的性质和反应条件。
①金属离子不水解,(如Ba2+、Ca2+、Ag+等),将得到碳酸盐,如Ca2++CO
CaCO3
②金属离子的水解性极强,(如Fe3+、Al3+、Cr3+等),其氢氧化物的溶度积又很小,远小于其碳酸盐的溶度,将得到氢氧化物:
2Fe3++3CO
+3H2O
Fe(OH)3+3CO2↑
③有些金属离子如Cu2+、Zn2+、Pb2+和Mg2+等,有一定程度水解,但其氢氧化物的溶度积与碳酸盐的溶度积相差不多,则可得到碱式盐:
2Cu2++2CO
+H2O
Cu2(OH)2CO3↓+CO2↑
如果用NaHCO3溶液代替Na2CO3溶液做沉淀剂,由于溶液中OH-浓度减少,有些离子如Mg2+等,就沉淀为碳酸盐。
该反应可以分解为两个过程
①HCO
的自耦电离:
HCO
+HCO
H2CO3+CO
②与Mg2+形成碳酸盐沉淀:
Mg2++CO
MgCO3↓
③总反应:
Mg2++2HCO
MgCO3↓+H2O+CO2↑
五、碳的硫化物和卤化物
二硫化碳(CS2)
(1)二硫化碳为直线形分子,结构式为S=C=S,为无色有毒的挥发性液体,在空气中极易着火,反应生成CO2和SO2。
加热到423K时可和H2O反应,分解为CO2和H2S。
可做有机物磷和硫的溶剂,大量地被用于生产粘胶纤维,其次用于制玻璃纸和生产CCl4,农业上还用它控制虫害。
(2)二硫化碳的工业制法主要有两种:
一种方法是将硫磺和焦炭混合放入铸铁制的曲颈瓶中,加热至1170K;另一种方法是将硫粉与甲烷的混合物通过硅胶或氧化铝催化剂热至870K。
碳的卤化物
(1)将氯气与甲烷在光照下反应,可以制得碳的四种氯化物。
其中三氯甲烷俗称氯仿,是重要的有机溶剂;四氯甲烷是实验室常用的不燃溶剂,工业上或实验室中常用它溶解油脂和树脂。
CCl4是以前用作灭火剂,现已废弃。
(2)氟利昂-12即CF2Cl2化学性质极不活泼,无毒不可燃,在243K凝为液体,是常用的冷却剂,主要用于小型制冷装置中。
但是对臭氧层有严重的破坏作用。
现在的“无氟”产品只是没有氟利昂,但是仍未新的卤代烃。
六、草酸
草酸又名乙二酸,是无色晶体,易溶于水、乙醇,微溶于乙醚,不溶于苯和氯仿。
草酸在100℃开始升华,157℃大量升华,并开始分解。
草酸的酸性比醋酸强,Ka1=5.9×10-2,Ka2=6.4×10-5。
1.还原性(能使酸性KMnO4溶液褪色,存在自催化现象,草酸可以去除衣服上的锈迹或墨水)
2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO4===K2SO4+2MnSO4+10CO2↑+8H2O
2.不稳定性:
(草酸在189.5℃或遇浓硫酸会分解)
H2C2O4
CO2↑+CO↑+H2O
3.草酸氢钠(NaHC2O4):
溶液呈酸性。
HC2O4-
H++C2O42-;HC2O4-+H2O
H2C2O4+OH-;
Ka2=6.4×10-5;Kh=Kw/Ka1=1.7×10-13;Ka2>>Kh电离程度>水解程度,所以溶液呈酸性。
4.草酸钠(Na2C2O4),白色粉末,有吸湿性,是一种还原剂。
可发生Na2C2O4
Na2CO3+CO↑
【习题1】将X气体通入BaCl2溶液,未见沉淀生成,然后通入Y气体,有沉淀生成,X、Y不可能是()
A.SO2、H2SB.Cl2、CO2
C.NH3、CO2D.SO2、Cl2
【答案】B
【解析】A.SO2通入BaCl2溶液,没有现象,通入H2S,与SO2反应,生成硫沉淀,A不合题意;B.Cl2通入BaCl2溶液,没有现象,再通入CO2,仍无现象产生,B符合题意;C.NH3通入BaCl2溶液,没有现象,再通过CO2,生成BaCO3白色沉淀,C不合题意;D.SO2通入BaCl2溶液,没有现象,再通入Cl2,生成BaSO4白色沉淀,D不合题意;故选B。
【习题2】下列各组物质中,一定量的气体X和一定量的气体Y同时通入盛有溶液Z的洗气瓶中(如图所示),最终肯定有沉淀生成的是(假定实验过程中不发生倒吸现象)
A.AB.BC.CD.D
【答案】D
【解析】A.CO2、SO2与CaCl2均不反应,无沉淀生成,A项错误;B.NH3与SO2反应时,NH3过量时生成SO32-,与Ba2+生成BaSO3沉淀,若SO2过量时生成HSO3-,与Ba2+不反应,无沉淀生成,B项错误;C.NH3与CO2反应时,NH3过量时生成CO32-,与Ba2+生成BaCO3沉淀,若CO2过量时生成HCO3-,与Ba2+不反应,无沉淀生成,C项错误;D.Cl2+SO2+2H2O=2HCl+H2SO4,H2SO4+BaCl2=2HCl+BaSO4↓,BaSO4不溶于酸,故始终都有沉淀,D项正确;答案选D。
【习题3】某学习小组拟利用下列装置探究CO2和锌粉反应是否生成CO,已知CO能与氯化钯溶液发生反应生成黑色金属钯:
CO+PdCl2+H2O
CO2+Pd↓+2HCl。
实验装置如图所示:
下列叙述正确的是
A.实验开始时,先加热d处酒精灯,再打开活塞K
B.装置b、c中分别装有饱和Na2CO3溶液和浓硫酸
C.观察到装置f中溶液变黑,说明有CO气体生成
D.装置e的作用是防倒吸,装置f导管口处点燃可以处理尾气
【答案】C
【解析】A.实验开始时,应先打开活塞K,通入CO2将装置内空气排净,防止锌粉与空气反应,故A项错误;B.制取的CO2中含有HCl和水蒸气,应先通过饱和NaHCO3溶液除去HCl,再通过浓硫酸干燥,故B项错误;C.若f中溶液变黑色,说明生成钯,证明有CO生成,故C项正确;D.尾气中含有CO和CO2,直接点燃可能导致爆炸或者无法点燃,采用点燃法处理尾气不合理,故D项错误,故选C。
【习题4】废旧硬质合金刀具中含碳化钨(WC)、金属钴(Co)及少量杂质铁,利用电解法回收WC和制备Co2O3的工艺流程简图如下:
已知:
在上述流程中,各种金属离子形成氢氧化物沉淀的pH范围如下:
金属离子
Fe3+
Fe2+
Co2+
开始沉淀的pH
1.9
7.0
6.5
沉淀完全的pH
3.2
9.0
9.4
回答下列问题:
(1)以废旧刀具作阳极,不锈钢作阴极,盐酸为电解质溶液。
电解时阳极的电极反应有:
Co-2e-=Co2+和______。
(2)通入氨气的目的是调节溶液的pH,除去铁元素。
由表中的数据可知,理论上可选择的pH的范围是___________________。
(3)生成CoCO3的离子方程式是________________________。
(4)实验测得NH4HCO3溶液显碱性。
制备CoCO3时,不能将滤液加入NH4HCO3溶液中,原因是_______________________________。
(5)已知:
Ksp(CoCO3)=1.4×10-13,Ksp(CoC2O4)=6.3×10-8。
若仅从沉淀转化角度考虑,在0.01mol/LNa2C2O4溶液中加入CoCO3固体能否转化为CoC2O4沉淀?
通过计算说明:
_____________________。
(6)洗涤CoCO3不充分对最终产品纯度并无影响,但在焙烧时会造成环境污染,主要原因是____________________________________。
(7)CoCO3生成Co2O3的化学方程式是_________________________。
【答案】
(1)Fe-2e-=Fe2+
(2)3.2≤pH<6.5
(3)Co2++2HCO3-=CoCO3↓+CO2↑+H2O
(4)将滤液加入显碱性的NH4HCO3溶液中会生成Co(OH)2杂质
(5)
(6)灼烧时,CoCO3中残留的NH4Cl分解产生NH3和HCl
(7)2CoCO3
Co2O3+CO2↑+CO↑
【解析】
(1)电解时废旧刀具作阳极,不锈钢作阴极,盐酸的作用是作电解质溶液,依据阳极活泼金属放电的规律可知,除了Co失电子以外还有Fe也会失电子发生氧化反应,其电极反应式为:
Fe-2e-=Fe2+;
(2)通入氨气的目的是调节溶液的pH,除去铁元素。
由表中的数据可知,理论上可选择pH最大范围是3.2⩽pH<6.5;
(3)将NH4HCO3溶液缓慢加入到盛有滤液的反应容器中,生成CoCO3的离子方程式为:
Co2++2HCO3-=CoCO3↓+CO2↑+H2O;
(4)根据题意可知,NH4HCO3溶液显碱性,则若将滤液加入该溶液中会反应生成Co(OH)2杂质;
(5)
;
(6)分析可知实验中获得的若洗涤不充分会含有氯化铵杂质,在焙烧时氯化铵分解会产生污染性气体HCl和NH3;
(7)CoCO3生成Co2O3的同时,还会有二氧化碳与一氧化碳生成,其化学方程式为:
2CoCO3
Co2O3+CO2↑+CO↑。
【习题5】工业以软锰矿(主要成分是MnO2,含有SiO2、Fe2O3等少量杂质)为主要原料制备高性能的磁性材料碳酸锰(MnCO3)。
其工业流程如下:
(1)浸锰过程中Fe2O3与SO2反应的离子方程式为Fe2O3+SO2+2H+=2Fe2++SO42-+H2O,该反应是经历以下两步反应实现的。
ⅰ:
Fe2O3+6H+=2Fe3++3H2Oⅱ:
......
写出ⅱ的离子方程式:
____________________________________________。
(2)过滤Ⅰ所得滤液中主要存在的两种金属阳离子为_______(填离子符号)。
(3)氧化过程中被MnO2氧化的物质有(写化学式):
____________________。
(4)“浸锰”反应中往往有副产物MnS2O6生成,温度对“浸锰”反应的影响如图所示,为减少MnS2O6的生成,“浸锰”的适宜温度是_________;向过滤Ⅱ所得的滤液中加入NH4HCO3溶液时温度不宜太高的原因是______________________。
(5)加入NH4HCO3溶液后,生成MnCO3沉淀,同时还有气体生成,写出反应的离子方程式:
_____________________。
(6)生成的MnCO3沉淀需经充分洗涤,检验洗涤是否完全的方法是_________________________________。
【答案】
(1)2Fe3++SO2+2H2O=2Fe2++SO42-+4H+
(2)Mn2+Fe2+
(3)SO2(H2SO3)、FeSO4
(4)90℃防止NH4HCO3受热分解,提高原料利用率
(5)Mn2++2HCO3-=MnCO3↓+CO2↑+H2O
(6)取1-2mL最后一次洗液于试管,滴加盐酸酸化BaCl2溶液,若无白沉淀产生,则洗涤干净
【解析】
(1)用总反应离子方程式减去反应ⅰ可得反应ⅱ2Fe3++SO2+2H2O=2Fe2++SO42-+4H+;
(2)过滤Ⅰ所得滤液中主要存在的两种金属阳离子为上一步SO2将Mn4+和Fe3+还原成Mn2+和Fe2+,所以答案为Mn2+、Fe2+;
(3)氧化过程中溶液中具有还原性的物质有Fe2+和未反应的SO2,被MnO2氧化的物质有SO2(H2SO3)、FeSO4;
(4)从图像中可以看出,随着温度的升高,副产物MnS2O6生成率越来越低,当温度到达90℃,生成率基本不变,再升高温度意义不大,并且耗能,故“浸锰”的适宜温度是90℃,NH4HCO3溶液时在一定温度下会分解成NH3和CO2,向过滤Ⅱ所得的滤液中加入NH4HCO3溶液时温度不宜太高的原因是防止NH4HCO3受热分解,提高原料利用率;
(5)加入NH4HCO3溶液后,生成MnCO3沉淀,同时还有气体生成,可判断出气体为CO2,不可能为NH3,应为如果生成NH3,则得不到MnCO3沉淀,反应的离子方程式:
Mn2++2HCO3-=MnCO3↓+CO2↑+H2O;
(6)检验洗涤是否完全,需要检验最后一次洗涤液是否存在溶液中的粒子,这里选择SO42-,检验试剂选择BaCl2溶液,故方法为取1-2mL最后一次洗液于试管,滴加盐酸酸化BaCl2溶液,若无白沉淀产生,则洗涤干净。
【习题6】已知草酸晶体(H2C2O4·nH2O)在101℃时开始熔化,150℃时开始升华,175℃时开始分解;草酸钙和草酸氢钙均为白色不溶物。
某研究性学习小组的同学选用下面的某些仪器(夹持装置略去)进行“草酸晶体受热分解的部分产物的验证”的实验:
(1)仪器X的名称是________,实验中X的作用是____________________,甲同学进行实验时仪器的接口顺序为:
________。
①若B中溶液变浑浊,则证明分解的产物中有________;若F中的固体由黑色变成红色,则说明分解产物中有________。
②彻底处理掉本实验中的尾气的最好方法是______________________。
③假若上述现象均已发生,则草酸晶体分解的化学方程式为____________________________________。
(2)乙同学进行实验时仪器的接口连接顺序为abcdef,实验过程中发现D中有黑色固体生成,经查阅资料知此固体为金属单质,则D中反应的化学方程式为______________________________________________________。
(3)丙同学待甲同学的实验结束后,将烧瓶内的液体与B中的沉淀混合在一起,结果发现有无色无味的气体及新的固体生成,由此他认为烧瓶中还存在没有分解的草酸且草酸是强酸,请对他的结论进行评价___________。
(4)设计一种方案确定草酸钙中是否含有碳酸钙:
_________________。
【答案】
(1)球形冷凝管冷凝回流,避免汽化的草酸对CO2的检验产生干扰abcdehij①CO2CO②在k处放置一个点燃的酒精灯,直接将CO燃烧掉③H2C2O4·nH2O
CO2↑+CO↑+(n+1)H2O
(2)CO+PdCl2+H2O===CO2+Pd↓+2HCl
(3)相应结论不准确,有气体及新固体生成说明A中有草酸剩余,但只能说明草酸的酸性比碳酸的酸性强,不能说明草酸是强酸
(4)取一定质量的草酸钙样品于试管中,然后向试管中加入盐酸,若有气泡产生,则含碳酸钙;否则不含
【解析】
(1)由草酸能升华且与Ca(OH)2反应生成白色沉淀知,草酸对CO2的检验存在干扰,因此球形冷凝管的作用是冷凝回流,避免汽化的草酸对CO2的检验产生干扰。
从A中出来的气体中含有CO2、CO及少量的H2O(g),应先用澄清的石灰水检验CO2,再用NaOH溶液除去CO2,浓硫酸吸收H2O,最后用CuO检验CO。
CO属于可燃性有毒气体,故可采取点燃的方法进行尾气处理。
(2)氯化钯被还原为单质钯,说明CO被氧化,其氧化产物为CO2。
(3)由有气体产生可知A中剩余的草酸与CaCO3发生了反应,故A中有草酸剩余,但此反应只能说明草酸的酸性比碳酸强,不能说明草酸是强酸。
(4)可取一定量的草酸钙样品于试管中,然后向试管中滴加盐酸,若有气泡产生,则含有CaCO3,否则不含。
【习题7】K3[Fe(C2O4)3]·3H2O(三草酸合铁酸钾)为亮绿色晶体,可用于晒制蓝图。
回答下列问题:
(1)晒制蓝图时,用K3[Fe(C2O4)3]·3H2O作感光剂,以K3[Fe(CN)6]溶液为显色剂。
其光解反应的化学方程式为:
2K3[Fe(C2O4)3]
2FeC2O4+3K2C2O4+2CO2↑;显色反应的化学方程式为______________。
(2)某小组为探究三草酸合铁酸钾的热分解产物,按下图所示装置进行实验。
①通入氮气的目的是________________________________________。
②实验中观察到装置B、F中澄清石灰水均变浑浊,装置E中固体变为红色,由此判断热分解产物中一定含有___________、___________。
③为防止倒吸,停止实验时应进行的操作是_____________________________。
④样品完全分解后,装置A中的残留物含有FeO和Fe2O3,检验Fe2O3存在的方法是:
________________。
(3)测定三草酸合铁酸钾中铁的含量。
①称量mg样品于锥形瓶中,溶解后加稀H2SO4酸化,用cmol·L-1KMnO4溶液滴定至终点。
滴定终点的现象是___________________________。
②向上述溶液中加入过量锌粉至反应完全后,过滤、洗涤,将滤液及洗涤液全部收集到锥形瓶中。
加稀H2SO4酸化,用cmol·L-1KMnO4溶液滴定至终点,消耗KMnO4溶液VmL。
该晶体中铁的质量分数的表达式为________________________________。
【答案】
(1)3FeC2O4+2K3[Fe(CN)6]
Fe3[Fe(CN)6]2+3K2C2O4
(2)①隔绝空气、使反应产生的气体全部进入后续装置②CO2CO③先熄灭装置A、E的酒精灯,冷却后停止通入氮气④取少许固体粉末于试管中,加稀硫酸溶解,滴入1~2滴KSCN溶液,溶液变红色,证明含有Fe2O3
(3)①粉红色出现②
【解析】
(1)光解反应的化学方程式为2K3[Fe(C2O4)3]
2FeC2O4+3K2C2O4+2CO2↑,反应后有草酸亚铁产生,所以显色反应的化学方程式为3FeC2O4+2K3[Fe(CN)6]=Fe3[Fe(CN)6]2+3K2C2O4。
(2)①装置中的空气在高温下能氧化金属铜,能影响E中的反应,所以反应前通入氮气的目的是隔绝空气排尽装置中的空气;反应中有气体生成,不会全部进入后续装置。
②实验中观察到装置B、F中澄清石灰水均变浑浊,说明反应中一定产生二氧化碳。
装置E中固体变为红色,说明氧化铜被还原为铜,即有还原性气体CO生成,由此判断热分解产物中一定含有CO2、CO;③为防止倒吸,必须保证装置中保持一定的压力,所以停止实验时应进行的操作是先熄灭装置A、E的酒精灯,冷却后停止通入氮气即可。
④要检验Fe2O3存在首先要转化为可溶性铁盐,因此方法是取少许固体粉末于试管中,加稀硫酸溶解,滴入1~2滴KSCN溶液,溶液变红色,证明含有Fe2O3。
(3)①高锰酸钾氧化草酸根离子,其溶液显红色,所以滴定终点的现象是粉红色出现。
②锌把铁离子还原为亚铁离子,酸性高锰酸钾溶液又把亚铁离子氧化为铁离子。
反应中消耗高锰酸钾是0.001cVmol,Mn元素化合价从+7价降低到+2价,所以根据电子得失守恒可知铁离子的物质的量是0.005cVmol,则该晶体中铁的质量分数的表达式为
。
【习题8】草酸亚铁晶体(FeC2O4-2H2O,M=180g.mol-1)为淡黄色固体,难溶于水,可用作电池正极材料磷酸铁锂的原料。
回答下列问题:
实验1探究纯草酸亚铁晶体热分解产物
(1)气体产物成分的探究,设计如下装置(可重复选用)进行实验:
①装置B的名称为____________________________。
②按照气流从左到右的方向,上述装置的连接顺序为a→_______________→点燃(填仪器接口的字母编号)。
③为了排尽装置中的空气,防止加热时发生爆炸,实验前应进行的操作是____________________。
④C处固体由黑变红,其后的澄清石灰水变浑浊,则证明气体产物中含有________________________。
(2)固体产物成分的探究,待固体热分解充分后,A处残留黑色固体。
黑色固体可能是Fe或FeO,设计实验证明其成分为FeO的操作及现象为______