专题23主族金属钙分族及其化合物解析版.docx

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专题23主族金属钙分族及其化合物解析版

系列二主族金属

专题3钙及其化合物

钙分族指钙、锶、钡三种元素，他们单质性质相似，化合物具有递变性。

三种元素在自然界存在形式如下：

方解石、白云石、大理石主要成分是CaCO3，萤石CaF2，重晶石BaSO4，石膏CaSO4·H2O，天青石SrSO4。

（1）钙分族单质都是银白色金属，在空气中覆盖上一层淡黄色膜，实验室中都是储存在煤油里，Ca非常硬，Sr，Ba软。

它们与非金属反应如下（以Ca为例）：

钙与氧气缓慢反应生成氧化钙（CaO）；钙在氧气中燃烧生成过氧化钙（CaO2）；在氮气中燃烧生成氮化钙（Ca3N2）；与氢气反应生成氢化钙（CaH2）；与碳反应生成碳化钙（CaC2）；与硫反应生成硫化钙（CaS）。

（2）钙与水反应生成氢气，反应剧烈程度介于Na和K之间；从Ca到Ba，反应的剧烈程度增加，这是由于金属的活泼性增大和M（OH）2溶解性增大的缘故。

（3）金属钙通常通过电解熔融氯化钙制得：

CaCl2

Ca+Cl2↑，也可以在真空中用Al还原CaO：

2Al+3CaO

3Ca+Al2O3

（4）CaO具有吸水性，可作干燥剂。

与水激烈反应，放出大量的热生成Ca（OH）2，露置于空气中会逐淅吸收CO2生成CaCO3。

在高温下，CaO能与SiO2反应，在冶炼金属时，可防止金属被氧化（具体可以参考埃林汉姆图），CaO+SiO2

CaSiO3；CaO与P2O5也有类似的反应，炼钢时可用此法除去杂质磷，3CaO+P2O5

Ca3（PO4）2。

（5）过氧化钙可在碱性条件下由CaCl2和H2O2制得；与水反应生成O2：

2CaO2+2H2O=2Ca（OH）2+O2↑；溶于酸可生成H2O2：

CaO2+2H+=Ca2++H2O2。

过氧化钡BaO2可以在773~793K时，将O2通过BaO即可制得

BaO+O2

2BaO2，过氧化钡与稀酸反应生成H2O2，这是实验室制H2O2的方法：

BaO2+H2SO4

BaSO4+H2O2

（5）碳化钙（CaC2）是实验室制备乙炔的原料，其反应原理是CaC2+2H2O

Ca（OH）2+CH=CH↑

（6）草酸钙（CaC2O4）是一种白色粉末状晶体，不溶于水和醋酸，在定量分析中利用这一性质来检验或测定改和草酸的含量。

受热可分解：

CaC2O4

CaCO3+CO↑。

（7）CaSO4微溶于水，它的二水合物CaSO4·2H2O俗称石膏或生石膏，加热脱水而生成2CaSO4·H2O俗称热石膏或烧石膏。

BaSO4是钡盐中唯一无毒化合物，在医学上用于消化道的X射线造影（钡餐）检查。

BaSO4可作白色颜料“钡白”，它不怕硫化氢气体的作用，因为BaS也是白色。

BaSO4与ZnSO4的混合物，称为锌钡白，是白漆的原料。

【习题1】港珠澳大桥水泥的使用量约198万吨。

水泥熟料的主要成分为CaO、SiO2，并含有一定量的铁、铝和镁等金属的氧化物。

实验室测定水泥样品中钙含量的过程如图所示：

下列叙述正确的是

A．水泥、玻璃、陶瓷为传统的硅酸盐材料，三者的原料都主要为SiO2

B．沉淀A主要成分为SiO2，沉淀B为Fe（OH）3、Al（OH）3

C．为了加快溶解速率，使用盐酸代替硫酸处理草酸钙

D．草酸钙易溶于水

【答案】B

【解析】A.水泥、玻璃、陶瓷均为硅酸盐工业产品，所以主要成分是硅酸盐，三者的原料不同，三者的原料并非都主要为SiO2，例如：

陶瓷的主要原料有黏土等，水泥的主要原料有石灰石和黏土（铝硅酸盐），故A错误；B.水泥样品的主要成分为CaO、SiO2，并含有一定量的铁、铝和镁等金属的氧化物，加入氯化铵、盐酸和硝酸，由于二氧化硅与酸不反应，则得到的沉淀A为SiO2，滤液中含有Ca2+、Fe3+、Al3+、Mg2+等离子，加入氨水调节pH到4~5之间，可生成Al（OH）3、Fe（OH）3沉淀，则沉淀B为Fe（OH）3、Al（OH）3，故B正确；C.使用盐酸代替硫酸处理草酸钙，在溶液中剩余的盐酸也能被高锰酸钾氧化，从而干扰草酸的测定，进而使测得的钙的含量产生误差，故C错误；D.草酸钙是难溶于水的白色固体，故D错误；本题答案为B。

【习题2】菠菜营养丰富，素有“蔬菜之王”的美称。

民间流传：

菠菜豆腐同食，易得结石。

某化学兴趣小组对“菠菜豆腐是否不能同食”等问题进行了探究。

【查阅资料】①菠菜含有丰富的铁、草酸盐、碳酸盐等，豆腐中含有丰富的蛋白质及钙盐。

②人体结石的主要成分：

草酸钙（CaC2O4）

③醋酸不与草酸钙反应，但能与碳酸钙反应生成可溶性盐等。

【提出猜想】“菠菜豆腐不能同食”的原因可能是____________。

【探究一】菠菜中部分成分分析

（1）步骤③中判断加入的CaCl2溶液已足量的方法是_______________________。

（2）已知气体C能使澄清石灰水变浑浊，醋酸的化学式用HAc表示，写出步骤④的化学反应方程式________________。

沉淀A、B的质量关系为：

m（A）_________m（B）（填“＞”、“＜”或“＝”）。

（3）白色沉淀B的化学式为_________，由此可见菠菜豆腐不能同食。

以下饮食观点正确的是__________（填字母）

A．禁吃菠菜B．高钙牛奶可与菠菜同食

C．菠菜烹饪时可用开水烫，可降低草酸盐含量

【探究二】某草酸钙晶体（CaC2O4·xH2O）热分解研究

（提示：

CaC2O4·xH2O受热会失去结晶水成为CaC2O4；白色硫酸铜粉末遇水会变蓝。

）

按下图装置将草酸钙晶体样品高温加热，使其完全分解，对所得气体产物进行探究（假设装置中各试剂均足量）

（4）①反应开始前通入氮气的目的是___________，装置C的作用是_______________。

②装置B中硫酸铜粉末变蓝，C、F中澄清石灰水均变浑浊，E中CuO变红，说明产物有__________________，经检验A中残留固体为氧化物。

③对上述装置从环保角度提一个改进建议_____________。

（5）某研究所利用SDTQ600热分析仪对草酸钙晶体（CaC2O4·xH2O）进行热分解，

获得相关数据，绘制成固体质量—分解温度的关系如图。

①800℃以上时，固体成分的化学式为___________。

②残留固体为CaC2O4时的温度范围__________________。

③写出固体质量由12.8g变为10.0g时的化学方程式____________________________。

【答案】

（1）菠菜中的草酸盐能与豆腐中的钙盐反应生成难溶的草酸钙（静置后）向上层清液中继续滴加CaCl2溶液，不再产生沉淀

（2）CaCO3+2HAc==CaAc2+CO2↑+H2O>（3）CaC2O4C（4）①排净装置中的空气检验并除去气体中的二氧化碳②H2O、CO2和CO③在F装置后增加尾气处理装置CaO200—400℃CaC2O4

CaCO3+CO↑

【解析】【提出猜想】“菠菜豆腐不能同食”的原因可能是菠菜中的草酸盐能与豆腐中的钙盐反应生成难溶的草酸钙。

（1）步骤③中判断加入的CaCl2溶液已足量的方法是（静置后）向上层清液中继续滴加CaCl2溶液，不再产生沉淀。

（2）步骤④反应的的化学方程式为CaCO3+2HAc==CaAc2+CO2↑+H2O。

沉淀A中的碳酸钙被醋酸溶解，所以沉淀A、B的质量关系为：

m（A）>m（B）。

（3）白色沉淀B的化学式为CaC2O4，由此可见菠菜豆腐不能同食。

以下饮食观点正确的是C。

（4）①反应开始前通入氮气的目的是排净装置中的空气，装置C的作用是检验并除去气体中的二氧化碳。

②装置B中硫酸铜粉末变蓝，说明产物有H2O。

C中澄清石灰水变浑浊，说明产物有CO2。

F中澄清石灰水变浑浊，E中CuO变红，说明产物有CO。

总之，说明产物有H2O、CO2和CO，经检验A中残留固体为氧化物。

③对上述装置从环保角度提一个改进建议在F装置后增加尾气处理装。

排除CO对空气的污染。

（5）①800℃以上时，固体为受热分解的最终生成物，其化学式为CaO。

②草酸钙晶体受热分解首先失去结晶水，所以残留固体为CaC2O4时的温度范围200—400℃。

③固体质量由12.8g变为10.0g时发生反应的化学方程式为CaC2O4

CaCO3+CO↑。

【习题3】一种“氢氧化锶-氯化镁法”制备“牙膏用氯化锶（SrCl2·6H2O）”的工艺流程如图：

（1）锶与钙同主族。

金属锶应保存在________________中（填“水”、“乙醇”或“煤油”）。

（2）天青石（主要成分SrSO4）经过多步反应后可制得工业碳酸锶。

其中第一步是与过量焦炭隔绝空气微波加热还原为硫化锶，该过程的化学方程式为_______________________________。

（3）工业碳酸锶中含有CaCO3、MgCO3、BaCO3等杂质。

“滤渣”的主要成分是_____________。

（4）“重结晶”时蒸馏水用量[以质量比m（H2O）：

m（SrO）表示]对Sr（OH）2·8H2O纯度及产率的影响如下表。

最合适的质量比为___________，当质量比大于该比值时，Sr（OH）2·8H2O产率减小，其原因是___________________。

质量mH2O：

mSrO

4：

1

5：

1

6：

1

7：

1

8：

1

9：

1

10：

1

Sr（OH）2·8H2O纯度%

98.64

98.68

98.65

98.64

98.63

98.63

98.65

Sr（OH）2·8H2O产率%

17.91

53.36

63.50

72.66

92.17

89.65

88.93

（5）水氯镁石是盐湖提钾后的副产品，其中SO42-含量约为1%，“净化”过程中常使用SrCl2除杂，写出该过程的离子方程式_________________________。

（6）若需进一步获得无水氯化锶，必须对SrCl2·6H2O（M=267g·mol-1）进行脱水。

脱水过程采用烘干法在170℃下预脱水，失重达33.7%，此时获得的产物化学式为_____________________________。

【答案】

（1）煤油

（2）SrSO4+4C

SrS+4CO↑（3）Ca（OH）2、MgO（4）8：

1随着蒸馏水溶剂的增加，在冷却结晶、过滤的过程中部分氢氧化锶留在母液中导致产率减小（5）SO42-+Sr2+=SrSO4↓（6）SrCl2·H2O

【解析】一种“氢氧化锶-氯化镁法”制备“牙膏用氯化锶（SrCl2•6H2O）”，由流程可知，工业碳酸锶隔绝空气高温焙烧后水浸过滤，将滤液蒸发浓缩，冷却结晶得粗氢氧化锶，再通过重结晶操作，可得精制的氢氧化锶Sr（OH）2•8H2O，与由水氯镁石提纯而得的精制氯化镁发生复分解反应生成SrCl2溶液和Mg（OH）2沉淀，滤液中含SrCl2，最后蒸发、冷却结晶得到SrCl2•6H2O。

（1）金属锶很活泼，易与水中的氢发生置换反应和醇羟基中氢发生置换反应，所以可保存在煤油中；

（2）此过程中硫酸锶与碳在高温下反应生成硫化锶和一氧化碳，反应方程式为SrSO4+4C

SrS+4CO↑；（3）工业碳酸锶中含有CaCO3、MgCO3、BaCO3等杂质，煅烧后生成对应氧化物，氧化物和水反应生成氢氧化物，MgCO3煅烧后得到的MgO不溶于水，也不与水反应，而氢氧化钙微溶于水，“滤渣”的主要成分是MgO和Ca（OH）2；（4）题给信息中Sr（OH）2⋅8H2O纯度都已经达到98%以上，产率是在质量比mH2O:

mSrO=8:

1时最高为92.17%，当质量比大于该比值时，Sr（OH）2⋅8H2O产率减小，其原因是随着蒸馏水溶剂的增加，在冷却结晶过滤的过程中部分Sr（OH）2留在母液中导致产率降低；（5）水氯镁石是盐湖提钾后的副产品，其中SO42−含量约为1%，“净化”过程中常使用SrCl2除杂，该过程的离子方程式为SO42-+Sr2+=SrSO4↓；（6）脱水过程采用烘干法在170℃下预脱水，失重达33.7%，设烘干法在170℃下脱去x个结晶水，则

×100%=33.7%，x=5，即SrCl2·6H2O脱水失去5个结晶水，故此时获得的产物化学式为：

SrCl2⋅H2O。

【习题4】锶（Sr）为第五周期ⅡA族元素，六水氯化锶（SrCl2·6H2O）是实验室重要的分析试剂，工业上常以天青石（主要成分为SrSO4）为原料制备，生产流程如图所示：

已知：

①经盐酸浸取后，溶液中除含有Sr2＋和Cl－外，还含有少量Ba2＋杂质；

②SrSO4、BaSO4的溶度积常数分别为3.3×10－7、1.1×10－10。

请回答下列问题：

（1）为了提高焙烧天青石的化学反应速率，焙烧前应进行的操作是____________________；

实验室用于高温焙烧的主要仪器除酒精灯外还有_______________________；焙烧后所得固体的主要成分是简单的金属硫化物，该固体与盐酸反应的主要化学方程式为______________________________________

（2）为除去盐酸浸取后所得溶液中的Ba2＋，X最好选用________（填标号），反应的离子方程式为_________________________________________

A．Na2SO4　　　　B．H2SO4　　　　C．Na2CO3

（3）为了提高原料的利用率，滤液中Sr2＋的浓度应低于________mol·L－1（已知此时滤液中Ba2＋浓度为1×10－5mol·L－1）。

（4）该生产流程中的“一系列操作”指的是_____________________________________由六水氯化锶制备无水氯化锶的简单方法是________________________

【答案】

（1）将天青石粉碎坩埚SrS＋2HCl===SrCl2＋H2S↑

（2）BBa2＋＋SO42-===BaSO4↓（3）0.03（4）蒸发浓缩、冷却结晶直接加热SrCl2·6H2O使其脱去结晶水

【解析】以天青石（主要成分为SrSO4）为原料制备六水氯化锶（SrCl2•6H2O），由流程可知，天青石和碳在隔绝空气时高温焙烧生成CO、SrS，SrS加盐酸后溶液中除含有Sr2+和Cl-外，还含有少量Ba2+杂质，然后加硫酸生成硫酸钡沉淀，所以过滤后滤渣为硫酸钡，滤液中含SrCl2，最后蒸发、冷却结晶得到SrCl2•6H2O。

（1）将固体原料粉碎可增大反应物的接触面积，加快化学反应速率；实验室用于高温焙烧的主要仪器除酒精灯外还有坩埚。

SrSO4与C在高温下反应生成的简单金属硫化物是SrS，结合流程图，可知有CO生成，则高温焙烧的化学方程式为SrSO4＋4C

SrS＋4CO↑。

SrS与盐酸发生复分解反应生成SrCl2和H2S，反应的方程式为，SrS＋2HCl=SrCl2＋H2S↑，故答案为将天青石粉碎；坩埚；SrS＋2HCl=SrCl2＋H2S↑；

（2）在除去溶液中的Ba2＋的同时，应不引入新的杂质离子，X最好选用H2SO4，反应的离子方程式为Ba2＋＋SO42-=BaSO4↓，故答案为B；Ba2＋＋SO42-=BaSO4↓；

（3）由于Ba2+浓度为1×10-5mol/L，BaSO4的溶度积常数为1.1×10-10，所以c（SO42-）=

mol/L=1.1×10-5mol/L，而SrSO4的溶度积常数为3.3×10-7，所以c（Sr2+）=

mol/L=3.0×10-2=0.03mol/L，要使Sr2＋不沉淀，c（Sr2＋）·c（SO42-）＜Ksp（SrSO4）＝3.3×10－7，即c（Sr2＋）＜0.03mol·L－1，故答案为0.03；

（4）从溶液中析出晶体需要进行的操作是蒸发浓缩、冷却结晶。

因为SrCl2是强酸强碱盐，受热时不水解，所以直接加热SrCl2·6H2O可得到无水SrCl2，故答案为蒸发浓缩、冷却结晶；直接加热SrCl2·6H2O使其脱去结晶水。

6．Ba（NO3）2常用于军事上生产绿色信号弹、曳光弹等。

某生产BaCO3的化工厂生产排出大量的钡泥（主要含有BaCO3、BaSO3、Ba（FeO2）2等，该厂利用钡泥制取Ba（NO3）2晶体（不含结晶水），部分工艺流程如下：

已知：

pH=3.2时，可使Fe3+

沉淀完全；

请回答下列问题：

（1）该厂生产的BaCO3因含有少量BaSO4而不纯,提纯的方法是：

将产品加入足量的饱和Na2CO3溶液中,充分搅拌、过滤、洗涤。

试用离子方程式说明提纯原理：

______________________________。

（2）酸溶时，Ba（FeO2）2与HNO3反应的化学方程式为_______________________________。

（3）该厂结合本厂实际,化合物X最好选用_________

A．BaCl2B．Ba（OH）2C．Ba（NO3）2D．BaCO3

（4）滤渣1和滤渣2洗涤产生的废液不能直接排入环境，原因是_______________________。

（5）①反应I需调节溶液pH值范围在4～5，目的是________________________________。

②验证该步骤中沉淀已完全的实验操作是_____________________________________。

（6）测定所得Ba（NO3）2晶体的纯度：

准确称取w克晶体溶于蒸馏水,加入足量的硫酸,充分反应后,过滤、洗涤、干燥,称量其质量为m克,则该晶体的纯度为_____________。

（提示：

M（Ba（NO3）2）=261g/mol，M（BaSO4）=233g/mol）

【答案】

（1）BaSO4（s）+CO32-（aq）

BaCO3（s）+SO42-（aq）

（2）Ba（FeO2）2+8HNO3＝Ba（NO3）2+2Fe（NO3）3+4H2O（3）D（4）废液中含有的重金属离子Ba2+会污染环境（5）①中和溶液中过量的H+，促进溶液中Fe3+水解而形成Fe（OH）3沉淀②取上层清液于试管中，往其中滴入几滴KSCN溶液，若不变血红色，则证明沉淀已完全（6）

【解析】钡泥主要含BaCO3、BaSO3、Ba（FeO2）2等，加入硝酸，在容器中充分溶解，可生成硫酸钡，过滤后滤液中含有铁离子、钡离子等，且溶液呈酸性，可加入碳酸钡，调节溶液pH=4～5，使铁离子水解生成Fe（OH）3沉淀，过滤后废渣为Fe（OH）3，滤液中含有硝酸、硝酸钡等，加入氢氧化钡中和得到硝酸钡溶液，经蒸发、浓缩、过滤可得到硝酸钡晶体，

（1）溶液存在BaSO4（aq）+CO32-（aq）⇌BaCO3（aq）+SO42-（aq），当c（CO32-）×c（Ba2+）＞Ksp（BaCO3）时，可实现沉淀的转化；

（2）Ba（FeO2）2与中钡元素为+2价，铁元素为+3价，所以反应产物为Ba（NO3）2和Fe（NO3）3，所以其反应方程式为：

Ba（FeO2）2+8HNO3═Ba（NO3）2+2Fe（NO3）3+4H2O；

（3）加入X调节溶液的pH=4～5，则X应能消耗H+，结合工厂主要生产BaCl2、BaCO3、BaSO4的实际情况，可选用BaCO3，中和后溶液中H+浓度减小，pH在4～5时，Fe3+也完全沉淀，故Fe3+浓度也减小；

（4）滤渣1和滤渣2洗涤产生的废液中含有的重金属离子Ba2+会污染环境，不能直接排入环境；

（5）①反应I需调节溶液pH值范围在4～5，中和溶液中过量的H+，促进溶液中Fe3+水解而形成Fe（OH）3沉淀；

②验证该步骤中沉淀已完全，只需要检验溶液中是否存在铁离子，实验操作和现象为取上层清液于试管中，往其中滴入几滴KSCN溶液，若不变血红色，则证明沉淀已完全；

（6）称取w克晶体溶于蒸馏水，加入足量的硫酸，充分反应后，过滤、洗涤、干燥，称量沉淀质量为m克，其发生的反应为：

Ba（NO3）2+H2SO4=BaSO4+2HNO3，设参加反应的Ba（NO3）2为xg，

Ba（NO3）2+H2SO4=BaSO4+2HNO3

261233

xmg

则解得x=

g，所以该Ba（NO3）2的纯度为

×100%=

×100%；

【习题6】以重晶石（BaSO4为主，含有钙等杂质）为原料，可按如下工艺生产碳酸钡：

温度为1173K～1473K时回转窑中发生的主要反应：

C+O2

CO2，C+CO2

2CO；BaSO4+4C

BaS+4CO↑，BaSO4+2C

BaS+2CO2↑。

（1）煤粉的主要作用是______________。

（2）若回转窑中通过量空气，则BaCO3产率________（填“降低”、“升高”、“不变”）。

（3）用90～95℃的热水浸取BaS转化为可溶性化合物时无气体生成，此过程反应的化学方程式__________________。

（4）在回转窑产生的废气，其中________可以在碳化过程得到重新利用；硫化钡黑灰热水浸取，保温后热过滤除去的残渣也可在其他工业生产中再利用，如废渣中的CaSO4可作____________（写一种即可）。

（5）为了得到纯净的BaCO3，省略的操作是_____________________。

（6）已知反应BaSO4（s）+CO32-（aq）

BaCO3（s）+SO42-（aq），某同学利用该反应在实验室模拟BaSO4转化为BaCO3的过程：

若每次加入1L2mol/L的Na2CO3溶液，至少需要____次，可以将0.3molBaSO4完全转化为BaCO3。

[Ksp（BaSO4）=1×10-10，Ksp（BaCO3）=5×10-9]

【答案】

（1）燃烧供热和作还原剂

（2）降低（3）2BaS+2H2O

Ba（HS）2+Ba（OH）2（4）CO2建筑材料、制石膏（5）过滤、洗涤、干燥（6）8

【解析】

（1）在回转窑中加入煤粉和重晶石，在温度为1173K～1473K时回转窑中发生的主要反应：

C+O2

CO2，C+CO2

2CO；BaSO4+4C

BaS+4CO↑，BaSO4+2C

BaS+2CO2↑；煤粉燃烧放出大量的热，且C与BaSO4反应生成BaS的反应中C为还原剂，可见煤粉的主要作用是燃烧供热和作还原剂；

（2）若回转窑中通过量空气，S元素会部分被氧化，导致BaS的量减少，则由BaS制取得到的BaCO3就会减少，因此最终使BaCO3产率降低；

（3）用90～95℃的热水浸取BaS转化为可溶性化合物时，此时无气体生成，此过程反应的化学方程式为：

2BaS+2H2O

Ba（HS）2+Ba（OH）2；

（4）在回转窑产生的废气中含有CO、CO2，其中CO2在碳化过程与Ba（HS）2、Ba（OH）2发生反应：

Ba2++2HS-+CO2+H2O=BaCO3↓+2H2S↑、CO2+Ba（OH）2=BaCO3↓+H2O，得到重新利用，可用于制取BaCO3；硫化钡黑灰热水浸取，保温后热过滤除去的残渣中含有未反应的C单质及CaSO4，也可在其他工业生产中再利用，如废渣中的CaSO4可作建筑材料，也可以用于制取石膏；

（5）从反应后的溶液中过滤可得到BaCO3，为了得到纯净的BaCO3，要除去固体表面的杂质离子，所以省略的操作是过滤、洗涤、干燥；

（6）已知反应BaSO4（s）+CO32-（aq）

BaCO3（s）+SO42-（aq），假设每次能处理BaSO4的物质的量为x，根据方程式可知反应产生SO42-物质的量为x，反应消耗CO32-后剩余离子物质的量为（2-x）mol，K=

=

0.02，解得x=0.039mol，所以需