专题12主族非金属碳及其化合物解析版.docx

1、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

2、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+ CZn(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

3、。（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， H2C2O4CO2 + 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)Cl2H2O。（4

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+5COFe(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227

5、3K时CO2也只是略有分解。同时，CO2分子中也有一对大键。（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+NaClNaHCO3+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N

6、a2CO3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。金属离子不水解，（如Ba2+、Ca2+、Ag+等），将得到碳酸盐，如Ca2+COCaCO3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+3H2OFe(OH)3+3CO2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 + H2OCu2(OH)2CO3+ C

7、O2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HCO的自耦电离：HCO + HCOH2CO3 + CO与Mg2+形成碳酸盐沉淀：Mg2+ + COMgCO3总反应：Mg2+ +2HCOMgCO3 + 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，

8、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

9、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=5.9102， Ka2=6.4105。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+ 8H2O2不稳定性：（草酸在189.5或遇浓硫酸会分解）H2C2O4CO2+ CO+ H2O3草酸氢钠（NaHC2O4）：溶液呈酸性。HC2O4H+ + C2O42；HC2O4 + H2OH2C2O4 + O

10、H；Ka2=6.4105； Kh = Kw/Ka1= 1.71013；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Na2C2O4Na2CO3 + 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（ ）ASO2、H2S BCl2、CO2CNH3、CO2 DSO2、Cl2【答案】B【解析】ASO2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；BCl2通入BaCl2溶液，没有现象，再通入CO2，仍无现象产生，B符合题意；CNH3通入BaCl2溶液

11、，没有现象，再通过CO2，生成BaCO3白色沉淀，C不合题意；DSO2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）AA BB CC DD【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，N

12、H3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+H2OCO2+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KB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

13、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

14、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pH1.97.06.5沉淀完全的pH3.29.09.4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)1.41013，Ksp(CoC2O4)6.3108。若仅从沉淀

15、转化角度考虑，在0.01mol/L Na2C2O4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）3.2pH6.5 （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）2CoCO3Co2O3+CO2+CO 【解析】（1）电解时废旧刀具作阳极

16、，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3.2pH6.5；（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

17、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：2CoCO3Co2O3+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。：Fe2O3 + 6H+ = 2Fe3+3H2O : .写出的离子方程式：_。（2）过滤所得滤液中主要存在的两种金属阳离子为_（填离子符号）。（3

18、）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

19、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可得反应2Fe3+ SO2+2H2O= 2Fe2+ + SO42+4H+ ；（2）过滤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MnS

20、2O6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BaC

21、l2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(H2C2O4nH2O)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：_。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_。彻底处理掉本实验中的尾气的最好方法是_。假若上述现象均已发生，则草酸晶体分解

22、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 abcdehij CO2 CO 在k处放置一个点燃的酒精灯，直接将CO燃烧掉 H2C2O4nH2OCO2CO(n1)H2O

23、（2）COPdCl2H2O=CO2Pd2HCl （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

24、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】K3Fe(C2O4)33H2O（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K3Fe(C2O4)33H2O作感光剂，以K3Fe(CN)6溶液为显色剂。其光解反应的化学方程式为：2K3Fe(C2O4)32FeC2O4+3K2C

25、2O4+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。通入氮气的目的是_。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_、_。为防止倒吸，停止实验时应进行的操作是_。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。称量m g样品于锥形瓶中，溶解后加稀H2SO4酸化，用c molL-1 KMnO4溶液滴定至终点。滴定终点的现象是_。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

26、。加稀H2SO4酸化，用c molL-1 KMnO4溶液滴定至终点，消耗KMnO4溶液V mL。该晶体中铁的质量分数的表达式为_。【答案】（1）3FeC2O4+2K3Fe(CN)6Fe3Fe(CN)62+3K2C2O4 （2）隔绝空气、使反应产生的气体全部进入后续装置 CO2 CO 先熄灭装置A、E的酒精灯，冷却后停止通入氮气 取少许固体粉末于试管中，加稀硫酸溶解，滴入12滴KSCN溶液，溶液变红色，证明含有Fe2O3 （3）粉红色出现 【解析】（1）光解反应的化学方程式为2K3Fe(C2O4)32FeC2O4+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3FeC

27、2O4+2K3Fe(CN)6Fe3Fe(CN)62+3K2C2O4。（2）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。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；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。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

28、稀硫酸溶解，滴入12滴KSCN溶液，溶液变红色，证明含有Fe2O3。（3）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。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：装置B的名称为_。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）。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_。C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_