高中化学知识点：碳单质及化合物

碳：

①元素符号：C
②原子结构示意图：
③电子式：
④周期表中位置：第二周期ⅣA族
⑤含量与存在：在地壳中的含量为0．087％，在自然界中既有游离态，又有化合态
⑥同素异形体：金刚石、石墨、C60、活性炭

碳（活性炭）：

①金刚石：纯净的金刚石是无色透明、正八面体形状的固体，硬度大，熔点高，不导电，不溶于水
石墨：深灰色的鳞片状固体，硬度小，质软，有滑腻感，熔点高，具有导电性
活性炭：黑色粉末状或颗粒状的无定形碳，疏松多孔，有吸附性
②碳的化学性质：
a.稳定性：在常温下碳的化学性质稳定，点燃或高温的条件下能发生化学反应
b.可燃性：氧气充足的条件下：C+O₂CO₂ 氧气不充分的条件下：2C+O₂2CO
c.还原性：
木炭还原氧化铜：C+2CuO2Cu+CO₂↑
焦炭还原氧化铁：3C+2Fe₂O₃4Fe+3CO₂↑
焦炭还原四氧化三铁：2C+Fe₃O₄3Fe+2CO₂↑
木炭与二氧化碳的反应：C+CO₂CO

二氧化碳：

①物理性质：常温下，二氧化碳是一种无色无味的气体，密度比空气大，能溶于水。固态的二氧化碳叫做干冰。
②化学性质：
a.一般情况下，二氧化碳不能燃烧，也不支持燃烧，不供给呼吸，因此当我们进入干枯的深井，深洞或久未开启的菜窖时，应先做一个灯火实验，以防止二氧化碳浓度过高而造成危险
b.二氧化碳和水反应生成碳酸，使紫色石蕊试液变红：CO₂+H₂O===H₂CO₃，碳酸不稳定，很容易分解成水和二氧化碳，所以红色石蕊试液又变回紫色：H₂CO₃===H₂O+CO₂↑
c.二氧化碳和石灰水反应：Ca(OH)₂+CO₂====CaCO₃↓+H₂O
d.二氧化碳可促进植物的光合作用：6CO₂+6H₂OC₆H₁₂O₆+6O₂
③用途：
a.二氧化碳不支持燃烧，不能燃烧，比空气重，可用于灭火
b.干冰升华时吸收大量的热，可用它做制冷剂或人工降雨
c.工业制纯碱和尿素，是一种重要的化工原料 d.植物光合作用，绿色植物吸收太阳能，利用二氧化碳和水，合成有机物放出氧气。

一氧化碳：

①物理性质：通常状况下，是一种没有颜色，气味的气体，比空气略轻难溶于水。
②化学性质
a.可燃性：2CO+O₂2CO₂
b.还原性：一氧化碳还原氧化铜：CO+CuOCu+CO₂ 一氧化碳还原氧化铁：3CO+Fe₂O₃2Fe+3CO₂ 一氧化碳还原四氧化三铁：4CO+Fe₃O₄3Fe+4CO₂
c.毒性：一氧化碳能与人体血液中的血红蛋白结合，使血红蛋白失去运输氧气的能力，造成机体缺氧。冬天用煤火取暖，如排气不良，就会发生煤气中毒，就CO中毒。CO重要来源是汽车尾气和煤，石油等含碳燃料的不完全燃烧。
③用途：用作燃料，冶炼金属。 ④碳酸：弱酸，不稳定，易分解H₂CO₃==CO₂↑+H₂O

碳酸盐：

1.正盐与酸式盐的比较

	正盐	酸式盐
水溶性	除K、Na、铵的碳酸盐易溶于水外，其余都难溶于水	都溶于水
热稳定性	较稳定 ①K2CO3、Na2CO3等碱金属的正盐受热难分解 ②CaCO3、(NH4)2CO3 等受热易分解	受热易分解 2NaHCO3Na2CO3+ H2O+CO2↑ Ca(HCO3)2 CaCO3+H2O+CO2↑
与酸反应	CO32-+2H+== CO2↑+H2O CaCO3+2H+=Ca2+ +H2O+CO2↑	HCO3-+H+==H2O+ CO2↑(相同条件下，NaHCO3与酸反应放出CO2的速率比Na2CO3快)
与碱反应	Na2CO3+Ca(OH)2 ==CaCO3↓+2NaOH	NaHCO3+NaOH==Na2CO3+H2O Ca(HCO3)2+Ca(OH)2==2CaCO3↓+2H2O
转化关系

2．酸式盐性质的一般规律
(1)在水中的溶解性：一般地，相同温度下，难溶性正盐的溶解度小于其酸式盐，可(易)溶性正盐的溶解度大于其酸式盐。如CaCO₃，难溶于水，Ca(HCO₃)₂易溶于水；Na₂CO₃易溶于水，NaHCO₃的溶解度比 Na₂CO₃的小。
(2)与酸或碱反应：强酸的酸式盐只与碱反应而不与酸反应；弱酸的酸式盐与足量强碱反应生成正盐，与足量强酸反应生成弱酸。
(3)热稳定性：一般地，热稳定性的大小顺序为正盐>酸式盐(盐的阳离子相同，成盐的酸相同)。
3．碳酸钙在自然界中存在广泛，是岩石的主要成分之一。不溶于水，但溶于酸。大理石、石灰石的主要成分是CaCO₃，它们既是重要的化工原料，又是重要的建筑材料。其用途图示如下：

CO2气体与溶液的反应规律:

1．向某溶液中不断通入CO2气体至过量时，现象是“先产生白色沉淀，后沉淀逐渐溶解”
(1)向澄清石灰水中不断通入CO2气体的反应为：
Ca(OH)2+CO2==CaCO3↓+H2O
CaCO3+CO3+H3O==Ca(HCO3)2
(2)向氧氧化钡溶液中不断通入CO2气体的反应为：
Ba(OH)2+CO2==BaCO3↓+H2O
BaCO3+CO2+H2O==Ba(HCO3)2
(3)向漂白粉溶液中不断通入CO2气体的反应为：
Ca(ClO)2+CO2+H2O==CaCO3↓+2HClO
CaCO3+CO2+H2O==Ca(HCO3)2
2．向某溶液中不断通入CO2气体至过量时，现象为“产生白色沉淀或浑浊，沉淀或浑浊不消失”
(1)在NaAlO2溶液中不断通入CO2气体至过量时，反应为：
2AlO₂^-+CO2(少量)+3H2O==2Al(OH)3↓ +CO₃^2-
2AlO₂^-+CO2(过量)+2H2O==Al(OH)3↓ +HCO₃^-
(2)向Na2SiO3溶液中不断通入CO2气体至过量时，反应为：
SiO₃^2-+CO2+H2O==H2SiO3↓+CO₃^2-
SiO₃^2-+2CO2+2H2O==H2SiO3↓+2HCO₃^-
(3)向饱和Na2CO3溶液中不断通入CO2气体，反应为：
2Na⁺+CO₃^2-+CO2+H2O==2NaHCO3↓
3．CO2与NaOH溶液反应后，溶液中溶质的判断将CO2气体逐渐通入NaOH溶液中，先后发生化学反应：
①CO2+2NaOH==Na2CO3+H2O
②CO2+Na2CO3+H2O==2NaHCO3
向一定量的NaOH溶液中通入CO2气体后，溶液中溶质的成分要根据NaOH与CO2的物质的量之比进行讨论。
当时，发生反应①和②，溶液中的溶质为NaHCO3；
当时，发生反应①，溶液中的溶质为 Na2CO3和NaOH；
当时，发生反应①，溶液中的溶质为Na2CO3；
当时，发生反应①和②，溶液中为Na2CO3和NaHCO3

碳酸氢盐与碱反应的规律及CO32- HCO3-的鉴别方法:

1．酸式盐与碱反应时的产物要根据相对用量判断
如Ca(HCO3)2溶液中滴加NaOH溶液：
Ca(HCO3)2+NaOH==CaCO3↓+NaHCO3+ H2O(NaOH少量)
Ca(HCO2)2+2NaOH==CaCO3↓+Na2CO3+ 2H2O(NaOH过量)
2．CO₃^2-和HCO₃^-的鉴别
(1)利用正盐和酸式盐的溶解性可区别CO₃^2-和HCO₃^-，如分别和BaCl2溶液反应，生成的BaCO3不溶，生成的Ba(HCO3)2易溶；
(2)利用与H⁺反应产生CO₂的快慢检验CO₃^2-或HCO₃^-

碳族元素：

1．在元素周期表中的位置及结构碳旌死素位于第ⅣA族，包括碳(C)、硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、铅(Pb)五种元素。最外层皆有4个电子，这种结构不易得电子也不易失电子，易形成共价键，难形成离子键。
2．主要化合价碳族元素的化合价主要有+2和+4，C、Si、Ge、Sn的+4价化合物较稳定，而Pb的+2价化合物较稳定。
3．氢化物、最高价氧化物及其对应的水化物
氢化物：
最高价氧化物：RO₂；
最高价氧化物对应的水化物为H₂RO₃、 H₄RO₄或R（OH）₄
4．碳族元素的金属性与非金属性的递变规律由C至Pb，核电荷数逐渐增多，原子半径逐渐增大，原子核对最外层电子的吸引能力逐渐减小，失电子能力逐渐增强，得电子能力逐渐减弱，非金属性逐渐减弱，金属性逐渐增强。由碳族元素形成的单质中，碳、硅为非金属，但硅有金属光泽；锗、锡、铅为金属。

相关高中化学知识点：单质硅

硅：

①元素符号：Si
②原子结构示意图：
③电子式：
④周期表中位置：第三周期ⅣA族
⑤含量与存在：在地壳中的含量为26．3％，仅次于氧，在自然界中只以化合态存在
⑥同素异形体：晶体硅和无定形硅

硅的物理性质和化学性质：

（1）物理性质：晶体硅是灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体，它的结构类似金刚石，具有较高的沸点和熔点，硬度也很大，它的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。 （2）化学性质：化学性质不活泼
①常温下，除与氟气、氢氟酸及强碱溶液反应外，与其他物质不反应

(雕刻玻璃)

②在加热条件下，能与氧气、氯气等少数非金属单质化合


(4)制备：在电炉里用碳还原二氧化硅先制得粗硅：，将制得的粗硅，再与Cl₂反应后，蒸馏出SiCl₄，然后用H₂还原SiCl₄可得到纯硅。有关的反应为：。

碳族元素中碳和硅的一些特殊规律:

1.金刚石和晶体硅都是原子晶体，但金刚石不导电，晶体硅能导电．且金刚石的熔点(大于3550℃)比硅的熔点(1410℃)高；石墨是过渡型晶体或混合型晶体，也能导电。
2.碳和硅都能跟O2反应生成氧化物，碳的两种氧化物CO和CO2在常温下是气体，而硅的氧化物SiO2 在常温下是固体。
3.碳跟碱溶液不反应，而硅跟碱溶液能反应。
Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2↑
4．碳在高温时能跟水蒸气反应，而硅不能。
C+H2O(g)CO+H2
5．碳跟氢氟酸不反应，而硅能跟氢氟酸反应。
Si+4HF==SiF4↑+2H2↑
6．碳能被浓硫酸(或浓硝酸)氧化生成二氧化碳，但硅不能被浓硫酸(或浓硝酸)氧化。
C+2H2SO4(浓)CO2↑+2SO2↑+2H2O
C+4HNO3(浓)4NO2↑+2H2O+CO2↑
7．碳和硅都具有还原性，且硅的还原性比碳强，但在高温时碳能把硅从SiO2中还原出来。
2C+SiO2Si+2CO↑
8．碳的氯化物都不能自燃，而SiH4能自燃。
SiH4+2O2==SiO2+2H2O
9．通常情况下，周态CO、CO2都是分子晶体，熔、沸点都很低；而SiO2是原子晶体，熔、沸点较高。
10．CO2溶于水且能跟水反应生成碳酸，SiO2却不能.
11．CO2跟氢氟酸不反应，而SiO2能跟氢氟酸反应.
SiO2+4HF==SiF4↑+2H2O
12．CO2跟碱溶液反嘘生成正盐或酸式盐，而SiO2 跟碱溶液反应只生成正盐。
CO2+2NaOH==Na2CO3+H2O
CO2+NaOH==NaHCO3
SiO2+2NaOH==Na2SiO3+H2O
13．在溶液中Na2SiO3可转变为Na2CO3，而在高温条件下Na2CO3又可转变为Na2SiO3。
Na2SiO3+CO2+H2O==Na2CO3+H2SiO3↓
Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑

硅及其化合物的几种反常现象:

1．Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si 可从平衡移动的角度理解，由于高温下生成了气态物质CO2它的放出降低了生成物的浓度，有利于应反正向进行，故可发生反应：SiO2+2CSi+2CO↑
2．部分非金属单质能与碱溶液反应，但其中只有 Si与碱反应放出H2 常见的非金属单质与碱溶液的反应有：
Cl2+2NaOH==NaCl+NaClO+H2O①
3S+6NaOH2Na2S+Na2SO3+3H2O②
Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2↑③
在反应①②中，Cl2、S既作氧化剂又作还原剂：在反应③中，Si为还原剂。
3．非金属单质一般不与弱氧化性酸反应，而硅不但能与氢氟酸反应，而且还会产生H2
4．硅酸不能由相应的酸酐与水反应制得制取硅酸的实际过程很复杂，条件不同可得到不同的产物，通常包括原硅酸(H2SiO4)及其脱水得到的一系列酸。原硅酸经两步脱水变为SiO2，SiO2是硅酸的酸酐，是一种不溶于水的同体，不能直接用它制备硅酸，用SiO2制取硅酸时，可先将SiO2溶于烧碱中，再向溶液中加入足量的盐酸或通入过量的CO2，析出的胶状物就是原硅酸，将原硅酸在空气中脱水即得硅酸，反应原理可理解为：
SiO2+2NaOH==Na2SiO3+H2O
Na2SiO3+CO2+2H2O==Na2CO3+H4SiO4↓
H4SiO4==H2SiO3+H2O
5．非金属氧化物的熔沸点一般较低，但SiO2的熔沸点却很高非金属氧化物一般为分子晶体，但SiO2为原子晶体。分子晶体中分子以分子问作用力相结合，而分子间作用力很弱，破坏它使晶体变为液体或气体比较容易；而在SiO2晶体中每个硅原子与四个氧原子相结合，形成硅氧四面体，在每个硅氧四面体结构单元中Si?O 键的键能很高，同时硅氧四面体结构单元可通过共用顶角氧原子连成立体网状结构，所以要使它熔融，必须消耗更多的能量，因此SiO2的熔沸点很高。
6．SiO2是酸性氧化物却能跟HF作用
SiO2+4HF==SiF4↑+2H2O，此反应并不是因为HF的酸性，而是因为为常温下SiF4为气态物质，有利于反应正向进行，这是SiO2的突出特性，当然也是HF 的特性。
7．H2CO3的酸性强于H2SiO3。但却能发生如下反应：Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑
强酸制备弱酸作为判断反应方向的依据，只适用于水溶液体系，而在非水溶液的条件下不一定适用，在高温下能发生反应：Na2CO3+SiO2Na2SiO3+ CO2↑的原因是H2SiO3难挥发，H2CO3易挥发，这符合高沸点物质制低沸点物质的反应规律，与此反应类似的还有：
2NaCl+H2SO4(浓)Na2SO4+2HCl↑
NaNO3+H2SO4(浓)NaHSO4+HNO3↑
上述两反应并不是由于H2SO4的强酸性，而是由于H2SO4为高沸点酸，HCl、HNO3为低沸点酸。

硅的用途：

高纯硅可作半导体材料，制造集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件，还可以制造太阳能电池。硅的合金用途也很广，如含硅4%的钢具有良好的导磁性，可用来制造变压器的铁芯；含硅15%左右的钢具有良好的耐酸性，可用来制造耐酸设备。

相关高中化学知识点：硅酸盐

硅酸盐种类：

①硅酸盐是构成地壳岩石的主要成分，其结构复杂，组成可用二氧化硅和金属氧化物的形式表示。例如：硅酸钠Na₂SiO₃(Na₂O?SiO₂)；镁橄榄石Mg₂SiO₄(2MgO?SiO₂)；高岭石Al₂(Si₂O₅)(OH)₄(Al₂O₃?2SiO₂?2H₂O)
②云母、滑石、石棉、高岭石等，它们都属于天然的硅酸盐。
③人造硅酸盐：主要有玻璃、水泥、各种陶瓷、砖瓦、耐火砖、水玻璃以及某些分子筛等。
④硅酸盐制品性质稳定，熔点较高，难溶于水，有很广泛的用途。最简单硅酸盐是硅酸钠，其水溶液俗称水玻璃，是一种矿物胶，可作粘合剂，防腐剂。

硅酸钠：

（1）化学式：Na₂SiO₃
（2）俗称：其水溶液俗称水玻璃
（3）物理性质：硅酸钠溶液是无色黏稠液体
（4）化学性质：
①与盐酸反应 Na₂SiO₃+2HCl==== 2NaCl+H₂SiO₃(胶体)
②与CO₂反应 NaSiO₃+CO₂+H₂O ==Na₂CO₃+H₂SiO₃↓
③与水发生水解反应硅酸钠溶液显碱性
（5）制备：SiO₂+2NaOH== Na₂SiO₃+H₂O
（6）保存：试剂瓶不能配磨口玻璃塞
（7）用途：常用于制备硅胶和木材防火剂等

相关高中化学知识点：硅酸（原硅酸）

硅酸：

①化学式：H₂SiO₃
②俗称：硅酸干凝胶俗称硅胶
③目前被确认的有正硅酸(原硅酸)H₄SiO₄(x=1，y=2)、偏硅酸H₂SiO₃(x=1,y=1)、二硅酸H₂Si₂O₅(x=2，y=1)、焦硅酸H₆Si₂O₇(x=2，y=3)。硅酸组成复杂，随条件而异。一般用通式xSiO₂?yH₂O表示，由于“H₂SiO₃”分子式最简单，习惯采用H₂SiO₃作为硅酸的代表。硅酸在水中溶解度较小，呈弱酸性。硅酸酸性比碳酸还弱，由反应可证明：
④保存：密封保存

硅酸的物理性质和化学性质：

（1）物理性质：不溶于水的白色沉淀原硅酸(H₄SiO₄)是白色胶状沉淀
（2）化学性质：
①不稳定性：
H₂SiO₃SiO₂+H2O
②与强碱反应：H₂SiO₃+2NaOH== Na₂SiO₃+2H₂O

硅酸的用途：

用作气体的吸附剂，油脂和蜡等的脱色剂，催化剂载体，以及分析化学试剂等。

硅酸的制取：

由可溶性硅酸盐稀溶液和酸作用制得正硅酸的不稳定水溶液，失水成偏硅酸即通称的硅酸。放置能缩合成多分子聚合物称硅酸溶胶(mSiO₂?nH₂O)，简称硅溶胶，加热脱水可得硅胶(多孔SiO₂含水4%)。由细孔球形硅胶用盐酸浸泡4～6h后用纯水洗涤，烘干72h，用纯水洗涤，再在70～80℃二次烘干制得。也可由硅酸钠与硫酸反应生成硅溶胶，经凝聚，一次洗涤，干燥，浓盐酸浸泡，二次洗涤，干燥而制得。

硅胶：

刚制得的硅酸是单个小分子，能溶于水，在存放过程中，它会逐渐失水聚合，形成各种多硅酸，接着就形成不溶于水，但又暂不从水中沉淀出来的“硅溶胶”。如果向硅溶胶中加入电解质，则它会失水转为“硅凝胶”。把硅凝胶烘干可得到“硅胶”。烘干的硅胶是一种多孔性物质，具有良好的吸水性。而且吸水后还能烘干重复使用，所以在实验室中常把硅胶作为干燥剂。

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