第十五章 碳族元素1．碳单质有哪些同素异形体？其结构特点及物理性质如何？答：碳单质有三种同素异形体：石墨，金刚石和C 60。

结构分为层状，网状和球状，见教材p730-732。

物理性质主要是石墨能导电，金刚石硬度大，C 60有超导性。

2．实验室里如何制取二氧化碳气体？工业如何制取二氧化碳气体？ 答：实验室法：O H CO CaCl HCl 2CaCO 2223+↑+=+工业法：CaCO 3CaOCO 23．图15－6中，三条直线相交于一点，这是必然的还是偶然的，试讨论其原因。

答：是一种必然。

在Ellingham 图中，以ΔrG θ=ΔrH θ－TΔrS θ作ΔrG θ－T 图，斜率为ΔrS θ，截距为ΔrH θ。

反应：22CO O C =+ ΔrS θ≈ 0，所以为一直线 反应：22CO 2O CO 2=+ ΔrS θ< 0，直线上斜 反应：CO 2O C 22=+ ΔrS θ> 0，直线下斜 所以三线相交于一点是必然的。

3.分别向0.20mol·dm -3的Mg 2+和Ca 2＋的溶液中加入等体积的0.20mol·dm -3的Na 2CO 3溶液，产生沉淀的情况有何不同，试讨论其规律性。

答：有CaCO 3沉淀，也有MgCO 3沉淀。

沉淀： CaCO 3 MgCO 3 Mg(OH)2K sp 2.9×10－9 3.5×10－8 1.8×10－11 溶液中122L mol 1.02120.0]Mg []Ca [-++•=⨯==加入Na 2CO 3后溶液浓度为0.1mol/L 。

溶液中-23CO []计算：11431112110[]0.1 4.22105.610b Kw COH K C mol L Ka -----⋅⨯=⋅==⨯=⨯•⨯ ∵ --+=+OH HCO O H CO 32_230.1-x x x1241.8100.1b x K x-==⨯-[CO -23]=0.1-x≈0.1 mol.L -1Q i =[Ca 2+][CO -23]=0.1×0.1 =0.01﹥K sp ,CaCO 3 =2.9×10－9Q i >Ksp ，所以有CaCO 3和MgCO 3沉淀。

Q i ＝[Mg 2+][OH －]2=0.1×(4.221×10－3)2＝1.78×10－7>Ksp,Mg(OH)2= 1.8×10－11∴ 也有Mg(OH)2沉淀。

5．CCl 4不易发生水解，而SiCl 4较易水解，其原因是什么？答：C 为第二周期元素，只有2s ，2p 轨道可以成键，最大配位数为4，CCl 4无空轨道可以接受水的配位，因此不水解。

HCl 4SiO H O H 4SiCl 4424+=+↑SiCl 4中Si 为第三周期元素，有d 轨道，可以接受水分子中的氧原子的孤对电子形成配位键生成五配位的中间体而发生水解；而CCl 4中的C 原子无空d 轨道。

6．通过计算回答下述问题：（1）在298K ，1.013×105Pa 下生成水煤气的反应能否自发进行？（2）用ΔrS 0值判断，提高温度对生成水煤气反应是否有利？（3）在1.013×105Pa 下，生成水煤气的反应体系达到平衡时的温度有多高？ 解：（1）水煤气反应：22H CO O H C +=+ 298K ，1.013×105Pa 时10)g ,O H (m f 0)s ,C (m f o )g ,H (m f 0)g ,CO (m f o m mol·kJ 8.90)6.228(002.137G G G G rG 22-=---+-=∆-∆-∆+∆=∆0rG o m >∆，所以常温下水煤气反应不能自发。

（2）提高温度时：C + H 2O = CO + H 20m S ∆ 5.73 188.7 197.6 1300m S ∆=197.6＋130－5.73－188.7＝133.17(J ．mol -1.K -1)0m S ∆>0，所以，升高温度对反应有利。

（3）平衡温度：00rSrH T ∆∆=求0m rH ∆：C + H 2O = CO + H 20m f H ∆ 0 -241.8 -110.5 00m f H ∆=－110.5－(－241.8)＝131.3 (kJ/mol))K (95.98517.133103.131rS rH T 30=⨯=∆∆=7．比较CO 和CO 2的性质。

如何除去CO 中含有的少量CO 2？如何除去CO 2中含有的少量CO ？答： CO CO 2还原性 强 无 配位性 有 无 毒性 有 无除去CO 中含有的少量CO 2，使气体通过Ca(OH)2溶液：O H CaCO CO )OH (Ca 2322+↓=+除去CO 2中含有的少量CO ，使气体通过CuCl 溶液（或PbCl 2溶液）COCuClH 2O Cu(CO)Cl H 2OHCl通过赤热的CuO 粉末：2CuO CO Cu CO +=+8．计算当溶液的pH 分别等于4，8，12时，H 2CO 3，-3HCO ，-23CO 所占的百分数。

答：当pH ＝4，8，12时，溶液中[H +]＝10－4，10－8，10－12 mol/L-++⇔332HCO H CO H (1) Ka 1= 4.27×10－7 -+-+⇔233CO H HCO (2) Ka 2=5.6×10－11（1）pH ＝4时 [H +]＝1×10－4 mol/L ，则 [-3HCO ]＝1×10－4 mol/L因 2323Ka ]HCO []CO ][H [=--+ 所以： Lmol 106.5]CO [1123--⨯= H 2CO 3是二元弱酸，C ·Ka ]H [1=+)L /mol (042.0102.4)100.1(Ka ]H [C 72412=⨯⨯=≈--+ ∴ [H 2CO 3]=C 0－[H +]=0.042－1.0×10－4≈0.0399 mol/L95100042.00399.0CO H 32=⨯=％ 24.0100042.00001.0HCO 3=⨯=-％ 711231033.1100042.0106.5CO ---⨯=⨯⨯=％（2）pH ＝8时， [H +]＝1×10－8 mol/L ， [OH －]＝1×10－6 mol/L--+⇔+OH CO H O H HCO 3223 81h 1038.2Ka KwK -⨯==已知： [OH －]=[H 2CO 3]=1×10－6 mol/L开始时 C NaHCO3 = [H 2CO 3]＋[OH －] = 2[OH －] = 2×10－6 mol/L平衡时 [-3HCO ] = C NaHCO3－[OH －] =2×10－6－1×10－6＝1×10－6 mol/L9. 烯烃能稳定存在，而硅烯烃如 H 2Si-SiH 2 却难以存在。

其原因是什么？ 答：与C 和Si 的半径大小和电负性差别有关。

C 原子半径小，电负性大，除形成C －C σ键外，p 轨道按肩并肩在较大重叠，还可形成σ＋π的C=C 双键或σ＋2个π键的C≡C 叁键，而且键能大，故烯烃可稳定存在，且数量多，C 以sp 2和sp 杂化形成重键；Si 的半径大，电负性小，p 轨道肩并肩重叠很少，不能有效地形成π键，因而Si 只能形成Si －Si 单键，Si=Si 难以存在，Si 只能以sp 3杂化成键。

10．从水玻璃出发怎样制造变色硅胶？ 答：将Na 2SiO 3溶液与适量酸混合生成硅酸：Na 2SiO 3 + 2H + = SiO 2.H 2O + 2Na +调节酸和Na 2SiO 3的用量，使生成的硅凝胶中含有8%~10%的SiO 2，将生成物放置一天，用热水洗去盐分如NaCl ，将凝胶在60－70℃下烘干，徐徐升温至300℃即得多孔硅胶。

将硅胶干燥活化前先用CoCl 2溶液浸泡，再经干燥得变色硅胶。

11．用化学方程式表示单质硅的制备反应，单质硅的主要化学性质，二氧化硅的制备和性质。

答：（1）制备单质Si ：SiO 2C1600-1800℃2CO Si (95％）Si2Cl 2SiCl 4450-500℃SiCl 42H 2Si 4HCl1150-1200％Mo 丝（2）单质硅的主要化学性质SiO 2SiO 2Si2Cl 2SiCl 4Si 与F 反应燃烧Si2OH -2H 2OSiO 32-2H （3）SiO 2的制备：↑+=+=++++↑=+-23232222322622242CO SiO Na CO Na 2SiO OH SiO OH 2SiO O H 2SiF H (HF 6SiO OH SiF )g (HF 4SiO ＋液）＝－（4）SiO 2的性质：SiO 2属于原子晶体，熔点高，硬度大，难熔化。

12．什么是沸石分子筛？试述其结构特点和应用？答：自然界中存在的某些网络状的硅酸盐和铝酸盐具有笼形结构，这些均匀的笼可以有选择地吸附一定大小的分子，即起到筛分子的作用，这种作用叫做分子筛作用。

通常把这样的含有结晶水的多孔结构的天然铝硅酸盐（Na 2O·Al 2O 3·2SiO 2·nH 2O ）叫做沸石分子筛。

主要应用于吸收或失去能进入网孔通道的小分子，有些大分子则不能通过。

A 型分子筛中，所有硅氧四面体和铝氧四面体通过共用氧原子联结成多元环。

13．实验室中配制SnCl 2溶液时，要采取哪些措施？其目的是什么？答：因为氯化亚锡极易水解，生成Sn(OH)Cl 沉淀，此沉淀一旦生成很难再溶于HCl 中。

所以配置氯化亚锡溶液时，应先将固体溶于适量浓盐酸中，然后再加水稀释。

HCl Cl )OH (Sn O H SnCl 22+↓=+另外，配好的溶液久置或使用后Sn 2+易被空气中的氧气氧化为Sn 4+而失效： O H Sn H 2O Sn 22422+=+++++所以，配置好的溶液中应加几颗锡粒，以维持Sn 2+的浓度: Sn 4+ + Sn = 2Sn 2+14．单质锡有哪些同素异形体，性质有何异同？α－锡酸和β－锡酸的制取和性质方面有何异同？答：锡有三种同素异形体：脆锡白锡灰锡−−→←−−→←K434K 286（α） （β） （γ） 立方晶系 四方晶系 正交晶系在常温下白锡是稳定态，低于286K 时，灰锡是稳定态，高于434K 时脆锡稳定。

实验室中常用的是白锡。

锡与浓硝酸反应得β－H 2SnO 3：O H NO 4SnO H HNO 4Sn 22323+↑+=+ 而SnCl 4与NH 3·H 2O 反应可得α－H 2SnO 3： Cl NH 4)OH (Sn O H ·NH 4SnCl 44234+↓=+α－H 2SnO 3溶于酸碱，而β－H 2SnO 3是晶态的，不溶于酸碱：624)OH (Sn Na NaOH 2)OH (Sn =+ O H 4SnCl HCl 4)OH (Sn 244+=+ 15．试述铅蓄电池的基本原理。