一、碳族元素
1. 碳族元素报括碳（C）、硅（Si）、锗（Ge）、锡（Sn）和铅（Pb）五种元素，位于元素周期表中的第ⅣA族。
2. 碳族元素原子的最外层都有4个电子，其最高正价为 +4价，最高价氧化物的化学通式为RO2，气态氢化物的化学通式为RH4。
3. 碳族元素的原子获得电子的能力较弱，失去电子的能力也不强，它们的主要化合价为+2、+4价，其中碳和硅还有负价。碳族元素的化合价多以+4价为主（+4价时稳定），而铅的化合价却以+2价为主（+2价时稳定）。
4. 碳族元素随着原子序数的增大，电子层数逐渐增多，原子半径逐渐增大，金属性逐渐增强，是一个典型的由非金属过渡到金属的一个完整族。其中碳、硅属于非金属，锗为准金属，而锡、铅为金属。
5. 碳族元素性质的变化规律：随着原子序数的增大，金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱；最高价氧化物对应的水化物的酸性逐渐减弱，碱性逐渐增强；气态氢化物的稳定性逐渐减弱，还原性逐渐增强。
二、单质碳的性质
1. 同素异形体：金刚石为原子晶体，石墨为过渡型晶体，C60、C70等为分子晶体。除此之外还有活性炭、无定性碳等新型的碳的单质。
2. 化学性质：① 可燃性：C + O2 CO2； 2C + O2 
2CO
② 还原性： C + H2OCO + H2（水煤气）
C + 2CuO 2Cu + CO2↑
3. 用途：金刚石用于切割、钻头、制装饰品等；石墨用于制造电极、铅笔芯、坩埚、润滑剂等。
三、一氧化碳的性质
1. 物理性质：无色无味、密度和空气相近气体，不溶于水，有毒。
2. 化学性质：① 可燃性：2CO + O2 2CO2
② 还原性：CO + CuO Cu + CO2（可以来除去CO）
3CO + Fe2O3 2Fe + 3CO2（炼铁）
CO+ H2OCO2 + H2（工业上用来制取氢气）
3. 毒性：CO有剧毒，与血液里的血红蛋白化合，使人体缺氧而死亡。CO是空气污染物之一，主要来自汽车的尾气、煤和石油的未充分燃烧及钢铁的冶炼等。
四、二氧化碳的性质
1. 物理性质：无色无味、密度比空气大的气体，能溶于水，固态的二氧化碳称为“干冰”。
2. 化学性质：① 氧化性： CO2 + C 2CO； CO2 + 2Mg 2MgO + C
② 酸性氧化物（酸酐）： CO2 + H2O
CO2 + Ca(OH)2 === CaCO3↓+ H2O；CO2 + CaCO3+ H2O === Ca(HCO3)2
3. 制取方法：① 工业制法：煅烧石灰石：CaCO3 CaO + CO2↑
② 实验室制法：石灰石与稀盐酸反应（不能用稀硫酸）
CaCO3 + 2HCl === CaCl2 + H2O + CO2↑
固体和液体混合不需要加热型制取气体，可用启普发生器或其简易装置。
4. 用途：制纯碱、汽水；灭火剂、干冰还用作制冷剂或人工降雨等。
五、碳及其化合物的转化
钟乳石、石笋的形成原因：
CO2 + CaCO3+ H2O === Ca(HCO3)2
Ca(HCO3)2 CO2↑+ CaCO3↓+ H2O
六、酸式盐性质的一般规律
1. 溶解性：一般来说，在相同的温度下，酸式盐的溶解性比正盐大，如CaCO3难溶于水，Ca(HCO3)2易容于水。但也有例外情况，如NaHCO3的溶解性就小于Na2CO3
2. 热稳定性：一般来说，在相同的条件下热稳定性的顺序为：正盐＞酸式盐＞多元酸（盐的阳离子相同，成盐的酸相同）。如：
2NaHCO3 Na2CO3 + H2O + CO2↑
Na2CO3 不分解 H2CO3
3. 酸式盐的特殊性质：
①. 强酸的酸式盐具有强酸的性质，如：
NaHSO4 + NaOH === Na2SO4 + H2O，NaHSO4 + HCl（不反应）
NaHSO4 + NaCl(s) Na2SO4 + HCl↑
②. 弱酸的酸式盐具有H+ 的某些性质
NaHCO3 + NaOH === Na2CO3 + H2O，Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 === 2CaCO3 + 2H2O
Ca (HCO3)2 + 2NaOH === CaCO3↓+ Na2CO3 + 2H2O
Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 === 2CaCO3↓+ Mg(OH)2↓+ 2H2O
③. 弱酸的酸式盐具还具有OH－的某些性质
NaHCO3 + HCl === NaCl + H2O + CO2↑
Ca(HCO3)2 + 2HNO3 === Ca(NO3)2+ 2CO2↑+ 2H2O
④. 弱酸酸式强碱盐水解的碱性比其相应正盐水解的碱性弱。如
NaHCO3水解：HCO3－+ H2O H2CO3 + OH－
Na2CO3水解： CO32－+ H2O HCO3－ + OH－（主要）
HCO3－+ H2O H2CO3 + OH－（次要）
七、硅及其化合物的特殊性
1. 碳族元素的主要化合价是“+2”、“+4”价，而硅通常表现为“+4”价。
2. 非金属单质一般为非导体，但硅却为半导体。
3. 在通常情况下，硅的化学性质不活泼，但在自然界里却没有单质硅存在。
4. 非金属氧化物一般为分子晶体，而SiO2却为原子晶体。
5. 非金属单质一般不与非氧化性酸反应，而硅却能够与氢氟酸反应，且有氢气生成。
Si + 4HF === SiF4↑+ 2H2↑
6. 非金属单质与强碱溶液反应一般不生成氢气，但硅与强碱溶液反应却生成氢气。
Si + 2NaOH + H2O === Na2SiO3 + 2H2↑
7. 硅的还原性比碳强，但碳在高温下却能从二氧化硅中还原出硅。这是因为在高温时，非水体系的反应有利于有气体生成的方向进行。2C + SiO2 Si + 2CO↑。
8. SiO2不溶于水，但其是硅酸的酸酐，因此硅酸不能用SiO2直接与水反应制得，只能采用可溶性硅酸盐与酸作用生成，如Na2SiO3 + 2HCl === 2NaCl + H2SiO3↓，SiO2即能与碱性氧化物反应，又能与强碱反应，如SiO2 + CaO CaSiO3，SiO2 + 2NaOH=== Na2SiO3 + H2O
9. CO2属于分子晶体，通常状况下是气体，但SiO2却是立体网状结构的原子晶体，因此二者的物理性质相差很大。
10. 酸性氧化物一般不与酸反应，但二氧化硅却能与氢氟酸反应，生成四氟化硅和水。SiO2+ 4HF === SiF4↑+ 2H2O，雕花玻璃就是利于该反应原理在玻璃上进行蚀刻制得的。
11. 无机酸一般易溶于水，而硅酸和原硅酸却难溶于水。
12. 在水溶液中，碳酸的酸性比硅酸强，因此二氧化碳能与硅酸钠反应生成碳酸钠和硅酸沉淀。CO2 + Na2SiO3 + H2O === Na2CO3 + H2SiO3↓，但在高温下碳酸钠与二氧化硅却能反应生成硅酸钠和二氧化碳，SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2↑，其原因是在高温条件下生成的二氧化碳离开反应体系而使反应进行到底。
13. 硅酸钠的水溶液俗称泡花碱或水玻璃，但它与玻璃的成分不同，其本身是盐溶液，不是碱溶液。
八、硅及其化合物的转化
九、关于Sn和Pb的活泼性与不同价态的稳定性
在金属活动性顺序表中，活泼性Sn＞Pb；在元素周期表中，活泼性Pb＞Sn。但两者并不矛盾。在金属活动性顺序中，指的是金属单质的活泼性，即金属单质在水溶液里失去电子的能力。而在元素周期表中指的是元素的原子失电子能力的强弱，即元素原子在气态时失电子的能力。所以单质Sn失电子能力强于单质Pb，而Pb原子的失电子能力强于Sn原子。
Sn的+4价稳定，而Pb的+2价稳定，由此可以推出如下结论：
（1）单质与非金属反应生成物的价态不同：
Sn + 2Cl2 SnCl4 Pb + Cl2PbCl2
（2）+4价铅的化合物具有强氧化性：
PbO2 + 4HCl PbCl2 + Cl2↑+ 2H2O
（3）+2价锡的化合物具有强还原性：、
SnCl2 + 2FeCl3 === SnCl4 + FeCl2
十、不用任何试剂鉴别溶液的重要方法——互滴法
两种物质相互反应时，由于用量不同，导致产物不同，因而互滴时现象也不同。例如向盐酸中滴入碳酸钠溶液，由于盐酸过量，发生反应：Na2CO3 + 2HCl === 2NaCl + H2O + CO2↑，现象是有气泡产生。反之，如果是向碳酸钠溶液中滴加盐酸，由于碳酸钠过量，先发生的反应是：Na2CO3 + HCl === 2NaCl + NaHCO3，故无明显现象，当继续滴加盐酸，后发生的反应是：NaHCO3 + HCl === NaCl + H2O + CO2↑，有气泡产生。
高中阶段常用互滴法鉴别的有如下几组：
①HCl和Na2CO3、②H2SO4和NaAlO2、③AlCl3和NaOH、④NaHSO4和Na2CO3、⑤FeCl3和Na2S、⑥AgNO3和NH3·H2O、⑦K2SO3和HCl、⑧Ba(OH)2和H3PO4等。
【例题1】下列所列各组物质中，物质之间通过一步反应就能实现如图所示转化的是
解析： A项：Al → AlCl3（2Al + 6HCl === 2AlCl3 + 3H2↑或2Al +3H2SO4 === Al2(SO4)3 + 3H2↑），AlCl3 → Al(OH)3 （AlCl3 +3NH3·H2O === Al(OH)3↓+ 3NH4Cl），Al(OH)3 → AlCl3（Al(OH)3 +3HCl === AlCl3 + 3H2O），Al(OH)3 → Al的转化必须经过Al(OH)3 → Al2O3（反应方程式为：2Al(OH)3 Al2O3+3H2O）和Al2O3 → Al（2Al2O34Al + 3O2↑）这两步，所以A项不选；B项：HNO3 → NO (3Cu + 8HNO3 === 3Cu(NO3)2 + 2NO↑+ 4H2O)，NO → NO2（2NO + O2 === 2NO2），NO2 → NO（3NO2 + H2O === 2HNO3 + NO），NO2 → HNO3（3NO2 + H2O === 2HNO3 + NO），所以B项正确；C项：Si → SiO2 （Si + O2=== SiO2），SiO2 → H2SiO3必须经过两步（SiO2 +2NaOH === Na2SiO3 + H2O、Na2SiO3 + H2O + CO2 === H2SiO3↓+ Na2CO3），D项：CH2＝CH2 → CH3CH2OH（CH2＝CH2 + H2OCH3CH2OH ），CH3CH2OH → CH3CHO（2CH3CH2OH + O22CH3CHO +2H2O），CH3CHO →CH3CH2OH（CH3CHO +H2CH3CH2OH），CH3CH2O →CH2＝CH2就必须经过两步（CH3CHO +H2CH3CH2OH和CH3CH2OH CH2＝CH2↑+2H2O）
答案：B
【例题2】下列关于硅单质及其化合物的说法正确的是
①硅是构成一些岩石和矿物的基本元素②水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐制品 ③高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维④陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料
A．①② B．②③ C．①④ D．③④
解析：光导纤维的成分是SiO2，③错；陶瓷的成分是SiO2，而不属于硅酸盐，④错。故A项正确。
答案：A
【例题3】碳族元素包括：C、Si、 Ge、 Sn、Pb。
（1）碳纳米管有单层或多层石墨层卷曲而成，其结构类似于石墨晶体，每个碳原子通过 杂化与周围碳原子成键，多层碳纳米管的层与层之间靠 结合在一起。
（2）CH4中共用电子对偏向C，SiH4中共用电子对偏向H，则C、Si、H的电负性由大到小的顺序为 。
（3）用价层电子对互斥理论推断SnBr2分子中Sn—Br的键角 120°（填“＞”“＜”或“＝”）。
（4）铅、钡、氧形成的某化合物的晶胞结构是：Pb4+ 处于立方晶胞顶点，Ba2+ 处于晶胞中心，O2-处于晶胞棱边中心，该化合物化学式为 ，每个Ba2+与 个O2-配位。
解析：（1）石墨的每个碳原子用sp2杂化轨道与邻近的三个碳原子以共价键结合，形成无限的六边形平面网状结构，每个碳原子还有一个与碳环平面垂直的未参与杂化的2P轨道，并含有一个未成对电子，这些平面网状结构再以范德华力结合形成层状结构。因碳纳米管结构与石墨类似，可得答案。（2）共用电子对偏向电负性大的原子，故电负性：C＞H＞Si。（3）SnBr2分子中，Sn原子的价层电子对数目是(4+2)/2=3，配位原子数为2，故Sn原子含有故对电子，SnBr2空间构型为V型，键角小于120°。（4）每个晶胞含有Pb4+：8×1/8＝1个，Ba2+：1个，O2－：12×1/4＝3个，故化学式为：PbBaO3。Ba2+处于晶胞中心，只有1个，O2-处于晶胞棱边中心，共12个，故每个Ba2+与12个O2-配位。
答案：（1） sp2 范德华力；（2） C＞H＞Si；（3） ＜（4）PbBaO3 12
【例题4】已知周期表中，元素Q、R、W、Y与元素X相邻。Y的最高化合价氧化物的水化物是强酸。回答下列问题：
（1）W与Q可以形成一种高温结构陶瓷材料。W的氯化物分子呈正四面体结构，W的氧化物的晶体类型是_______________；
（2）Q的具有相同化合价且可以相互转变的氧化物是_______________；
（3）R和Y形成的二元化合物中，R呈现最高化合价的化合物是化学式是_________；
（4）这5个元素的氢化物分子中，①立体结构类型相同的氢化物的沸点从高到低排列次序是（填化学式）____________，其原因是_______________；
②电子总数相同的氢化物的化学式和立体结构分别是_______________；
（5）W和Q所形成的结构陶瓷材料的一种合成方法如下：W的氯化物与Q的氢化物加热反应，生成化合物W(QH2)4和HCl气体；W(QH2)4在高温下分解生成Q的氢化物和该陶瓷材料。上述相关反应的化学方程式（各物质用化学式表示）是_______________。
【解析】本题可结合问题作答。W的氯化物为正四体型，则应为SiCl4或CCl4，又W与Q形成高温陶瓷，故可推断W为Si。（1）SiO2为原子晶体。（2）高温陶瓷可联想到Si3N4，Q为N，则有NO2与N2O4之间的相互转化关系。（3）Y的最高价氧化的的水化物为强酸，且与Si、N等相邻，则只能是S。Y为O，所以R为As元素。（4）显然X为P元素。①氢化物沸点顺序为NH3＞AsH3＞PH3，因为NH3分子间存在氢键，所以沸点最高。相对分子质量AsH3＞PH3，分子间的作用力AsH3＞PH3，故AsH3得沸点高于PH3。② SiH4、PH3和H2S的电子数均为18。结构分别为正四面体，三角锥和角形（V形）。（5）由题中所给出的含字母的化学式可以写出具体的物质，然后配平即可。
答案：（1）原子晶体。（2）NO2和N2O4（3）As2S5。（4）① NH3＞AsH3＞PH3，因为前者中含有氢键。② SiH4、PH3和H2S结构分别为正四面体，三角锥和角形（V形）。（5）SiCl4 + 4NH3 Si(NH2)4 + 4HCl，3Si(NH2)4 Si3N4 + 8NH3↑
【例题5】单晶硅是信息产业中重要的基础材料。通常用碳在高温下还原二氧化硅制得粗硅（含铁、铝、硫、磷等杂质），粗硅与氯气反应生成四氯化硅（反应温度450－500℃），四氯化硅经提纯后用氢气还原可得高纯硅。以下是实验室制备四氯化硅的装置示意图。
相关信息如下：
a.四氯化硅遇水极易水解；
b.硼、铝、铁、磷在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物；
c.有关物质的物理常数见下表：
物质 | SiCl4 | BCl3 | AlCl3 | FeCl3 | PCl5 |
沸点/℃ | 57.7 | 12.8 |
| 315 |
|
熔点/℃ | －70.0 | －107.2 |
|
|
|
升华温度/℃ |
|
| 180 | 300 | 162 |
请回答下列问题：
（1）写出装置A中发生反应的离子方程式 。
（2）装置A中g管的作用是 ；装置C中的试剂是 ；装置E中的h瓶需要冷却理由是 。
（3）装置E中h瓶收集到的粗产物可通过精馏（类似多次蒸馏）得到高纯度四氯化硅，精馏后的残留物中，除铁元素外可能还含有的杂质元素是 （填写元素符号）。
（4）为了分析残留物中铁元素的含量，先将残留物预处理，是铁元素还原成Fe2+ ，再用KMnO4标准溶液在酸性条件下进行氧化还原滴定，反应的离子方程式是：
5Fe2+ + MnO4－ + 8H+ === 5Fe3+ + Mn2++4H2O
①滴定前是否要滴加指示剂？ （填“是”或“否”），请说明理由 。
②某同学称取5.000g残留物，预处理后在容量瓶中配制成100ml溶液，移取25.00ml，试样溶液，用1.000×10－2mol·L－1KMnO4标准溶液滴定。达到滴定终点时，消耗标准溶液20.00ml,则残留物中铁元素的质量分数是 。
解析：制备四氯化硅的原料为Cl2和Si。A装置为Cl2的制备装置，B、C装置为除杂装置。先用B除去HCl，再用C（浓H2SO4）除去H2O蒸气。Cl2通入粗硅中反应，用冷水将产生SiCl4冷凝即可。（1）制取氯气用浓盐酸和MnO2在加热条件下反应。（2）g管是将分液漏斗与烧瓶相连，则它们中的压强是相待的，这样便于盐酸能顺利滴下。SiCl4的沸点很低，只有57.7℃，而反应的温度达几百度，故需要冷凝收集。（3）从物质的物理性质表可发现，AlCl3，FeCl3和PCl5均易升华，故还应还有Al、P、Cl元素。（4）由于高锰酸钾本身是紫红色的，与Fe2+反应时，可以褪色，故而可以作为指示剂。根据方程式可以找出关系，5Fe2+ ~ MnO4－ ，n(Fe)＝10－2×20×10－3×5×100/25 ＝4×10－3mol。W (Fe)＝ 4×10－3×56/5 ×100% ＝4.48%。
答案： (1)MnO2 + 4H+ + 2Cl－
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