无机化学习题解答 第十五章 碳族元素
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C60。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，C60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：CaCO3?2HCl?CaCl2?CO2??H2O
工业法：
CaCO3CaOCO2
3．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ΔrGθ=ΔrHθ－TΔrSθ作ΔrGθ－T图，斜率为ΔrSθ，截距为ΔrHθ。
反应：C?O2?CO2 ΔrSθ≈ 0，所以为一直线 反应：2CO?O2?2CO2 ΔrSθ< 0，直线上斜 反应：2C?O2?2CO ΔrSθ> 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Mg2+和Ca2＋的溶液中加入等体积的0.20mol·dm-3的Na2CO3溶液，产生沉淀的情况有何不同，试讨论其规律性。 答：有CaCO3沉淀，也有MgCO3沉淀。
沉淀： CaCO3 MgCO3 Mg(OH)2
Ksp 2.9×10－9 3.5×10－8 1.8×10－11 溶液中[Ca2?]?[Mg2?]?0.20?12?0.1mol?L?1
加入Na 2CO3后溶液浓度为0.1mol/L。
2?溶液中[CO3]计算：
[OH?]?Kb1?C?Kw?C?Ka21?10?14?0.1?4.22?10?3mol?L?1 ?115.6?102_?∵ CO3?H2O?HCO3?OH?
0.1-x?? x x
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x2?Kb1?1.8?10?4
0.1?x2?[CO3]=0.1-x≈0.1 mol.L-1
2?Qi=[Ca2+][CO3]=0.1×0.1 =0.01﹥Ksp,CaCO3 =2.9×10－9
Qi>Ksp ，所以有CaCO3和MgCO3沉淀。
Qi＝[Mg2+][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．CCl4不易发生水解，而SiCl4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，CCl4无
空轨道可以接受水的配位，因此不水解。
SiCl4?4H2O?H4SiO4?4HCl↑
SiCl4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CCl4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ΔrS0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：C?H2O?CO?H2 298K，1.013×105Pa时
0o00?rGom??fGm(CO,g)??fGm(H2,g)??fGm(C,s)??fGm(H2O,g)??137.2?0?0?(?228.6)?90.8kJ·mol?1
?rGom?0，所以常温下水煤气反应不能自发。
（2）提高温度时：
C + H2O = CO + H2
?S0m 5.73 188.7 197.6 130
-1-1
?S0=197.6＋130－5.73－188.7＝133.17(J．mol.K) m第 2 页 2 无机化学习题解答 第十五章 碳族元素
?S0m>0，所以，升高温度对反应有利。
（3）平衡温度：T??rH0
?rS0求?rH0m：
C + H2O = CO + H2
?fH0m 0 -241.8 -110.5 0
?fH0m=－110.5－(－241.8)＝131.3 (kJ/mol)
?rH0131.3?103T???985.95(K)
133.17?rS07．比较CO和CO2的性质。如何除去CO中含有的少量CO2？如何除去CO2中含有的少量CO？
答： CO CO2
还原性 强 无 配位性 有 无 毒性 有 无
除去CO中含有的少量CO2，使气体通过Ca(OH)2溶液：
Ca(OH)2?CO2?CaCO3??H2O
除去CO2中含有的少量CO，使气体通过CuCl溶液（或PbCl2溶液）
COCuClH2OHClCu(CO)ClH2O
通过赤热的CuO粉末：CuO?CO?Cu?CO2
2??8．计算当溶液的pH分别等于4，8，12时，H2CO3，HCO3，CO3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
? (1) Ka1= 4.27×10－7 H2CO3?H??HCO3?2? (2) Ka2=5.6×10HCO3?H??CO3－11
?（1）pH＝4时 [H+]＝1×10－4 mol/L，则 [HCO3]＝1×10－4 mol/L
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?2?[H][CO]3因 ?Ka2 ?[HCO3]2?所以： [CO3]?5.6?10?11mol LH2CO3是二元弱酸，[H?]?Ka1·C
[H?]2(1.0?10?4)2 C???0.042(mo/lL) ?7Ka14.2?10∴ [H2CO3]=C0－[H+]=0.042－1.0×10－4≈0.0399 mol/L
H2CO3％??HCO3％?0.0399?100?95 0.0420.0001?100?0.24 0.0425.6?10?11CO％??100?1.33?10?7
0.0422?3（2）pH＝8时， [H+]＝1×10－8 mol/L， [OH－]＝1×10－6 mol/L
? HCO3?H2O?H2CO3?OH? Kh?Kw?2.38?10?8 Ka1已知： [OH－]=[H2CO3]=1×10－6 mol/L
开始时 CNaHCO3 = [H2CO3]＋[OH－] = 2[OH－] = 2×10－6 mol/L
?平衡时 [HCO3] = CNaHCO3－[OH－] =2×10－6－1×10－6＝1×10－6 mol/L
9. 烯烃能稳定存在，而硅烯烃如 H2Si-SiH2 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sp2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sp3杂化成键。
10．从水玻璃出发怎样制造变色硅胶？ 答：将Na2SiO3溶液与适量酸混合生成硅酸：
Na2SiO3 + 2H+ = SiO2.H2O + 2Na+
调节酸和Na2SiO3的用量，使生成的硅凝胶中含有8%~10%的SiO2，将生成
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