碳及其化合物的性质.doc

142碳及其化合物14.2.1碳单质1碳的同素异性体金刚石和石墨自然界有金刚石矿和石墨矿，我国的山东和辽宁也有集中的矿藏。平常所说的无定形碳，如木炭、焦炭、炭黑等实际上都具有石墨结构。用特殊方法制备的多孔性炭黑有较大的吸附能力，称之为活性炭，可用于脱色和选择性分离中，也可用作催化剂的载体等。石墨迁入化合物由于石墨的片层之间是以较弱的分子间力结合的，因而片层间结合松，许多体积较小的分子、原子、离子能渗入层间形成石墨化合物（包括插入化合物，间充化合物），其结果： 石墨膨胀（增加层间距离）； 化合物为非整比； 增加导电性（导体）或失去导电性（非导体） 导体（离子型）：结构特点是片层和 电子体系不变，顺磁性。（1）石墨吸收碱金属原子生成的化合物，颜色取决于被金属原子所占据的层数。 （2）Cl2、Br2、金属卤化物，氧化物（MOO3），硫化物（FeS2）等都可渗入碳碳层之间，且生成的化合物的导电性大大增强，导电机理是片层中电子从石墨传给扦入物，在片层中留下“空穴”而使片层也带电。 非导体（共价型）氟和氧（浓H2SO4，浓HNO3，KMnO4）与石墨形成的化合物，这些化合物中石墨层内的电子体系遭到破坏（C，sp3）碳的4个电子全部用于成键，杂化状态，sp2 sp3，碳原子也可能不共面了，但是连续的，所以化合物不导电。足球烯（富勒烯） 欧拉方程：面数(F) + 顶点数(V) 棱数(E) + 2根据欧拉定理，通过12个五边形和数个六边形的连接可以形成封闭的多面体结构：C60为第一个五边形间互不相邻的封闭笼状结构，其形状酷似足球，故称为球烯。亦称为富勒烯（建筑学家BuckminsterFuller）或布基球。C70为第二个五边形间互不相邻的封闭笼状结构，两个五边形相邻的最小碳笼为C50，三个五边形相邻的最小碳笼为C28，不存在六边形的最小碳笼为C20。科学家认为C60将是21世纪的重要材料。（1）C60分子具有球形的芳香性，可以合成C60Fn，作为超级润滑剂；（2）C60笼内可以填入金属原子而形成超原子分子，（CM C60M C48M C36M C24M C8M Cx-M+）作为新型催化剂或催化剂载体，具有超导性，掺K的C60，Tc= 18 K，Rb3C60Tc= 29 K，它们是三维超导体；（3）C60晶体有金属光泽，其微晶体粉末呈黄色，易溶于苯，其苯溶液呈紫红色。C60分子特别稳定，进行化学反应时，C60始终是一个整体。1991年日本SumioIijima用电弧放电法制备C60得到的碳炱中发现管状的碳管碳的壁为类石墨二维结构，基本上由六元并环构成, 按管壁上的碳碳键与管轴的几何关系可分为“扶手椅管”、“锯齿状管”和“螺管”三大类，按管口是否封闭可分为“封口管” 和“开口管”，按管壁层数可分为单层管（SWNT）和多层管（MWNT）。管碳的长度通常只达到纳米级（1nm10-9m）2碳的还原性冶金工业上，用碳还原金属氧化物制备金属，如： MgO + C Mg + CO(2000 K) 碳的氧化还原， 涉及到以下三个反应：把这三个反应的对温度 T作图14.2.2碳的氧化物碳的氧化物有CO、CO2、C3O2、C4O3、C5O2、C12O9等1一氧化碳CO（无色无臭有毒气体，在水中溶解度较小）结构：CO分子有10个价电子，与N2是等电子，故MO相同CO分子中O的电负性大于C，故一对电子偏向氧原子，但由于O原子反过来又向C原子提供一对电子，形成 配键，这样总的效果使各自的电子云不会发生太大的偏移。事实上，CO偶极矩接近于零，碳原子略带负电荷。本来C原子的电负性比O、N都要小，加之电子云密度有所增强，这样使得C原子比较容易向其它有空轨道的原子提供电子时或参加其它反应，（CO分子键能比N2大，但比N2活泼，配位能力更强）主要化学性质（1）是很好的配体 与过渡元素形成羰基化合物 如Fe(CO)5，Mn(CO)10，Ni(CO)4，Cr(CO)6。这是一大类化合物 与血液中携带O2的血红蛋白（Hb）形成稳定的配合物，使人在不知不觉地中毒死亡，空气中1 / 800的CO可能在半小时内使人死亡 工业上消去CO的方法 （2）CO的还原性 由于CO中C上电子密度增大，故C的一对弧电子易参与成键而体现还原性 COCl2 COCl2(碳酰氯，光气) 用于合成有机化合物2二氧化碳CO2性质及用途14.2.3碳酸及碳酸盐 H2CO3：C原子采用sp2杂化，与端O之间形成1个正常 键和1个正常键；羟基O原子采用sp3杂化，与C原子形成sp2sp3键。H2CO3分子中，2个H+对O2-的反极化作用与C的极化作用大致相同，两个极化作用使致H2CO3极不稳定，只存在于溶液之中碳酸盐的性质（1）溶解性 正盐中除碱金属（不包括Li+），铵及Tl+盐外多数碳酸盐的溶解度都很小，难溶于水，许多金属的酸式盐的溶解度大于正盐，但S(NaHCO3) S(Na2CO3)。 原因：是由于在NaHCO3溶液中从氢键相连成二聚离子，降低了它们的溶解度：（2）水解性 碱金属和铵的碳酸盐 溶于水 生成盐 Ca2+、Sr2+、Ba2+的MCO3 难溶 Al3+、Fe3+的碳酸盐 M(OH)3CO2 Cu2+、Zn2+、Pb2+、Mg2+ M2(OH)2CO3+CO2 （3）热稳定性M2CO3 M(HCO3)2 H2CO3 H+极化作用大Na2CO3 Na2O+ CO2(850 C) MgCO3 MgO+ CO2(540 C)NaHCO3 Na2CO3+ H2O+ CO2(270 C) H2CO3 H2O+ CO2 (常温) 均产生CO2气体，阳离子的极化作用越大, 越易分解。 14.2.4碳的其它化合物二硫化碳CS2（carbon disulfide）无色有毒，挥发性液体，分子无极性，空气中易着火，是很好的有机溶剂易水解：CS2+ 2H2O CO2+ 2H2S与碱性硫化物反应：Na2S+ CS2 Na2CS3H2CS3是高折射率油状物，易分解成H2S和CS2卤化物 CF4 CCl4 CBr4 CI4状 态 g l s s颜 色 无 无 谈黄 谈红 制备 CS2+ 2Cl2 CCl4+ S2Cl2(300 K) CH4+ 4Cl2 CCl4+ 4HCl(713K) 性质 CX4+ 2H2O(g) CO2(g) + 4HX(g) 不水解（从热力学上看是可行的）：CX4+ 2H2O(g) CO2(g) + 4HX(g) 它们之所以不能水解是由于在通常条件下缺乏动力学因素，碳的配位数已饱和，不能与水分子结合。从CF4 CI4随着键长的增大,键的强度减弱，稳定性减弱，活泼性增强。 对热和化学试剂稳定； 作灭火剂碳化物离子型碳与IA、IIA、IIIA族金属形成的碳化物，如Al4C3等不一定有离子键，但由于有典型的金属原子，故取名离子型。易水解。间充型重过渡金属半径大，在晶格中充