第七章 碳和硅.doc

第七章 碳和硅一、碳族元素二、碳及其化合物三、硅及其化合物四、硅酸盐工业第一部分 碳族元素一、1、碳族元素6C、14Si、32Ge、50Sn、82Pb 2、碳族元素在周期表中位置处在活泼金属（A）向活泼非金属（A）过渡的中间位置 3、碳族元素原子结构特点最外层电子难得难失R 难形成简单离子难形成离子键，易形成共价键（C、Si最为典型） Pb(Ac)2 离子型共价型 4、碳族元素的化合价特点主要化合价：+2、+4、(-4)Pb：+2价稳定；其余+4价稳定Si一般不显+2价发散：SiO在自然界不存在，但能按下法制备：SiO2 + Si = SiO。SiO在1800真空为黄褐色物质。SiO蒸冷却时分解为SiO2和Si。SiO在工业上称单氧硅，是绝缘材料。 5、C存在游离态；Ge、Sn、Pb无游离态。二、递变性 1、单质密度（金刚石例外） 2、单质熔点CSi（原子晶体）：熔沸点降低GeSnPb（金属晶体）：熔沸点降低（Sn、Pb反常） 3、氢化物稳定性依次减弱（GePb的氢化物不直接化合） 4、最高价氧化物对应水化物的酸性减弱 H4RO4；(H2RO3)三、特殊性 1、四种晶体类型原子晶体（金刚石、晶体硅、晶体锗）分子晶体：C60、C70金属晶体：Sn、Pb过渡晶体：石墨 2、碳的化合物种类多 3、Sn、Pb的金属性与金属活动性不一致金属性：Pb Sn金属活动性：Sn Pb 4、化合价稳定性物质的氧化性、还原性CO、SnCl2强还原性PbO2强氧化性2Fe3+ + Sn2+ = 2Fe2+ + Sn4+PbO2 + 2Cl+ 4H+ = Pb2+ + Cl2+ 2H2O5PbO2 + 2Mn2+ + 4H+ = 5Pb2+ + 2MnO4+ 2H2O第二部分 碳及其化合物一、碳的单质 1、同素异形体 （1）金刚石：无色透明晶体，坚硬，不导电。 （2）石墨：深灰色固体，导电（石墨炸弹）木炭活性炭（具有吸附性） （3）无定形碳实际上是石墨的微小晶体和少量杂质 （4）球碳分子 2、性质 （1）稳定性：难氧化、难还原 （2）还原性：C + CuO = 2Cu + CO2C + Cl2 = CCl4C + 2S = CS2C + 4HNO3 = CO2+ 4NO2+ 2H2O一般地，C被氧化的产物可以是CO，也可以是CO2。当环境温度较高T1000，主要生成CO。当环境温度较高T710，主要生成CO2。O2CO2O2 （3）可燃性：C高温 （4）氧化性高温C + 2H2 = CH4高温C + Si = SiC3C + CaO = CaC2 + CO二、碳的氧化物 1、CO2 O=C=O （1）直线型分子晶体 （2）性质：无色略带酸，微溶，无毒（但空气中含量过量产生窒息）不支持燃烧（相对）点燃氧化性：CO2 + C = 2COCO2 + Mg = MgO + C3CO2 + 4Na = 2Na2CO3 + C酸 酐：CO2 + H2O H2CO3CO2 + NH3 + H2O = NH4HCO3CO2 + CaO = CaCO3CO2 + NaOH = NaHCO3CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O发散1、用NaOH、CO2如何制Na2CO3 .催2、CO2 + 2NH3 = CO(NH2)2 + H2O 2、CO （1）物性：无色、无味、难溶、有毒（与血红蛋白作用）高温 （2）化性还原性点燃Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2（炼铁）高温2CO + O2 = 2CO2（淡蓝色火焰）CO + H2O = CO2 + H2（碳族元素其它RO均不与水反应）浓H2SO4 （3）制法浓H2SO4HCOOH = CO + H2O（注：H2C2O4 = CO+ CO2+ H2O）三、碳酸、碳酸盐 1、碳酸O| （1）结构：HOCOH （甲酸的氧化产物） （2）二元弱酸 HClO、H2SiO3、H2S、能使石蕊变红OH酸性成盐：正盐、酸式盐2 2、碳酸盐O| （1）CO32： OCO 平面三角形 （2）性质溶解性a. 正盐：铵盐和碱金属易溶于水b. 酸式盐：均溶于水水解性呈碱性a. CO32 水解只水解，程度大b. HCO32 水解HCO3 水解程度大于电离程度c. 双水解Al3+、Fe3+Al(OH)3、Fe(OH)3CO2、HCO3CO22Cu2+ + 2CO32 + H2O = Cu2(OH)2CO3 + CO2热稳定性a. 正盐 酸式盐CaCO3、ZnCO3、PbCO3加热分解Na、K、Ba的碳酸盐高温难分解b. 300NaHCO3 Na2CO3 + CO2 + H2OCa(HCO3)2、Mg(HCO3)2低于100可分解c. 酸解H+H+ CO32 HCO3 H2CO3 CO2 H2O2H+四、硫化物和氯化物 1、CS2 （1）S=C=S （2）无色有毒挥发性液体 （3）不溶于水，易溶解S单质，P4 （4）易燃 2、CCl4 （1）正四面体，非极性溶剂。 （2）无色液体，有机溶剂。 （3）较稳定，不易燃，常用作高效灭火剂。第三部分 硅及其化合物在美国旧金山，有一个最大高科技工业园区，称之为“硅谷”，它是现代电子工业和计算机发展的基地。一、硅的单质 1、硅的存在 硅在地壳中含量仅次于氧，只以化合态存在于自然界。硅酸盐无定形：灰黑色粉末晶形：银灰色，有金属光泽，硬而脆，原子晶体（与金刚石结构相似） 2、物性同素异形体半导体（Ge）电子工业 3、化性主要非金属性质（难金属、类金属、半金属） （1）常温下Si + 2F2 = SiF4Si + 4HF = SiF2+ H2发散：Si在含氧酸中被钝化不反应Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2发散1、与NaOH溶液反应产生H2实与H2O反应非金属单质：Si金属：碱金属、碱土金属、Al2、Si与NaOH溶液反应实质4e Si + 3H2O = H2SiO3 + 2H2 H2SiO3 + 2NaOH = Na2SiO3 + 2H2OSi + O2 = SiO2Si + 2H2 = SiH4Si + 2Mg = Mg2Si （2）常温下873K673K Si + 2Cl2 = SiCl41573K 3Si + 2N2 = Si3N42273K Si + C = SiCSi + FeO = SiO 2 + Fe（炼钢脱氧）发散：SiCl4（L）水解SiCl4 + 4H2O = H4SiO4+ 4HCl（白雾） 3、工业制法焦炭电炉H2高TSiOSi (粗)SiCl4Si (纯)99.9999%3273KSiO2 + 2C = Si + 2COSi (粗) + 2Cl = SiCl4 (L)高TSiCl4 + 2H2 = Si (纯) + 4HCl二、硅的氢化物 硅与碳相似，有一系列氢化物，不过由于硅自相结合成链的能力比碳差，生成的氢化物要少得多。到目前为止，已制得的硅烷不到12种。 1、如：SiH4 (g) Si2H6 (g) Si3H8 (L) Si4H10 (L) 一硅烷 二硅烷 甲硅烷 2、生成（由于硅与H2直接反应较难）常用金属硅化物与酸反应Mg2Si + 4HCl = SiH4+ 2MgCl2 3、性质活泼 （1）自燃：SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2H2O （2）强还原性：SiH4 + 2KMnO4 = 2MnO2+ H2+ K2SiO3 + H2O（检验硅烷） （3）分解：热稳定性差1873K773K SiH4 = Si + 2H2（制高纯硅）三、含氧化合物SiO2（SiO只有在高温下存在 Si + SiO2 = SiO） 1、结构（比较CO2）|O|O|CO2： O=C=OEC=0RC 直线型分子晶体SiO2：OSiOESiORSi空间网状结构原子晶体 2、形态及物理性质SiO2也叫硅石（石英主要成分：SiO2）形态（天然）a. 晶态石英矿 纯石英水晶(透明，棱柱状石英)，立体网状结构，原子晶体（紫水晶、玛瑙、碧玉是含杂质有色晶体）（砂子也混有石英细粒）b. 无定形态：硅澡土：多孔、质轻、松软、表面积大、吸附剂、催化剂载体、保温材料熔融冷却 3、硬度大、熔点高 4、石英玻璃（1）石英 硬化石英玻璃（成分：SiO2，区别普通Na玻璃）晶体排列打乱（2）石英玻璃：热膨胀系数小，耐受温度剧变，能透过紫外线，光学仪器，光导纤维。 3、化性不活泼 （1）酸酐（但不与H2O反应）高温SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O（碱对玻璃腐蚀）高温SiO2 + CaO = CaSiO3（炼铁炉中造渣反应）（玻璃熔炉中的主反应）高温SiO2 + CaCO3 = CaSiO3 + CO2SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2 （2）特性高TSiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O（HF对玻璃的腐蚀）SiO2 + 2Mg = 2MgO + Si2Mg + Si = Mg2Si高TMgO + SiO2 = MgSiO3SiO2 + 2C = Si + 2CO 4、用途制造光导纤维、光学仪器、玻璃原料、建筑材料四、硅酸（硅酸、原硅酸和由它们缩小结合而成酸） 1、原硅酸OH | |OHHOSiOH 不稳定，在空气中易发水，几乎不溶于水很弱的酸O| 2、硅酸：HOSiOH 难溶弱酸（H2CO3） 水溶液胶体H2SiO3 = SiO2 + H2O 3、制取：可溶盐加酸空气中失水HCl或CO2Na2SiO3 H4SiO4 H2SiO3不是“风化”白色胶状 白色粉状 4、多硅酸x SiO2yH2OOH |OH | |OH |OH二硅酸：HOSiOSiOHOH |OH | |OHOH | |OH |OH三硅酸：HOSiOSiOSiOHn硅酸：H2n+2SnO3n+1 nH4SiO4 (n 1)H2O 5、硅胶 （1）是单分子硅酸逐渐缩合失水变为多酸时，形成硅酸凝胶，将凝胶洗涤除去可溶性盐类，烘干胶水后形成。 （2）约含水4%的SiO2，化学式为mSiO2nH2O （3）多孔性固体，表面积大，吸附能力强。 （4）干燥剂、吸附剂、催化剂载体对H2O、BCl3、PCl5等极性物质有较强吸附作用 （5）常呈淡蓝色，添加无水CaCl2表示吸水程度吸水粉红色五、硅酸盐（硅酸、原硅酸和由它们缩水结合而成的各种酸所对应的盐） 1、典型Na2SiO3Na2SiO3水溶液俗称“水玻璃”、“泡花碱”，无色粘稠液体。矿物胶不能用带玻璃塞的玻璃装反应：Na2SiO3 + CO2 + H2O = Na2CO3 + H4SiO4（密封保存）HCl、H2SO4 用途：矿物胶、防腐剂、耐火材料 2、表示方法x金属氧化物ySiO2zH2O正长石：KAlSi3O8：K2OAl2O36SiO2白云母：KAl2Si3AlO10(OH)2 ：K2O3Al2O36SiO22H2O高岭石：Al2(Si2O5)(OH)4 ：Al2O32SiO22H2OV最外层达8电子钾钒铀矿：K2H6U2V2O15 K2OV2O52VO33H2O第四部分 硅酸盐工业一、比较水泥和玻璃的生产方法水 泥玻 璃主要设备回转窑玻璃熔炉原 料石灰石、粘土纯碱、石灰石、石英（过量）反应原理发生复杂的物理、化学变化高温高温Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2主要成分3CaOSiO2、2CaOSiO2、3CaOAl2O3Na2SiO3、CaSiO3、SiO2反应条件高 温高 温添 加 剂石 膏PbO、硼砂、Co2O3、Co2O等1、玻璃态物质指没有固定熔点，能在一定温度内软化的非晶体物质，一般属于混合物，混合物有固定的熔沸点，纯净物有固定熔沸点。2、玻璃既不是晶体，也不是上述物质（Na2SiO3、CaSiO3、SiO2）机械混合，而是构成复杂的玻璃态物质。STS内容专题讲座新型无机材料 1、新型无机材料 材料可以分为金属材料、有机高分子材料和无机材料三大类。本课所要介绍的新型无机材料主要是指近几十年来所发展起来的以特种陶瓷为代表的一些新型材料。 这些新型无机材料与传统的无机材料主要有以下区别： （1）其生产原料不是直接取自自然界，而是通过化学过程加工制得。 （2）其化学组成已远远超出了硅酸盐范围，既有氧化物，含氧酸盐，也有氮化物、碳化物、硼化物等。 （3）其制造工艺有了重大发展，传统的陶瓷工艺虽然还常常采用，但工艺条件的控制要求更为严格。 新型无机材料按其在使用中的作用和要求可分为结构材料和功能材料。 结构材料：主要是应用于一些极端条件下具有耐高温、耐化学腐蚀、耐热冲击的坚固耐用材料。例如用作钠光灯管的透明氧化铝陶瓷就是一种能在1000以上高温下工作，并具有良好透光性能的新型结构材料。 功能材料：功能材料则是利用其所具有特殊的力学、热学、光学、磁学、电学及化学性质来完成特定功能的材料。例如电视机显像管中的萤光体，具有受到电子轰击时高效率地放出红、蓝、绿光的性质，显像管就是利用它的这种性质来完成显示图像功能的，荧光体就是一种无机功能材料。 纳米粒子是指粒径为1nm至100nm的超细微粒由于表面效应和体积效应，纳米粒子常有奇特的光、电、磁、热性质。故可开发为新型功能材料。 人工制造纳米材料的历史至少可以追溯到一千多年前。中国古代铜镜表面的防锈层，经证实为氧化锡钠米粒子构成的薄膜。 2、新型无机材料的特性 （1）能承受高温，强度高。例如：氮化硅陶瓷在1200左右的高温下，仍具有很高的强度，可用来制造汽轮机叶片、轴承、永久性模具等。 （2）具有电学特性。一些新型无机非金属材料可以作绝缘体，有的可作半导体、导体、超导体等。一些绝缘性材料常被用于集成电路的基板。 （3）具有光学特性。有些新型无机非金属材料能发出单色的光，有的能透过可见光。有的能使红外线、雷达射线穿过。（4）具有生物功能。一些新型无机非金属材料强度高、无毒、不溶于水，对人体组织有较好的适应性，可直接植于人体内，用这类材料制成的人造牙齿、人造骨骼，已被应用在医学上。两种新型无机非金属材料： 高温结