第3章-碳族元素.ppt

第三章碳族元素 1 碳族元素概述2 碳族元素的单质3 碳的化合物4 硅的化合物5 锡和铅的化合物 碳族 IVA C Si Ge Sn Pb 价电子构型 ns2np2 氧化值 最大配位数 单质可形成原子晶体 金属晶体 1 碳族元素概述 存在形式 碳 金刚石 石墨 煤 石油 天然气 碳酸盐 CO2 硅 SiO2和各种硅酸盐锗 硫银锗矿4Ag2S GeS2 硫铅锗矿2PbS GeS2 锡 锡石SnO2 铅 方铅矿PbS 白铅矿PbCO3 2 1碳单质 一 碳的同素异形体 金刚石 石墨 碳 60 金刚石晶莹美丽 光彩夺目 是自然界最硬的矿石 在所有物质中 它的硬度最大 在所有单质中 它的熔点最高 达3823K 石墨很软 具有润滑性 导电导热 密度比金刚石小 熔点比金刚石仅低50K 为3773K 1996年10月7日 瑞典皇家科学院决定把1996年诺贝尔化学奖授予RobertFcurl Jr 美国 HaroldWKroto 英国 和RichardESmalley 美国 以表彰他们发现C60 2 碳族元素的单质 金刚石 sp3杂化 石墨 sp2杂化 层状结构 三种碳单质的分子结构图 sp2杂化 足球烯 富勒烯 C60 二 用途和性质 金刚石俗称钻石 除用作装饰品外 主要用于制造钻探用的钻头和磨削工具 是重要的现代工业原料 价格十分昂贵 由于石墨能导电 有具有化学惰性 耐高温 易于成型和机械加工 所以石墨被大量用来制作电极 高温热电偶 坩埚 电刷 润滑剂和铅笔芯 C60可做超级耐高温的润滑剂 被视为 分子滚珠 把K Cs Tl等金属原子掺进C60分子的笼内 就能使其具有超导性能 可用于制成低耙能电机 再有C60H60这些相对分子质量很大地碳氢化合物热值极高 可做火箭的燃料 2 2硅单质 硅是本族元素丰度最大的元素 在所有元素中居于第二 它是构成自然界矿物的主体元素 主要以氧化物和硅酸盐的形式存在 一 硅的制备 电炉2C SiO2 Si 2CO 723 773KSi 粗硅 2Cl2 SiCl4SiCl4 2H2 Si 纯 4HCl 用碳或碳化钙在电炉中还原二氧化硅可得到粗硅 经过精炼可得到纯硅 纯硅用区域熔融法可以得到高纯硅 二 物理性质 硅单质 无定形硅 单晶硅 多晶硅 硅晶体为原子晶体 熔点高 可导电 导电率随温度的升高而增大 是碘型的半金属 多晶硅与单晶硅的差异主要表现在力学性质 电学性质等物理性质方面 多晶硅均不如单晶硅好 无定形硅是一种黑灰色的粉末 化学性质比晶态活泼 多晶硅可作为拉制单晶硅的原料 单晶硅可算得上是世界上最纯净的物质了 一般的半导体器件要求硅的纯度六个9以上 大规模集成电路的要求更高 硅的纯度必须达到九个9 目前 人们已经能制造出纯度为十二个9的单晶硅 单晶硅是电子计算机 自动控制系统等现代科学技术中不可缺少的基本材料 三 化学性质 与非金属反应 Si F2 SiF4 Si 2X2 SiX4 X Cl Br Si O2 SiO21573K3Si 2N2 Si3N4 Si在含氧酸中被钝化 但与氢氟酸及其混合酸反应 生成SiF4或H2SiF6 3Si 4HNO3 18HF 3H2SiF6 4NO 8H2O 2 与酸反应 常温下Si只能与F2反应 在F2中燃烧 生成SiF4 3 与碱反应 无定形硅能与强碱反应放出氢气 Si 2NaOH H2O Na2SiO3 2H2 4 与金属反应 与钙 镁 铜 铁等化合生成硅化物 高温Si 2Mg Mg2Si 锗单质是灰白色金属 硬而脆 结构类似于金刚石 锡单质有三种同素异形体 灰锡 锡 白锡 锡 脆锡铅单质 质软 能阻挡X射线 可作电缆的包皮 核反应堆的防护屏 碳的绝大部分化合物是有机物 无机物主要是氧化物和碳酸盐等 一 氧化物 1 一氧化碳 CO和N2是等电子体 因此它们分子结构是相似的 CO KK 2s 2 2s 2 y2p 2 z2p 2 2p 2 C O C O 结构式 制备 工业水煤气法 C H2O CO H2 主要的 CO H2O CO2 H2实验室法 浓H2SO4HCOOH CO H2O加热 注意 CO有毒 制备应在通风橱中进行 3 碳的化合物 性质 还原性 CO PdCl2 H2O CO2 Pd 2HClCO 2Ag NH3 2OH 2Ag NH4 2CO3 2NH3高温还原 Fe2O3 3CO 2Fe 3CO2CuO CO Cu CO2 上两反应可用于检验CO的存在 羰基化反应 CO容易与 B B 族金属形成羰基配合物 如Fe CO 5 Ni CO 4 Cr CO 6等 这类配合物具有受热挥发的特点 高温下分解为金属和CO 用于提纯金属 473K 200atmNi 4CO Ni CO 4高温 低压Ni CO 4 Ni 4CO 在羰基物中金属氧化数为零 CO和羰基物均有毒 配位反应 Cu NH3 2CH3COO CO NH3 Cu NH3 3 CO CH3COO醋酸二氨合铜 醋酸羰基三氨合铜 CO容易被亚铜盐溶液吸收此反应用于吸收混合气中的CO CO被人体吸收会引起中毒 这是由与它与血液中的血红蛋白结合为COHb 使Hb失去输送氧气的能力 空气中只要有1 800体积比的CO就能使人在半小时内死亡 与非金属反应 Cr2O3 ZnO 623 673KCO 2H2 CH3OHFe Co或Ni523K 101KPaCO 3H2 CH4 H2O活性碳CO Cl2 COCl2 光气 有毒 二 碳酸和碳酸盐 CO2溶解于水生成碳酸 它是弱酸 仅存在于水溶液中 碳酸盐是相当多的一类物质 碳酸根的结构 C O O O C O HO OH 2 正盐 碳酸 C O HO O 酸式盐 46 C 难溶盐 含Li碳酸盐 酸式盐溶解度大于正盐易溶盐 正盐大于酸式盐原因 氢键存在 形成二聚物 多聚物或多聚链状离子 2 碳酸盐的性质 NaHCO3 Na2CO3 钾盐和铵盐也是这样 难溶碳酸盐均可溶于稀酸中 M2CO3 2H M2 CO2 H2O 1 溶解性 2 可溶性碳酸盐与金属离子作用的产物类型 氢氧化物碱性较强的金属离子与之反应生成碳酸盐沉淀 例如 Ba2 Sr2 Ca2 和Ag 等 氢氧化物碱性较弱的金属离子与之反应生成碱式碳酸盐沉淀 例如 Pb2 Bi3 Cu2 Cd2 Hg2 Co2 Ni2 和Mg2 等 水解性强或两性的金属离子与之反应生成氢氧化物沉淀 例如 Al3 Fe3 Cr3 Sn2 Sn4 和Sb3 等 H2CO3 MHCO3 M2CO3 同一族金属的碳酸盐热稳定性从上到下增加BeCO3MgCO3CaCO3SrCO3BaCO3分解T 10054090012901360 3 热稳定性 热稳定性 正盐 酸式盐 酸 金属碳酸盐稳定性 用离子极化观点解释 r M2 愈小 M2 极化力愈大 MCO3愈不稳定 M2 为18e 18 2 e 9 17 e 构型相对于8e 构型的极化力大 其MCO3相对不稳定 三 碳硫化物和卤化物 二硫化碳 CS2是无色有毒的有挥发性液体 b p 226 9K 是有机物 磷和硫的溶剂 由硫蒸气和煤反应得到 它是易燃物质 也是制CCl4的主要原料 2S C CS2CS2 3O2 CO2 2SO2MnCl2CS2 3Cl2 CCl4 S2Cl2 卤化物 碳的卤化物可以看作是CH4的取代物 是分子物质 具有较低的沸点 CCl4是常用的有机溶剂 也用于作灭火剂 氟利昂 12 CCl2F2 用于作冰箱的致冷剂 CBrClF2用于作灭火剂 称灭火剂 1211 4 硅的化合物 硅的氧化物 硅酸及其盐 硅的卤化物 硅的氢化物 硅的氧化物 无定型体 石英玻璃 硅藻土 燧石晶体 天然晶体为石英 属于原子晶体纯石英 水晶含有杂质的石英 玛瑙 紫晶 结构 Si采用sp3杂化轨道与氧形成硅氧四面体 硅氧四面体 性质 与碱作用 与HF作用 硅酸及其盐 制备 浸透过CoCl2的硅胶为变色硅胶 可溶性 Na2SiO3 水玻璃 K2SiO3不溶性 大部分硅酸盐难溶于水 且有特征颜色 硅酸盐 水中花园 天然硅酸盐的结构图 1 2 4 3 硅酸盐结构复杂 一般写成氧化物形式 它的基本结构单位为硅氧四面体 5 6 7 沸石型分子筛铝硅酸盐 用于作吸附剂 硅的卤化物硅的卤化物都是无色的 常温下SiF4是无色而有刺激气味的气体 在水中强烈水解 在潮湿空气中发烟 干燥时很稳定 氟硅酸 硅的氢化物 硅烷SinH2n 2 自燃 强还原性 水解 热稳定性差 性质 最简单的硅烷 SiH4 甲硅烷 5 锡和铅的化合物 氢氧化物的酸碱性 Sn II 的还原性 Pb IV 的氧化性 锡和铅的盐 锡和铅的硫化物 氢氧化物的酸碱性 Sn II 的还原性 Sn2 Hg2 的相互鉴定 鉴定Bi3 的反应 Pb IV 的氧化性和Pb 的还原性 四氧化三铅 Pb3O4 铅丹 鲜红色可看作 三氧化二铅 Pb2O3 橙色可看作 PbO PbO2氧化铅 PbO 橙黄色 小结 氧化性减弱 酸性增强 碱性增强 还原性减弱 碱性增强 酸性增强 Sn OH 4 Pb OH 4PbO2 Sn OH 2 Pb OH 2 锡和铅的盐 易水解 配制水溶液时应予注意