第15章碳族元素-无机化学.ppt

第15章碳族元素 15 1碳族元素通性 15 2碳族元素单质及其化合物 15 3无机化合物的水解性 15 1碳族元素通性 一 概述 碳C单质石墨 金刚石 C60 C70 无机化合物CO2 白云石MgCa CO3 2 石灰石 大理石 方解石CaCO3 有机化合物动植物体 煤 石油 天然气 碳元素是构成有机物骨架的元素 二 自然界分布 硅Si以Si O Si键存在 丰度排第2位存在于水晶 石英 SiO2和其它硅酸盐矿物中硅元素是构成无机物骨架的元素 锗Ge锗石矿Cu2S FeS GeS2锡Sn锡石矿SnO2 云南个旧称为锡都铅Pb方铅矿PbS 15 2碳单质及其化合物 1碳的同素异形体 一 碳元素的单质 1 金刚石原子晶体 硬度最大 熔点 3823K 最高的单质 化学性质很稳定 碳原子sp3等性杂化 无离域 电子 不导电 金刚石的晶体结构 15 2 1单质 2 石墨硬度较小 熔点较高 表现出一定程度的化学活性 碳原子以sp2杂化 形成片层结构 每个碳原子的未参与杂化的p电子 形成大键 这些离域电子使得石墨具有良好导电性 层间的分子间力很弱 所以层间易于滑动 故石墨质软具有润滑性 可制作电极 热电偶 坩锅 铅笔芯等 3 碳原子簇C60室温下为分子晶体 具有较高的化学活性 60个碳原子构成近似于球形的32面体 即由12个正五边形和20个正六边形组成 相当于截角正20面体 每个碳原子以sp2杂化轨道和相邻三个碳原子相连 未参加杂化的p轨道在C60的球面形成大 键 C60分子 富勒烯 的结构 1985年 C60的发现是人类对碳认识的新阶段 是科学上的重要发现 美国科学家Curl和Smalley教授及英国科学家Kroto教授为此获得1996年诺贝尔化学奖 2碳单质的还原性 根据 rGm rHm T rSm 作 rGm 随温度T的变化曲线 是斜率为 rSm 的直线 当T T2时 产物为CO2 而不是CO 1单质硅的性质 晶体硅呈灰黑色 高熔点 高硬度 硅的所有价电子参与 键的形成 在平常状态下不导电 当高纯硅中掺杂少于百万分之一的磷原子时 成键后就有了多余的电子 若杂质是硼原子 成键后就有了空轨道 高纯硅是良好的半导体材料 二 单质硅 2单质硅的制取 用区域熔融法进一步提纯得到生产半导体用的高纯硅 三 锗 锡 铅单质 1物理性质 锗银白色 硬金属 熔点高 高纯锗是一种良好的半导体材料 铅暗灰色 软金属 密度大 熔点低 锡有三种同素异形体 白锡是银白略带蓝色的金属 有延展性 可以制成器皿 低温小心锡疫 4 与非金属的反应 与氧气作用 PbO GeO2 SnO2 与卤素作用 PbCl2 GeCl4 SnCl4 与硫作用 PbS GeS GeS2 SnS SnS2 1一氧化碳 15 2 2碳族元素的化合物 一 碳的氧化物 2 工业制备 将空气和水蒸气交替通入红热炭层 通入空气时 2C O2 2CO rHm 221 04kJ mol 1得到的气体的体积组成为 CO CO2 N2 25 4 70 发生炉煤气 通入水蒸气时的反应 C H2O CO H2 rHm 131 30kJ mol 1得到的混合气体的体积组成为 CO CO2 H2 40 5 50 水煤气 思考题 为什么制水煤气要将空气和水蒸气交替通入红热炭层 提示 因为通入水蒸气时 体系吸收热量 温度降低 交替通入氧气才可以维持反应体系的温度 3 CO的分子轨道式 一个 键两个 键 含一个配位键 4 性质1 在高温下 CO能与许多过渡金属反应生成金属羰基配位化合物 例如Fe CO 5 3 剧毒 2二氧化碳 CO2为非极性分子 分子结构为直线形C原子为sp等性杂化 2个 键 两个C O之间的化学键有一定的三键性质 2二氧化碳 工业上CO2用于制备纯碱 小苏打 碳酸氢氨 啤酒 饮料 干冰 在常压下 干冰不经熔化 于194 5K时直接升华气化 因此常用来做制冷剂和人工造雨 着火的镁条在CO2气中能继续燃烧 所以CO2不助燃也是相对的 二 硅的氧化物 1二氧化硅 1 结构 Si采用sp3杂化轨道与氧形成硅氧四面体 化学键轮廓线氧原子硅原子氧原子和硅原子 2 形态 无定形 硅藻土晶体 石英纯石英 无色透明 叫水晶 不纯石英 有色 如紫水晶 烟水晶 碧玉 玛瑙 鸡血石 猫眼石等 普通砂粒是混有杂质的石英细粒 3 用途 石英玻璃 石英于1700 熔化 急冷后形成 用来制备光学仪器和高级化学器皿 硅胶的制备 硅胶的组成属于SiO2 但体系内部的硅氧四面体杂乱无序 300 C活化后 可作为吸附剂 浸透过CoCl2的硅胶为变色硅胶 根据由蓝变红判断硅胶的吸水程度 思考题 酸性溶液中能和PbO2共存的物质是 A Cr2 SO4 3 B MnSO4 C Na2S D MnO2 答案 D MnO2 在碳酸根离子中 中心碳原子采用sp2等性杂化 与3个氧原子分别成 键 确定了平面三角形离子 一 碳酸和碳酸盐 碳酸分子和碳酸根负离子的结构示意图 15 2 3碳族元素的含氧酸及其盐 碳酸H2CO3是二元弱酸 其解离平衡常数如下 H2CO3 H HCO3 4 46 10 7HCO3 H CO32 4 68 10 11碳酸的盐类有两种 碳酸盐和碳酸氢盐 碱金属的碳酸盐 碳酸铵易溶于水 但Li和其它的金属的碳酸盐难溶于水 CaCO3等难溶的碳酸盐 其对应的碳酸氢盐Ca HCO3 2等的溶解度则较大 易溶的Na2CO3和 NH4 2CO3等 其对应的碳酸氢盐NaHCO3和NH4HCO3的溶解度却相对较小 溶解性 热稳定性 1 H2CO3 MHCO3 M2CO3 2 同一族金属的碳酸盐稳定性从上到下增加BeCO3MgCO3CaCO3SrCO3BaCO3分解T 10054090012901360 3 过渡金属碳酸盐稳定性差CaCO3PbCO3ZnCO3FeCO3分解T 900315350282价电子构型8e 18 2 e 18e 9 17 e 解释 离子极化 二 硅酸和硅酸盐 硅酸溶解度小 是二元弱酸 K1 3 0 10 10 K2 2 10 12 硅酸 xSiO2 yH2O x 1 y 1 H2SiO3偏硅酸x 1 y 2 H4SiO4正硅酸x 2 y 1 H2Si2O5二偏硅酸x 2 y 3 H6Si2O7焦硅酸 1 溶解性 除IA硅酸盐可溶外 其它皆难溶 常用的为可溶Na2SiO3 Na2SiO3又称为水玻璃 泡花碱 长期贮放NaOH Na2CO3的瓶子不用玻璃塞 而用橡胶塞 3 硅酸盐结构 1 单聚硅酸根单个的硅氧四面体 例如自然界中的橄榄石Mg2SiO4 2 二聚硅酸根两个硅氧四面体通过共用一个氧原子连结起来 例如自然界中的钪硅石Sc2Si2O7 3 链聚硅酸根 许多硅氧四面体连结成无限长的链 相邻两个硅氧四面体共用1个氧原子 阴离子硅酸根链之间分布着带正电的金属离子 靠静电引力使链结合在一起 这类硅酸盐具有纤维状结构 如石棉 SinO3n 1 2n 2 蓝石棉 温石棉 4 片状聚硅酸根 每一个硅氧四面体通过共用3个氧原子分别与邻近3个硅氧四面体连结 形成片层状结构 片层之间靠金属离子的静电引力结合在一起 如云母 5 网络状聚硅酸根 硅氧四面休间通过共用4个氧原子而组成各种三维网络结构 如果在某个硅氧四面体中有铝原子代替了硅原子 形成的铝硅酸根网络骨架中就带了负电荷 因此在骨架的空隙中必须有平衡骨架负电荷的阳离子存在 如用作催化剂或催化剂载体的沸石分子筛 4分子筛 合成铝硅酸盐 自然界中存在的某些硅酸盐和铝硅酸盐具有笼形三维结构 可以有选择地吸附一定大小的分子 称为沸石分子筛 优点 分子筛的选择性远远高于活性炭等吸附剂 三 锗 锡 铅的含氧酸或氢氧化物1 酸碱性 2 Sn2 的还原性 在酸碱中 还原能力都比较强2HgCl2 SnCl2 2HClHg2Cl2 白 H2SnCl6Hg2Cl2 SnCl2H2SnCl6 2Hg 黑 这两个反应用于鉴定Sn2 3HSnO2 2Bi3 9OH 3Sn OH 62 2Bi 黑 H2O 鉴定Bi3 碱性条件下 还原性更强 15 2 4氢化物 卤化物 硫化物 一 硅的氢化物化学式 SinH2n 2 最有代表性的是甲硅烷SiH4 1硅烷的制法 2硅烷的性质 二 硅的卤化物 三 锗 锡 铅的卤化物 卤化物可以分成MX2和MX4两大类 四碘化铅和四溴化铅不能稳定存在 四 锗 锡 铅的硫化物 1 颜色 溶解性 酸碱性 2 4SnS 灰褐 SnS2 黄 PbS 黑 碱性酸性以上硫化物均难溶于水和非氧化性稀酸 而GeS和GeS2在水中有一定的溶解度 2 与NaOH和碱性硫化物反应 3SnS2 6NaOH2Na2SnO3 Na2SnS3 3H2OGeS2 白 Na2SNa2GeS3 硫代锗酸钠 SnS2 黄 Na2SNa2SnS3SnS2 NH4 2S NH4 2SnS3 15 3无机化合物的水解性 一 影响共价化合物水解因素 1 内因 离子的电荷和半径 金属离子或阴离子具有高电荷和较小的离子半径 它们对水分子有较强的极化作用 因此容易发生水解 反之 不易水解 电子层结构 Zn2 Cd2 和Hg2 等离子是18e 离子 易水解它们有较高的有效核电荷 极化作用较强 Ca2 Sr2 和Ba2 等离子是8e 离子 不易水解较低的有效核电荷和较大的离子半径 极化作用较弱 空轨道 发生水解需要水分子进攻 形成中间体 中心原子有无空轨道在这一步很重要 2 外因 温度 因为水解反应是吸热过程 因而升高温度 有利于水解 溶液的酸碱性 对于单水解的盐而言 控制溶液的酸碱性 可拟制或促使盐的水解 NF3不水解NCl3水解NCl3 3H2O NH3 3HClO 二