第十五章碳族元素PPT课件

2020/6/1,1,第十五章碳族元素,15-1碳族元素的通性15-2碳族元素的单质及其化合物15-3无机化合物的水解性,2020/6/1,2,15-1碳族元素的通性,2020/6/1,3,1.惰性电子对效应：C，Si+氧化态稳定，Pb是+氧化态稳定。2.C-C,C-H,C-O键能很高,奠定了有机化合物众多的基础。3.Si-Si键能低，所以硅链不会太长，硅化合物比碳化合物少得多。Si-O键能高，对应化合物多。4.本族元素单质易形成同素异形体。,特点：,2020/6/1,4,碳原子的成键特征,2020/6/1,5,一、碳族元素在自然界的分布二、碳族元素的单质三、氧化物四、含氧酸及其盐五、氢化物六、卤化物和硫化物,15-2碳族元素的单质及其化合物,2020/6/1,6,一、自然界的分布,C单质状态：主要是金刚石和石墨。化合物：煤、石油、天然气、动植物、石灰石、白云石、CO2等。Si靠Si-O键联结成各种链状、层状和立体状结构，构成各种岩石及其风化产物-土壤和泥砂。Ge、Sn、Pb主以硫化物形式存在。,2020/6/1,7,锡石SnO2,方铅矿PbS,2020/6/1,8,二、碳族元素的单质,1.碳的同素异形体金刚石、石墨、碳原子簇金刚石天然存在的最硬的单质（硬度：10）所有单质中熔点最高（3823K）金属：硬度最大为Cr(硬度：9）熔点最高为W（368320K）,2020/6/1,9,原子晶体，C：sp3等性杂化，所有价电子都参与了共价键的形成,晶体中没有自由电子，因此不导电。室温下对所有化学试剂显惰性。用途：钻石、装饰品，钻头，磨削工具。,2020/6/1,10,2020/6/1,11,混合型晶体-原子晶体、分子晶体、金属晶体。,石墨晶体,2020/6/1,12,C的同素异形体中，石墨最稳定。,2020/6/1,13,C60(足球烯、富勒烯)简介,结构：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。每个碳原子以sp2杂化轨道与相邻三个碳原子相连。剩余的P轨道在C60的外围和腔内形成大键。其形状酷似足球，故称作足球烯。,2020/6/1,14,制备：用纯石墨做电极，在氦气氛中放电，电弧中产生的碳烟沉积在水冷反应器内壁，此碳烟中有C60、C70等碳原子簇。用途:超导体（嵌入碱金属）、有机软铁磁体、光学材料、功能高分子材料、生物活性材料等。,2020/6/1,15,碳纳米管,2020/6/1,16,无定形碳,木炭活性炭,炭黑：油漆、颜料焦炭：冶金还原剂,吸附能力,2020/6/1,17,2.冶金工业中碳的还原反应,2020/6/1,18,2020/6/1,19,3.金刚石的人工合成,C(石墨）（金刚石）fGm/kJmol-102.9/gcm-32.2603.515fHm/kJmol-1O1.897转化反应是吸热的体积减小的反应欲使反应正向进行，需采取的措施是？-高温、高压、催化剂。,2020/6/1,20,溶剂说：石墨先溶解在溶剂（金属催化剂）中成为单个碳原子，然后在冷却时直接生成金刚石。固相转化说：石墨的碳原子间的键不发生断裂，而是在催化剂的作用下，按一定方向位移直接转化为金刚石结构。,转化机理,2020/6/1,21,4.硅、锗、锡、铅单质,Si:原子晶体，类似于金刚石，灰黑色，硬、脆，能刻划玻璃。低温下稳定，只与强氧化剂和强碱作用，高温时可与许多物质反应。高纯硅可作半导体材料。*Si+2OH-+H2O=SiO32-+2H2Ge：原子晶体，金刚石型晶体结构，比Si活泼，能溶于氧化性酸（浓H2SO4，浓HNO3）中得到Ge（），难溶于NaOH,也不与空气中的O2、H2O和非氧化性酸作用。高纯锗也是较好的半导体材料。,2020/6/1,22,Sn：灰锡()白锡()脆锡()白锡:有延展性金属,S(NaHCO3),易溶盐：Na2CO3NaHCO3K2CO3KHCO3100溶解度451615660(g/100gH2O),2020/6/1,39,溶解度的反常是由于HCO3-离子通过氢键形成双聚或多聚链状离子的结果。,双聚（HCO3）22-,多聚（HCO3）nn-,2020/6/1,40,*(2)热稳定性,A无水碳酸盐的稳定性同族内自上而下增加BeCO3MgCO3CaCO3SrCO3BaCO3373K813K1170K1462K1633KB碳酸正盐碳酸氢盐碳酸C碱金属碳酸盐碱土金属碳酸盐过渡金属碳酸盐Na2CO3CaCO3CuCO3难1170K473K,2020/6/1,41,*(3)水解性,2020/6/1,42,氢氧化物沉淀：S氢氧化物S碳酸盐AI3+、Fe3+、Cr3+、Sn2+、Sn4+、Sb3+等(水解性强)2Fe3+3CO32-+3H2O=2Fe(OH)3+3CO2碱式碳酸盐：S氢氧化物S碳酸盐Mg2+、Pb2+、Cu2+、Bi3+、Zn2+、Hg2+、Cd2+等2Cu2+2CO32-+H2O=2Cu2(OH)2CO3+CO2碳酸盐沉淀：S氢氧化物S碳酸盐Ca2+、Sr2+、Ba2+、Ni2+、Ag+、Mn2+等(难水解)Ba2+CO32-=BaCO3,2020/6/1,43,2.硅酸和硅酸盐,硅酸：通式xSiO2YH2O正硅酸H4SiO4偏硅酸H2SiO3二偏硅酸H2Si2O5焦硅酸H6Si2O7K1=3.010-10；K2=2.010-12,Na2SiO3+2HCI=H2SiO3+2NaCI*Na2SiO3+2NH4CI=H2SiO3+2NaCI+2NH3,2020/6/1,44,硅胶,稍透明的白色固态物质，内部有很多微小的空隙，内表面积很大，有很强的吸附性能，可做吸附剂、干燥剂和催化剂载体。,2020/6/1,45,变色硅胶干燥剂用CoCI2溶液浸泡硅酸凝胶，然后干燥活化得到CoCI2（无水）CoCI26H2O（可再生）,兰色蓝紫紫红粉红,2020/6/1,46,硅酸盐,a碱金属硅酸盐易溶，余难溶。重金属硅酸盐有特征颜色。,水中花园,2020/6/1,47,bSiO2+不同比例的碱性氧化物共熔，可得到确定组成的硅酸盐最简单：偏硅酸盐（Na2SiO3）水玻璃正硅酸盐（Na4SiO4）普通玻璃：Na2CO3、CaCO3和SiO2共熔得到的硅酸钠和硅酸钙的混合物。组成为Na2CO3CaCO34SiO2。加不同金属氧化物可得不同颜色玻璃。,2020/6/1,48,结构,SiO2和硅酸盐的基本结构单元均为SiO4四面体,硅氧四面体,无限长单链状结构的多硅酸根,2020/6/1,49,无限长双链兼环状结构的多硅酸根,2020/6/1,50,铝硅酸盐,硅氧四面体中，如有部分硅被铝取代，则网络骨架带负电，骨架空隙中必须存在中和电荷的阳离子。此矿物即铝硅酸盐。钠长石：Na2OAI2O36SiO2粘土:AI2O32SiO22H2O钠沸石：Na2OAI2O33SiO22H2O,CaO铝酸盐硅酸盐,2020/6/1,51,分子筛,沸石分子筛某些笼形的天然硅酸盐和铝硅酸盐可以选择地吸附一定大小的分子，起到筛分分子的作用。合成分子筛A型组成：Na2OAI2O32SiO25H2O见P753,2020/6/1,52,*3.锡铅的氢氧化物及含氧酸盐,SnSn2+2OH-=Sn(OH)2白，两性Sn(OH)2+2H+=Sn2+2H2OSn(OH)2+2OH-=Sn(OH)42-Sn4+4NH3H2O-H2SnO3白,两性偏酸-锡酸,无定形体,易溶于碱和浓盐酸Sn(OH)4+2OH-=Sn(OH)62-Sn(OH)4+6HCI=H2SnCI6+4H2OSn+HNO3(浓)-H2SnO3白色晶态,两性偏酸，难溶于酸碱。,2020/6/1,53,亚锡酸根离子Sn（OH）42-为强还原剂BSn(OH)62-/Sn（OH）42-=-0.96VBi3+的鉴定反应*3Sn(OH)42-+2Bi3+6OH-=2Bi(黑)+3Sn(OH)62-Bi(OH)3+CI2+3NaOH=NaBiO3+2NaCI+3H2O2Bi3+3S2-=Bi2S3,2020/6/1,54,PbPb2+2OH-=Pb(OH)2白色，两性偏碱。Pb(OH)2+2HNO3=Pb(NO3)2+2H2OPb(OH)2+OH-=Pb(OH)3-Pb(OH)3-+CIO-PbO2+CI-+H2O+OH-Pb(OH)4棕色，两性，不稳定。,2020/6/1,55,Ge(OH)4Sn(OH)4Pb(OH)4棕白棕Ge(OH)2Sn(OH)2Pb(OH)2白白白,酸性增强,酸性增强,碱性增强,碱性增强,Ge、Sn、Pb氢氧化物的酸碱性,2020/6/1,56,五、氢化物,C-H化合物，有机讨论Si-H化合物，通式SinH2n+2(n=16)甲硅烷：SiH4,结构：,XC=2.25XH=2.2Xsi=1.9,2020/6/1,57,性质,物性：无色、无臭气体化性：,热稳定性SiH4CH4,易水解3d轨道,2020/6/1,58,SiH4制法：,GeH4:无色气体，不稳定。Sn、Pb氢化物极少见。,2020/6/1,59,*六、卤化物,C,SiMX4;Ge,Sn,PbMX2,MX41.CCI4无色液体，四面体型非极性分子，难溶于水，易溶于有机溶剂。由于分子轨道全被电子填满，所以不活泼，常温下不与酸碱反应，不水解。用途：有机溶剂，灭火剂（如：电器火灾）。,2020/6/1,60,2.SiX4,SiF4SiO2+4HF=SiF4+2H2O无色带刺激性臭味的气体，易溶于水并水解。3SiF4+4H2O=H4SiO4+2H2SiF6（酸性H2SO4),NaOH或NaCI(过),Na2SiF6（农业杀虫灭菌剂，木料防腐剂）Na、K、Ba的氟硅酸盐难溶于水Li、Ca的氟硅酸盐能溶于水,2020/6/1,61,3SiF4+2Na2CO3+2H2O=2Na2SiF6+H4SiO4+2CO2,SiCI4:Si+2CI2=SiCI4SiO2+2C+2CI2=SiCI4+2CO无色液体，易挥发，有强烈的刺激性。潮湿空气中因水解产生白色烟雾。SiCI4+4H2O=H4SiO4+4HCI思考题：产物中是否会产生H2SiCI6?为什么？,2020/6/1,62,3、Sn的卤化物,SnCI22Fe3+Sn2+=2Fe2+Sn4+*2Sn2+O2+4H+=2Sn4+2H2O*2HgCI2+SnCI2=SnCI4+Hg2CI2*Hg2CI2+SnCI2=SnCI4+2Hg,鉴定Sn2+和Hg2+,*水解：SnCI2+H2O=Sn(OH)CI+HCI思考题实验室如何配制与保存SnCI2溶液？,2020/6/1,63,SnCI4无色液体,共价化合物,溶于有机溶剂。遇水强烈水解，在潮湿空气中发烟。SnCI4+2H2O=SnO2+4HCISnCI4+（x+2)H2O=SnO2xH2O+4HCI在盐酸中SnCI4+2HCI=H2SnCI6*2HgCI2+SnCI2+2HCI=H2SnCI6+Hg2CI2*Hg2CI2+SnCI2+2HCI=H2SnCI6+2Hg思考题：HgCI2过量和SnCI2过量，最终产物是否相同？,2020/6/1,64,4.Pb的卤化物,PbCI2:白色,易溶于沸水和浓盐酸PbCI2+2HCI=H2PbCI4,PbI2:黄色丝状有亮光易溶于沸水和KI。PbI2+2KI=K2PbI4,PbCI4:低温存在PbO2+4HCI(PbCI4)PbCI2+CI2,2020/6/1,65,七、Sn、Pb的硫化物,SnSSnS2PbS颜色暗棕黄色黑色酸碱性弱碱弱酸弱碱Na2S;(NH4)2SSnS32-Na2S2;(NH4)2S2SnS32-SnS32-+2H+=H2S+SnS2,2020/6/1,66,PbS+4HCI（浓）=H2S+H2PbCI43PbS+8H+2NO3=3Pb2+3S+2NO+4H2OPbS+4H2O2=PbSO4+4H2O,2020/6/1,67,八、铅的一些含氧酸盐,易溶盐：Pb(NO3)2,Pb(Ac)2(铅糖，有毒）难溶盐：PbSO4（白），制白色油漆PbSO4+H2SO4(热、浓)=Pb(HSO4)2PbSO4+2NH4Ac(饱和)=Pb(Ac)2+(NH4)2SO4PbSO4+3NaOH(过量、热)=NaPb(OH)3+Na2SO4,2020/6/1,68,PbCrO4黄(铬黄颜料的主成分)Pb2+CrO42-=PbCrO4（中性或微酸性中形成）鉴定Pb2+或CrO42-离子能溶于NaOH及强酸PbCrO4+3NaOH=NaPb(OH)3+Na2CrO42PbCrO4+4HNO3=2Pb(NO3)2+H2Cr2O7+H2O,S(MCrO4)0常温反应不能自发。(2)rSm=133.675Jmol-1K-10由rGm=rHm-TrSm知T升高，rGm减小，所以升温对反应有利。（3）平衡时rGm=0，T=rHm/rSm=982K,2020/6/1,87,13.配溶液：先将SnCI22H2O溶解在浓盐酸中，然后加水稀释到所需浓度。目的是抑制水解。SnCI2+H2O=Sn(OH)CI+HCI保存溶液：加锡粒防止氧化2Sn2+O2+4H+=2Sn4+2H2OSn4+Sn=2Sn2+,2020/6/1,88,17.设反应按下式进行Pb2+Sn=Pb+Sn2+K=Sn2+/Pb2+=0.46LgK=nE/0.0591Lg0.46=2E/0.0591=-0.337E=-0.01（Pb2+/Pb)-(Sn2+/Sn)=-0.01(Sn2+/Sn)=-0.126+0.01=-0.116(v),2020/6/1,89,18.Sn+2HCI(浓、热）=SnCI2+H2Sn+2CI2(干燥)=SnCI4SnCI2+2FeCI3=2FeCI2+SnCI4SnCI4+2H2O=SnO2+4HCISnS+Na2S2=Na2SnS3SnS32-+2H+=SnS2+H2SSn+SnCI4=2SnCI23PbS+8HNO3=3Pb(NO3)2+2NO+3S+4H2OPb3O4+8HI=3PbI2+I2+4H2O,2020/6/1,90,19.A:SnCI2(S)B:Sn(OH)CIC:SnCI2D:AgCIE:Ag(NH3)2CIF:SnSG:(NH4)2SnS3H:SnS2I:Hg2CI2J:Hg,2020/6/1,91,补充题,1.SnSn+2HCI=SnCI2+H2SnCI2+H2O=Sn(OH)CI+HCISn2+2OH-=Sn(OH)2Sn(OH)2+2OH-=Sn(OH)42-3Sn(OH)42-+2Bi(OH)3=2Bi+3Sn(OH)62-2HgCI2+SnCI2=SnCI4+Hg2CI2