碳硅硼教学课件

1、1,第17章 碳硅硼,2,1掌握碳的单质、氧化物、碳酸、碳酸盐的结构和性质。 2掌握硅的单质、氧化物与硅酸、硅酸盐的性质和结构。 3掌握硼单质、氢化物、含氧化合物的结构和性质，掌握缺电子、等电子及多电子原子的结构特点和性质,本章基本要求,3,viia,via,va,iva,iiia,0,电子层,17-1 通 性,4,17-1 通 性 17-2 碳 17-3 硅 17-4 硼,5,17-1 通 性,c :碳自相成链的能力最强,是有机世界的灵魂,si:硅:贝采利乌斯1823年发现， “矽”，硅是无机,世界的骨干，是构成地壳的主要成分,b:是戴维等发现的，它可以与碳媲美,6,分子筛,碳-碳复合材料,

2、高能燃料,人造金刚石,7,17-1-1 元素的基本性质,3、 碳的氢化物与o2燃烧得碳的氧化物, 而硅、硼 的氢化物大部分遇水就可生成含氧化合物,1、碳单键键能大,碳结合成链能力强; 硅、硼的 x-o键能大, 属于亲氧元素,2、x-h键能都较大,它们都有一系列的氢化物,8,17-1-2 电子构型和成键特征,硼：sp2、sp3，能形成s键以外，还能形成多中心键。 例如三中心两电子键,碳、硅：ns2np2,价电子数目=价电子轨道数, 等电 子原子,硼：2s22p1, 缺电子原子,碳和硅:sp、sp2、sp3杂化形成2到4个s键,碳能形成多重键(碳的r小，还能形成pp-pp键,si很难形成多重键(r

3、大，不易形成pp-pp键,9,17-2 碳,碳的特性,1.它的最高配位数为4,2.碳的成链能力最强,3. 碳原子间及与其它元素如氮、氧、硫和磷形成 多重键,后二点是碳化合物特别多的原因,sp3四面体金刚石ch4 sp2平面三角形石墨co32-c6h6 sp直线形co2cs2c2h2,10,17-2-1 单 质,碳单质的同素异形体,金刚石：原子晶体, ，是自然界最硬的矿石。在所有 物质中，它的硬度最大,熔点最高。钻石,石墨：层状晶体 ，有金属光泽，是世界上最软的矿 石。石墨的密度比金刚石小，熔点比金刚石仅低 50k ， 为 3773k,碳簇：足球烯或富勒烯： c60， c70 等,c60 是由1

4、2个五边形 和20个六边形组成的 32面体,c:sp2.28杂化,11,17-2-2 碳氧化物、含氧酸及其盐,由一个键,一个键和一个电子对来 于o原子的配键组成,氧化物:co、co2、c3o2、c4o3,c5o2和c12o9，常见的是co和co2,一、一氧化碳,1、结构,co分子和n2分子是等电子体,kk(2s)2(2s*)2(y2p)2(z2p)2(2p)2,12,co分子中，电子云偏向氧原子，碳原子略带正电性，但是配键是由氧原子的电子对反馈到碳原子上，这样又使得氧原子略带正电性，碳原子略带负电性，两种因素相互作用使co的偶极短几乎为零,氧的电负性碳，但为什么co的偶极矩几乎为零,正是因为碳

5、原子略带负电性使 得孤电子对（体积稍大，核对电 子对的控制降低）具有活性,13,2、化学性质,这些反应都可以用于检测微量co的存在,2）强配位性,fe(co)5、ni(co)4和cr(co)6,l) co还原性,高温下可以从许多金属氧化物如fe2o3、cuo或pbo,中夺取氧，使金属还原,co还能使一些化合物中的金属离子还原,co+pdcl2+h2o,co+2ag(nh3)2oh,co2+pd+2hcl,2ag+(nh4)2co3+2nh3,剧毒,14,3.制备,将co2和h2o 用固体naoh柱吸收, 得co,1）向热浓硫酸中滴加甲酸,2）草酸与浓硫酸共热,工业上,co + co2 + h2

6、o,15,二、二氧化碳 (co2,经典的分子结构：o=c=o,c=o双键键长124pm,叁键键长113pm,co2中，碳、氧之间键长116pm,c：sp杂化,16,2.性质,1）酸性氧化物,2）氧化性,co2灭火器不可用于活泼金属na、k、mg等引起 的火灾,2mg+co2=2mgo+c,co2是非极性分子，易液化，固体二氧化碳为雪花 状固体。俗称“干冰”，它是分子晶体,17,温室效应,所谓“温室效应”，它是由包括 co2 分子在内的某些多原子分子（其他如n2o，ch4，氯氟烃）在大气中含量的上升造成的。在过去, 大气中co2 浓度大体保持着平衡，随着工业化的进程， co2 增加的速度大于渗入

7、海洋深处与ca2+结合成 caco3 沉淀的速度。太阳的可见光和紫外光穿过大气层射至地球表面，在地球表面产生的红外辐射却被这类多原子分子吸收而无法迅速逸散到外层空间去，使到地球变暖,18,温室效应,19,c 采用 sp2 等性杂化 与端 o 之间 1 个 键 1 个 键 与羟基 o 之间 2 个 键 sp2 p,co32,17-2-3 碳酸和碳酸盐,1 结构,平面三角形,34,20,h2co3是二元弱酸，能生成两种盐：碳酸氢盐,2.性质,co2在水中的溶解度不大，298k时，约0.033mol/l,co2转变成h2co3的只有1-4,和碳酸盐,碳酸盐主要性质,所有碳酸氢盐都溶于水,1）、溶解性

8、,正盐中只有铵盐、铊盐和碱金属的盐溶于水,21,其它金属的碳酸盐都是难溶的，它们的酸式盐 要比正盐的溶解度来的大,它们在水中的溶解度比相应的正盐的溶解度小,hco3-离子在它们的晶体中通过氢键结合成链,caco3+ h2o+co2= ca(hco3)2,滴水穿石,22,22,溶洞,23,2、水解性,在金属盐类(除碱金属和nh4+及tl盐)溶液中加可溶性 碳酸盐，产物取决于反应物、生成物的性质和反应条件,1若m(co3)m 溶解度 m(oh)n溶解度, 则加入 na2co3时只生成 m(co3)n沉淀,如：ca2+、sr2+、ba 2+、ag,2如果金属离子的水解性极强，其氢氧化物的溶 度积又小

9、，将得到氢氧化物,24,3 mg-cu之间的金属离子如mg2+、zn2+、pb2+ 和cu2+等，其氢氧化物和碳酸盐的溶解度相差不多， 则可能得到碱式盐,2al3+3co32-+3h2o2al(oh)3+3co2,如al3+、cr3+和fe3+等高价金属离子,用于灭火器,2cu2+2co32-+h2ocu2(oh)2co3+co2,25,3、热稳定性,与阳离子的极化作用有关。h+（质子）的极化作用 超过一般金属离子,所以有下列热稳定性顺序,m2co3mhco3h2co3,mgco3 caco3 srco3 baco3,mgco3 =mgo + co2 (540c,na2co3 =na2o +

10、co2 (850c,26,17-2-4 碳的硫化物和卤化物,它不溶于水，可作为有机物、磷和硫的溶剂,非极性分子，稳定，不分解，比重比水大。不 与,水、酸、碱反应。分子价层轨道全充满，不接受,水电离产生的oh,二、碳的卤化物ccl4,一、二硫化碳,无色有毒的挥发性液体，极易着火,cs2(l)+3o2(g)=co2(g)+so2(g,27,cocl2叫光气有毒,cc14是常用的灭火剂，阻燃剂(隔绝空气) 。但 不能扑灭金属,28,17-3 硅,17-3-1 单 质 硅 的 性 质 、制备和用途,2.倾向于以较多的s单键形成聚合体，不能形成,硅:sp3、sp2、sp、 sp3d，以形成共价化合物为特

11、征,与碳原子差别（原子半径比碳的大，且有3轨道,1.它的最高配位数是6，常见配位数是4,pp-pp键，无多重键，例如通过siosi链形成形形,色色的sio2聚合体和硅酸盐,一、成键特征,29,无定形硅为深灰色粉末，晶形硅为银灰色,sio2+c+2cl2=sicl4+co2,sicl4+2h2=si+4hcl,硅“准金属（类金属,有两种晶型,准金属是制半导体的材料。计算机芯片、太阳,能电池是硅做的,二、制备,30,三、性质,晶态硅具有金刚石的结构，硬而脆（硬度为 7.0）、熔点高，在常温下化学性质不活泼,无定形硅比晶态硅活泼,1、与非金属作用,常温下只能与f2反应，生成sif4(键能很大,但在高

12、温下能与其它卤素和一些非金属单质反应,得到sicl4、 sio2、si3n4、sic,这些化合物均有广泛用途，如si3n4陶瓷材料；耐,高温、高强度、耐磨等，可用于发动机等,31,si在含氧酸中被钝化。si与hf或有氧化剂(hno3,2、与酸作用,si+2naoh+h2o,3、与碱作用,3si+4hno3+18hf,sif4+2hf=h2sif6(氟硅酸,si+2hf=sif4+h2,cro3、kmno4、h2o2等）存在的条件下，与hf酸反应,3h2sif6+4no+8h2o,na2sio3+2h2剧烈,32,4、与金属作用,si能与某些金属生成硅化物如：mg2si,17-3-2 硅烷,这样

13、硅生成的氢化物要少得多,硅有一系列氢化物,1)硅自相结合成链的能力比碳差,2)它不能形成p-p键，多重键,3)由于si有d轨道，易受其它有孤对电子的原子的,进攻，所以稳定性要差得多,33,硅烷的通式为sinh2n+2(7n1)来表示，结构,mg2si+4hclsih4+2mgcl2,与烷烃相似，但化学性质比相应的烷烃活泼,由于硅不能与h2直接作用，简单的硅烷常用金属,硅化物与酸反应来制取。例如,一、制备,34,l、强还原性,能与o2或其它氧化剂猛烈反应,这二个反应可用于检验硅烷,sih4+2o2,二、性质,sih4+2kmno4=2mno2+k2sio3+h2+h2o,sih4+8agno3+

14、2h2o=8ag+sio2+8hno3,剧烈,2、与水作用,sio2+2h2o 自燃,35,3、热稳定性,所有硅烷的热稳定性都很差。分子量大的稳定性更差。将高硅烷适当地加热，它们即分解为低硅烷。低硅烷（如sih4）在温度高于773k即分解为单质硅和氢气。 sih4被大量地用于制高纯硅。硅的纯度越高，大规模集成电路的性能就越好,36,强烈地水解，它们在潮湿空气中发烟， sicl4(l)+3h2o(l)=h2sio3(l)+4hcl(aq) 故sicl4可作烟雾剂。但是ccl4不水解。这与si有3d轨道，配位数为6（sp3d2杂化），能同h2o配位，而碳原子不具备此条件,由此，sif4很容易与f-

15、形成sif62-配离子。 sif4+2f-=sif62,2sif4(l)+3h2o(l)=h2sio3(l)+h2sif6 +2hf (aq,17-3-3 硅的卤化物和氟硅酸盐,一、卤化物,1、性质,37,2、制 取（了解,硅的卤化物可以用下列方法制取： (1)硅与卤素直接化合 (2)氧化物与氢卤酸或卤化物作用 sio2(s)+2caf2(s)+2h2so4=sif4(g)+2caso4(s)+2h2o(l,3)碳氯法 sio2+2c+2cl2=sicl4+2co,38,二、氟硅酸及其盐（了解,当sif4水解时，未水解的sif4极易与水解产物hf配位形成氟硅酸h2sif6 sif4+2hf=h

16、2sif6 现在还未制得游离的h2sif6，只能得到60的溶液。它是一种强度相当于h2so4的强酸。金属锂、钙等的氟硅酸盐溶于水；钠、钾、钡盐难溶于水,39,17-3-4二氧化硅、硅酸及其盐,一、二氧化硅,硅石,无定形体：石英玻璃、硅藻土、燧石 晶体：天然为石英，原子晶体,石英晶体,40,si采用sp3杂化轨道与氧形成硅氧四面体,硅氧四面体,金刚石 二氧化硅,纯石英：水晶,1.结构,含有杂质的石英：玛瑙、碧玉、紫水晶,41,水晶,石英岩,黑曜石,紫水晶,缟玛瑙,玛瑙,42,2.化学性质,na2sio3+co2,si+2mg,na2sio3+h2o,不能用玻璃瓶装浓碱,43,o之间形成 c=o

17、，是有确定分子量的小分子,问题： co2和 sio2 分子式相同，但为什么常温下，co2 是气体，而sio2是固体,答：sio2是通过 si-o 键形成三维网格的原子晶体,在此晶体中， si原子半径大，每个 si 原子采取 sp3,杂化以四个共价键与四个氧原子结合，而许多四面体,有通过顶点的氧原子连成一个整体，即每个氧原子为,两个四面体所共有。因此，从总体上看， si:o,1:2 ，所以二氧化硅的最简式为 sio2,co2 ，表示单个分子。原因：c的原子半径小，c,44,二、硅酸,h4sio4 原硅酸 硅酸 h2sio3 偏硅酸，二元弱酸 ，缩合性 xsio2yh2o 多硅酸,制备,胶冻状硅酸

18、,硅胶,45,比表面积 大，多孔， 做干燥剂、 吸附剂,46,三、硅酸盐,1.硅酸盐结构的图示法,硅酸盐种类极多，其结构可分为链状、片状和三 维网络状，但基本单元都是 硅氧四面体。如,47,用途很广，如:作粘合剂、木材或织物用水玻璃浸泡以后能防腐防火、保存鲜蛋、软水剂、洗涤剂和制肥皂的填料。它也是制硅胶和分子筛的原料。和金属盐可以制得水中花园,1、硅酸钠,除了碱金属以外，其它金属的硅酸盐都不溶于水,sio2+na2co3 = na2sio3 +co2,工业上用,na2sio3+h2o,俗称“水玻璃”，又名“泡花碱”。其组成na2onsio2,48,可溶性：na2sio3、k2sio3 不溶性：

19、大部分硅酸盐难溶于水， 且有特征颜色,硅酸盐,水中花园,49,硅酸盐矿的复杂性在其阴离子，而阴离子的基本结构单元是sio4四面体。由此四面体组成的阴离子,除了简单的单个sio44-和二硅酸阴离子si2o76-以外,还有由多个sio4四面体通过顶角上的一个或两个或三个、四个氧原子连接而成的环状、链状、片状或三维结构的复杂阴离子。这些阴离子借金属离子结为各种硅酸盐,2、天然硅酸盐,50,17-4 硼,17-4-1 硼的成键特征,硼及其化合物结构上的复杂性和键型上的多样性，丰富和扩展了现有的共价键理论，因此，硼及其化合物的研究在近年来获得了迅速发展。 硼原子的特征： 硼原子的价电子构型是2s22p1

20、，2s上的一个电子激发到2p轨道上后仍有一个空的p轨道，故易接受电子对,51,多性质相似。与硅一样它不能形成多重键，而倾向于,2)缺电子:除形成配键、 以形成多中心键为特征,形成聚合体,硼原子成键有三大特性,面体或多面体的碎片而成笼状或巢状等结构,硼的化学性质主要表现在其缺电子性上,硼与硅的半径相近，离子极化力接近，所以有许,1)共价性:以形成共价化合物为特征,3)多面体习性：晶态硼和许多硼的化合物为多,52,17-4-2 单质硼,相交成 30 条棱边和 12 个角顶，每个角顶为一个b,原子所占据,12 个 b 原子组成 20 个接近等边三角形棱面,1. 同素异形体（多种,单质硼都是以b12为

21、结构单元的原子晶体,无定形硼：棕色粉末,化学活性高,晶形硼 ：黑灰色 ， 硬度大,熔点，沸点都很高,53,属于原子晶体，因此晶态单质硼的硬度大，熔点高,菱形硼,由于 b 12 二十面体的连接方式不同，键也不同,形成的硼晶体类型也不同，其中最普通的一种,一菱形硼,化学性质也不活泼,54,2. 硼的反应,1) 常温下不活泼，高温下活泼,4b + 3o2 = 2b2o3,炼钢中的脱氧剂,2)从许多稳定的氧化物（ sio 2、p2o5 、h2o,等）中夺取氧,2h3bo3+ h2(g,3)和氧化性酸起反应，比硅活泼些,b + 3hno3(浓,h3bo3 + 3no2,4)和强碱起反应,2b + 2na

22、oh(浓) + h2o,2nabo2 + 3h2(g,55,3）能水解,17-4-3 硼烷和硼氢配合物,硼烷在物理、化学性质方面更像硅烷,两大类,bnhn+4和bnhn+6前者较稳定，后者稳定性较差,1.性质：硼烷多数有毒、有气味,1）不稳定. 产物复杂,2）强还原性,b2h6+3o2=b2o3+3h2orh= -2166kjmol-1,b2h6+6x2=2bx3+6hx,b2h6+6h2o=2h3bo3+6h2,56,用传统的价键理论无法解释乙硼烷的分子结构， 它的结构问题直到60年代初,利普斯科姆(lipscomb， wn)提出多中心键的理论以后才解决。利普斯科姆 因为这一成就荣获了197

23、6年的诺贝尔化学奖,2. 硼烷b 2 h 6的结构,57,57,记作,b 2 h 6 分子中共有 14 个价轨道 ，只有 12 个价电子 ，是缺电子化合物,b：利用sp3杂化轨道，与中间2氢形成2个三中心两电子键,58,58,端基上的h和b之间形成键(sp3-s). 四个端h和两个b形成 分子平面，中间两个h不在分子平面内，其连线垂直于分子平 面，上下各一个,要点：b的杂化方式，三中心两电子键、氢桥,59,氢键和氢桥键有什么不同,氢 键 氢 桥 结合力的类型 键 能 小（与分子间力相近） 较大（小于正常共价键） h 连接的原子 电负性大，半径小的原子， 缺电子原子，主要是b 主要是f、o、n

24、与h相连的原子 不对称 对 称 的对称性 （除对称氢键外,问题,共价键（三中心二电子键,主要是静电作用,60,根据这五种成键情况，可以画出全部硼烷的结构,b 原子在各种硼烷中表现出的五种成键要素,1) 正常b - h共价键,2) 三中心两电子的氢桥键,3) 正常硼硼共价键,4) 开口的三中心两电子硼桥键,5) 闭合的三中心两电子硼键,61,b4h10分子结构,62,17-4-4 硼的卤化物和氟硼酸,sicl4能与h2o分子配位,是因为si原子有3d轨道， 其配位数可高达6,hbf4是氟硼酸，是一种强酸，与h2sif6相近,bcl3强烈地水解,bcl3(l)+3h2o(l),h3bo3(s)+3

25、hcl(aq,bcl3能与h2o分子配位，是由于硼缺电子，有空,的p轨道,能从h2o分子中接受电子对,bf3+h2o=h3bo3+hf,hf+bf3=hbf4,bf3+h2o=h3bo3+hbf4,63,63,b2o3,2hbo2,2h3bo3,偏硼酸,原)硼酸,xb2o3yh2o 多硼酸,17-4-5 硼的含氧化合物,硼被称为亲氧元素，硼氧化合物有很高的稳定性,一、 b2o3,熔点 723k ，沸点 2338k,64,2.硼珠试验 b2o3和许多种金属氧化物在熔融时生成有特征颜色的硼珠，可用于鉴定。coo + b2o3 - co(bo2)2 深蓝色cr2o3的硼珠 绿色 cuo的硼珠 蓝色m

26、no的硼珠 紫色 nio的硼珠 绿色fe2o3的硼珠 黄色,65,65,b：sp2杂化,1.硼酸的结构,二、硼酸(h3bo3,构成b2o3、硼酸和多硼酸的基本结构单元是平面 三角形的bo3和四面体的bo4,66,66,缺电子结构造成的,在h3bo3中加入甘油(丙三醇)，酸性可增强，原 因是显酸性的机理发生了变化,2.硼酸的性质,1） 一元弱酸 (固体酸,67,常利用硼酸和甲醇或乙醇在浓h2so4存在的条件下，生成挥发性硼酸酯燃烧所特有的绿色火焰来鉴别硼酸根。 h3bo3+3ch3oh=b(och3)3+3h2o,h2so4,含硼化合物燃烧 火焰呈现绿色,68,硼酸同硅酸相似，可以缩合为多硼酸x

27、b2o3yh2o,在多硼酸中最重要的是四硼酸。实验证明四硼酸根b4o5(oh)42-离子的结构,2）缩合性,69,na2b4o710h2o（冷却,三、硼酸盐,除碱金属元素以外，多数金属的硼酸盐不溶于水,硼砂：是无色半透明的晶体或白色结晶粉末,按结构应写为na2b4o5(oh)48h2o,但习惯上写na2b4o710h2o,1.制备,h3bo3+naoh=nabo2+2h2o,3h2o+4h3bo3+2naoh（较稀,70,2. 性质,构成缓冲溶液 ph=9.24 (20,1）水解呈碱性,2）与酸反应制h3bo3,3）硼砂珠实验,na2b4o7+5h2o+2hcl=4h3bo3 + 2nacl,

28、b4o5 (oh) 4 2- + 5h2o 2 h3bo3 + 2b(oh) 4,b4o72- + h2o hb4o7 - + oh,也可写成,71,硼砂同b2o3一样，在熔融状态能溶解一些金属氧,化物，并依金属的不同而显出特征的颜色(硼酸也有,此性质)。例如,na2b4o7+coo2nabo2co(bo2)2(蓝宝石色,72,b和si三对元素之间,对角线规则,周期表相邻两族位于从左上到右下的对角线上,的元素有许多相似之处,这种相似性比较明显地表现在li和mg、be和al,73,自检题,2.碳酸盐的溶解度均比酸式碳酸盐的溶解度小。（,一、是非题,1. 硼是非金属 元 素， 但它的电负性比氢小。

29、（,3. 在b2h6分子中有两类硼氢键,一类是通常的硼氢,4.非金属单质不生成金属键的结构,所以熔点比较低,硬 度比较小,都是绝缘体,键,另一类是三中心键, 硼与硼之间是不直接成键的,74,d 在简单的二元化合物中总是缺电子的,二、选择题,1 硼的独特性质表现在,a 能生成正氧化态化合物如bn,其它非金属则不能,b 能生成负氧化态化合物,其它非金属则不能,c 能生成大分子,75,a二氧化硅中，硅氧原子个数之比为12 b二氧化硅晶体是立体网状的原子晶体 c二氧化硅中，si-o键的键能大 d二氧化硅晶体中原子以共价键相结合,2. 关于乙硼烷的结构，下列叙述中错误的是(,a .b原子采用sp3杂化,

30、b.含有b - b键,c.四个b - h 键共平面,d.有二个三中心二电子键,3二氧化硅的熔沸点较高的原因是 （,76,a b和al b b和si c b和mg d b和c,4.下列元素性质最相似的是,三、简答题: 1 为什么sicl4水解而ccl4不水解? 2 为什么说h3bo3是一个一元弱酸,77,78,硼酸根的结构,基本结构单元为bo3平面三角形和 bo4四面体构成,79,金刚石,合成金刚石的新方法。 20世纪50年代高温高压石墨转化为金刚石,金刚石的外观是无色透明的固体，为原子晶体，每个碳原了都以sp3杂化轨道和其它四个原子形成共价键，形成一种网状的巨形分子,再由于c一c键的键能相当高,使得金刚石在所有物质中，它的硬度最大。分子中没有自由电子,不导电;在工业上可用于刀具来切割金属及制造高档装饰品,20世纪80年代微波炉中烃分解为金刚石。 20世纪90年代ccl4+na得到金刚石微晶,80,石墨,石墨分子结构是层形结构，每层是由无限个碳六元环所形成的平面，其中的碳原子取sp2杂化，与苯的结构类似，每个碳原子