课件东师第14章碳族元素

1、1 碳族元素概述碳族元素概述 A 族元素族元素 CSiGeSnPb 价层电子构型价层电子构型 ns2np2 主要氧化值主要氧化值 0、+2、+4 从从C Pb +2 氧化态稳定性增强氧化态稳定性增强 +4 氧化态稳定性减弱氧化态稳定性减弱 ns2 稳定性稳定性惰性电子对效应惰性电子对效应 2 碳碳 C 单质单质 石墨，金刚石，石墨，金刚石，C60 ，C70 无机化合物无机化合物 CO2 ，白云石，白云石 MgCa (CO3)2 ， 石灰石、大理石、方解石石灰石、大理石、方解石 CaCO3 有机化合物有机化合物 动植物体，煤动植物体，煤 ，石油，石油 ， 天然气天然气 碳元素是构成有机物骨架的元

2、素碳元素是构成有机物骨架的元素3 硅硅 Si 以以 SiOSi 键存在，丰度排第键存在，丰度排第 2 位位 存在于水晶、石英、存在于水晶、石英、SiO2 和其它硅酸盐矿物中和其它硅酸盐矿物中 硅元素是构成无机物骨架的元素硅元素是构成无机物骨架的元素 锗锗 Ge 锗石矿锗石矿 Cu2SFeSGeS2 锡锡 Sn 锡石矿锡石矿 SnO2 , 云南个旧称为锡都云南个旧称为锡都 铅铅 Pb 方铅矿方铅矿 PbS，白铅矿白铅矿 PbCO3 4141 碳单质及其化合物碳单质及其化合物1 碳的同素异形体碳的同素异形体1411 碳元素的单质碳元素的单质 （1）金刚石）金刚石 原子晶体，硬度最大，熔点原子晶体，

3、硬度最大，熔点 （3823 K）最高的单质，化学性）最高的单质，化学性质很稳定。质很稳定。 碳原子碳原子 sp3 等性杂化，无离等性杂化，无离域域 电子电子 ，不导电。，不导电。金刚石的晶体结构金刚石的晶体结构5（2）石墨）石墨 硬度较小，熔点较高，硬度较小，熔点较高，表现出一定程度的化学活性。表现出一定程度的化学活性。 碳原子以碳原子以 sp2 杂化，形成片杂化，形成片层结构层结构 。 每个碳原子的未参与杂化的每个碳原子的未参与杂化的 p 电子，形成大电子，形成大 键。键。这些离域电子使得石墨具有良好导电性。层间的分子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，

4、故石墨质软具有润滑间力很弱，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。性。可制作电极、热电偶、坩锅、铅笔芯等。 nn6（3）碳原子簇）碳原子簇 C60 室温下为分子晶体，室温下为分子晶体，具有较高的化学活性。具有较高的化学活性。 60 个碳原子构成近似于球个碳原子构成近似于球形的形的 32 面体，即由面体，即由 12 个正五个正五边形和边形和 20 个正六边形组成，个正六边形组成，相当于截角正相当于截角正 20 面体。面体。 每个碳原子以每个碳原子以 sp2 杂化轨道和相邻三个碳原子相连，杂化轨道和相邻三个碳原子相连，未参加杂化的未参加杂化的 p 轨道在轨道在

5、 C60 的球面形成大的球面形成大 键。键。 C60 分子分子(富勒烯富勒烯 )的结构的结构 7（3）碳原子簇）碳原子簇 1985 年，年，C60 的发现是人的发现是人类对碳认识的新阶段，是科学类对碳认识的新阶段，是科学上的重要发现。美国科学家上的重要发现。美国科学家 Curl 和和 Smalley 教授及英国科教授及英国科学家学家 Kroto 教授为此获得教授为此获得 1996 年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。 思考题：根据思考题：根据C60 的结构，的结构，12 个五边形，个五边形，20 个六边形，试计算一个个六边形，试计算一个C60 分子中，有多少个单分子中，有多少个单键和双键？键和双键

6、？82 碳单质的还原性碳单质的还原性 在冶金工业上，焦炭用来还原金属氧化物，如：在冶金工业上，焦炭用来还原金属氧化物，如： ZnO + C Zn ( g ) + CO ( g ) (1) 该反应为何在该反应为何在1200K温度下进行？产物为什么是温度下进行？产物为什么是CO，而不是而不是 CO2？ 该反应可以看作是下列两反应差的该反应可以看作是下列两反应差的 2 C + O2 2 CO （b） 2 Zn + O2 2 ZnO （d） 可通过各反应的可通过各反应的 rGm 随温度随温度 T 的变化来说明的变化来说明 。 129 根据根据 rGm = rHm T rSm ，作，作 rGm 随温度随

7、温度 T 的变化的变化 曲线，是斜率为曲线，是斜率为 -rSm 的直线。的直线。 C + O2 CO2 (a)rSm = 2.9 JK-1mol-1 2 C + O2 2 CO (b) rSm = 178.8 JK-1mol-1 2 CO + O2 2 CO2 (c) rSm = -173.0 JK-1mol-1 2 Zn + O2 2 ZnO (d) rSm = -201 JK-1mol-110rGm / kJmol1 在在 (d) (b) 两线交点所对应的温度两线交点所对应的温度 T1 1200K 下，反下，反应应 (d) 和反应和反应 (b) 的的rGm相等，反应相等，反应 (1) 的的

8、rGm 0当当 T T1 时，反应时，反应 (1) 的的rGm T2 时，产物为时，产物为 CO2，而不是，而不是 CO。12 1 一氧化碳一氧化碳1412 碳的含氧化合物碳的含氧化合物 （1）实验室制备：）实验室制备： 方法一：将甲酸滴加到热浓硫酸中，方法一：将甲酸滴加到热浓硫酸中， HCOOH CO + H2O CO 气体在水中的溶解度很小，从水中逸出。气体在水中的溶解度很小，从水中逸出。 方法二：草酸晶体与浓硫酸共热，方法二：草酸晶体与浓硫酸共热， H2C2O4 CO2 + CO + H2O 生成的混合气体通过固体生成的混合气体通过固体 NaOH，吸收掉，吸收掉 CO2 和少和少 量的水

9、汽得到纯净的量的水汽得到纯净的 CO。13 （2）工业制备：）工业制备： 将空气和水蒸气交替通入红热炭层，通入空气时：将空气和水蒸气交替通入红热炭层，通入空气时： 2 C + O2 = 2 CO rHm = -221.04 kJmol-1 得到的气体的体积组成为：得到的气体的体积组成为： CO：CO2 ：N2 = 25： 4：70 （发生炉煤气）（发生炉煤气） 通入水蒸气时的反应：通入水蒸气时的反应： C + H2O = CO + H2 rHm = 131.30 kJmol-1 得到的混合气体的体积组成为：得到的混合气体的体积组成为： CO ：CO2 ：H2 = 40 ：5：50 （水煤气）（

10、水煤气）14 思考题：为什么制水煤气要将空气和水蒸气交思考题：为什么制水煤气要将空气和水蒸气交替通入红热炭层？替通入红热炭层？ 提示：提示： 因为通入水蒸气时，体系吸收热量，温度降低，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。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：的分子轨道式：一个一个 键键 两个两个 键键(含一个配位键含一个配位键)222222s2222KK() () () () ()yzxsppp15（4）性质）性质1）作配位体，形成羰基配合物，如：）作配位体，形成羰基配合物，如：Fe(CO)5, Ni(CO)4, Co2(C

11、O)8 其中其中C是配位原子是配位原子 3）剧毒）剧毒 2）还原剂）还原剂 微量的微量的 CO 通入通入 PdCl2 溶液中，会使溶液变黑，溶液中，会使溶液变黑，可鉴定可鉴定 CO： CO + PdCl2 + H2O Pd + CO2 + 2 HCl 16 2 二氧化碳二氧化碳 工业上工业上 CO2 用于制备纯碱、小苏打、碳酸氢氨、用于制备纯碱、小苏打、碳酸氢氨、啤酒、饮料、干冰。啤酒、饮料、干冰。 在常压下，干冰不经熔化，于在常压下，干冰不经熔化，于 194.5 K 时直接升时直接升华气化，因此常用来做制冷剂和人工造雨。华气化，因此常用来做制冷剂和人工造雨。 着火的镁条在着火的镁条在 CO2

12、 气中能继续燃烧，所以气中能继续燃烧，所以 CO2 不助燃也是相对的。不助燃也是相对的。1743 ：O C O ：经典的分子结构：经典的分子结构：O=C=OOC=O双键键长双键键长124pm (在在CH3-C-CH3中中)C O叁键键长叁键键长113pmCO2中，碳、氧之间键长中，碳、氧之间键长116pmC：sp杂化杂化固体二氧化碳：干冰固体二氧化碳：干冰18OOC43 43 193 碳酸和碳酸盐碳酸和碳酸盐碳酸分子和碳酸根负离子的结构示意图碳酸分子和碳酸根负离子的结构示意图64 1） 碳酸碳酸 碳酸碳酸 H2CO3 是二元弱酸，其解离平衡常数是二元弱酸，其解离平衡常数 如下如下: H2CO3

13、 H+ + HCO3 4.46107 HCO3 H+ + CO32 4.681011 1K2K202） 碳酸的盐类碳酸的盐类 碳酸的盐类有两种碳酸的盐类有两种碳酸盐和碳酸氢盐碳酸盐和碳酸氢盐。 碱金属的碳酸盐及碳酸铵易溶于水，但碱金属的碳酸盐及碳酸铵易溶于水，但 Li 和和其它的金属的碳酸盐难溶于水。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。等的溶解度则较大。 易溶的易溶的 Na2CO3 和和 (NH4)2CO3 等，其对应的等，其对应的碳酸氢盐碳酸氢盐 NaHCO3 和和 NH4HCO3

14、的溶解度却相对的溶解度却相对较小。较小。 21 氢氧化物碱性较强的金属离子与之反应生成碳氢氧化物碱性较强的金属离子与之反应生成碳酸盐沉淀。酸盐沉淀。 例如：例如：Ba2+、Sr2+和和Ca2+等。等。 金属离子加入可溶性碳酸盐时，生成沉淀的类型：金属离子加入可溶性碳酸盐时，生成沉淀的类型：(s)BaCOCOBa3-232氢氧化物碱性较弱的金属离子与之反应生成碳酸氢氧化物碱性较弱的金属离子与之反应生成碳酸羟盐羟盐(碱式碳酸盐碱式碳酸盐)沉淀。沉淀。 例如：例如：Pb2+、Bi3+、Cu2+、Cd2+、Zn2+、Hg2+、Co2+、Ni2+和和Mg2+等。等。 CO32 + H2O HCO3 +

15、OH 22 水解性强、两性的金属离子与之反应生成氢氧水解性强、两性的金属离子与之反应生成氢氧化物沉淀。化物沉淀。例如：例如：Al3+、Fe3+、Cr3+、Sn2+、Sn4+和和Sb3+等。等。(g)3CO(s)Al(OH)2O3H3COAl2232-233+(g)CO(s)CO(OH)MgOH2CO2Mg23222-232+(g)CO(s)CO(OH)CuOH2CO2Cu23222-232+23 OM2 O C 2 O MCO3(s) MO(s) CO2阳离子极化能力越强，越不稳定，分解温度越低阳离子极化能力越强，越不稳定，分解温度越低点击点击3） 碳酸碳酸和碳酸盐和碳酸盐的热稳定性的热稳定性

16、(反极化作用反极化作用)24（1）H2CO3 MHCO3 M2CO3（2）同一族金属的碳酸盐稳定性从上到下增加）同一族金属的碳酸盐稳定性从上到下增加 BeCO3 MgCO3 CaCO3 SrCO3 BaCO3分解分解 T / 100 540 900 1290 1360（3）过渡金属碳酸盐稳定性差）过渡金属碳酸盐稳定性差 CaCO3 PbCO3 ZnCO3 分解分解 T / 900 315 350 价电子构型价电子构型 8e (18+2)e 18e251 单质硅的性质单质硅的性质 晶体硅呈灰黑色，高熔点，高硬度。晶体硅呈灰黑色，高熔点，高硬度。 硅的所有价电子参与硅的所有价电子参与 键的形成，在

17、平常状态下键的形成，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，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。就有了空轨道。 高纯硅是良好的半导体材料。高纯硅是良好的半导体材料。142 硅单质及其化合物硅单质及其化合物1421 单质硅单质硅261) 常温下，单质硅可与非金属单质常温下，单质硅可与非金属单质 F2 发生反应发生反应 Si + 2F2 SiF4 Si 在常温下不活泼，而在高温下可以和在常温下不活泼，而在高温下可以和 O2、Cl2 、N2 反应，也可以和反应，也

18、可以和 Ca ，Mg ，Mn 等金属反应。等金属反应。2) 常温下，单质硅可以和强碱溶液作用放出氢：常温下，单质硅可以和强碱溶液作用放出氢： Si + 4 OH SiO44 + 2 H2 但却不能和水、酸作用。但却不能和水、酸作用。3) 加热或在有氧化剂存在的条件下，可以和氢氟酸反应：加热或在有氧化剂存在的条件下，可以和氢氟酸反应：3 Si + 18 HF + 4 HNO3 3 H2SiF6 + 4 NO + 8 H2O272 单质硅的制取单质硅的制取粗硅的取得粗硅的取得：SiO2 + 2 C Si (粗粗) + 2 CO粗硅提纯：粗硅提纯： Si + 2 Cl2 SiCl4 ( l )电炉电炉1800 400600 蒸馏得纯蒸馏得纯 SiCl4 ，用活泼金属锌或镁还原，用活泼金属锌或镁还原 SiCl4 得纯硅：得纯硅： SiCl4 + 2 Zn Si (纯纯) + 2 ZnCl2 28用区域熔融法进一步提纯得到生产半导体用的高纯硅。用区域熔融法进一步提纯得到生产半导体用的高纯硅。291422 硅的含氧化合物硅的含氧化合物1 二氧化硅二氧化硅 1）结构）结构：Si 采用采用 sp3 杂化轨道与氧形成硅氧四面体杂化轨道与氧形成硅氧四面体Cristobalite(方石英方石英) 化学键化学键 轮廓线轮廓线 氧原子氧原子 硅原子硅原子 氧原子氧原子