第21讲 碳族元素

1、无机化学无机化学18.1 18.1 碳族元素概述碳族元素概述18.2 18.2 碳族元素的单质碳族元素的单质 18.3 18.3 碳的化合物碳的化合物18.4 18.4 硅的化合物硅的化合物18.5 18.5 锡、铅的化合物锡、铅的化合物中南大学化学化工学院中南大学化学化工学院第十八章第十八章 碳族元素碳族元素 无机化学无机化学掌握碳单质的同素异形体和碳的重要化合物掌握碳单质的同素异形体和碳的重要化合物,特别是碳酸盐的性质特别是碳酸盐的性质熟悉硅及其化合物熟悉硅及其化合物,特别是硅酸盐的性质特别是硅酸盐的性质了解锡、铅的重要化合物了解锡、铅的重要化合物氧化物、氢氧化物氧化物、氢氧化物和硫化物及

2、其性质以及和硫化物及其性质以及Sn()的还原性和的还原性和Pb()的难溶盐和的难溶盐和Pb()的氧化性的氧化性 本章学习要求本章学习要求无机化学无机化学18.1 18.1 碳族元素概述碳族元素概述 碳族碳族(IVA)：碳：碳(carbon , C), 硅硅(silicon, Si), 锗锗(germanium, Ge), 锡锡(tin, Sn), 铅铅(lead, Pb)18.1 碳族元素概述碳族元素概述 价电子构型：价电子构型：ns2np2无机化学无机化学18.1 18.1 碳族元素概述碳族元素概述存在存在碳：碳：金刚石、石墨；煤、石油、天然气金刚石、石墨；煤、石油、天然气; 碳酸盐碳酸盐;

3、 CO2 ; 生物体内等生物体内等硅：硅：SiO2和各种硅酸盐和各种硅酸盐锗：锗：硫银锗矿硫银锗矿4Ag2SGeS2 硫铅锗矿硫铅锗矿2PbS GeS2锡：锡：锡石锡石 SnO2铅：铅：方铅矿方铅矿 PbS，白铅矿，白铅矿 PbCO3金刚石金刚石锡石锡石方铅矿方铅矿无机化学无机化学18.2 18.2 碳族元素单质碳族元素单质18.2 碳族元素单质碳族元素单质18.2.1 18.2.1 碳碳 ( (同素异形体同素异形体) )金刚石金刚石：原子晶体：原子晶体,硬度最大硬度最大,熔点最高。熔点最高。 石石 墨墨：层状晶体：层状晶体 ，质软，有金属光泽。过渡型晶体，质软，有金属光泽。过渡型晶体 。富勒

4、烯富勒烯：原子排列为球体或椭球体，：原子排列为球体或椭球体，C60、C70 等。分等。分子晶体。子晶体。 碳纳米管碳纳米管：由类似石墨的六边形网格所组成的管状物，：由类似石墨的六边形网格所组成的管状物，管子一般由单层或多层组成管子一般由单层或多层组成,两端封闭。两端封闭。 无定形碳无定形碳：无定形碳实际是石墨的微晶体：无定形碳实际是石墨的微晶体 。无机化学无机化学18.2 18.2 碳族元素单质碳族元素单质石墨石墨(sp2杂化杂化)金刚石金刚石 (sp3杂化杂化)无机化学无机化学18.2 18.2 碳族元素单质碳族元素单质足球烯足球烯 (富勒烯富勒烯) C60 (sp2杂化杂化)碳纳米管碳纳米

5、管无机化学无机化学18.2 18.2 碳族元素单质碳族元素单质18.2.2 18.2.2 硅和锗硅和锗u硅硅有晶态有晶态(银灰色银灰色)和无定形和无定形(黑色粉末黑色粉末)两种。两种。 无定形硅无定形硅晶态硅晶态硅晶态硅类似金刚石；采用区域熔炼法制备超纯晶态硅类似金刚石；采用区域熔炼法制备超纯单晶硅单晶硅硅不与任何酸作用，但能溶于硅不与任何酸作用，但能溶于HF和和HNO3的混合液中的混合液中强碱能与硅生成硅酸盐强碱能与硅生成硅酸盐Si + 2KOH + H2O K2SiO3 + 2H2 (g)无机化学无机化学锗单质：灰白色金属，锗单质：灰白色金属， 硬而脆硬而脆(结构类似金刚石结构类似金刚石)

6、超高纯锗也通过区域熔炼法制备。超高纯锗也通过区域熔炼法制备。锗锗18.2 18.2 碳族元素单质碳族元素单质锗锗无机化学无机化学18.2 18.2 碳族元素单质碳族元素单质锡锡单质的三种同素异形体单质的三种同素异形体18.2.3 18.2.3 锡和铅锡和铅 灰锡灰锡(锡锡) 白锡白锡(锡锡) 脆锡脆锡 在空气中，锡在表面生成一层致密的保护膜在空气中，锡在表面生成一层致密的保护膜 有一定的抗腐蚀性有一定的抗腐蚀性 。锡无毒。锡无毒 。13.2161铅铅单质：质软，能阻挡单质：质软，能阻挡X射线。射线。 铅盐的毒性大铅盐的毒性大 。金属锡金属锡金属铅金属铅无机化学无机化学18.3 18.3 碳的化

7、合物碳的化合物18.3 碳的化合物碳的化合物18.3.1 18.3.1 一氧化碳一氧化碳结构结构 CO与与N2是等电子体是等电子体, 结构相似结构相似 :C O:C O: 一个一个键键两个两个键键无机化学无机化学18.3 18.3 碳的化合物碳的化合物性质性质 作为配体，形成羰基配合物作为配体，形成羰基配合物(C为配位原子为配位原子) Fe(CO)5 Ni(CO)4 Co2(CO)8 还原剂还原剂 (g)CO(g)O21CO(g)22(g)3CO2Fe(s)3CO(g)(s)OFe232 剧毒剧毒无机化学无机化学18.3 18.3 碳的化合物碳的化合物18.3.2 18.3.2 二氧化碳二氧化

8、碳结构结构 C sp杂化杂化 直线型分子直线型分子 ：OO ：C43 CO2的温室效应。的温室效应。 CO2分子中除了分子中除了键外，尚存在键外，尚存在2个三中心四电子大个三中心四电子大键键CO2的偶极矩为零。的偶极矩为零。 无机化学无机化学18.3 18.3 碳的化合物碳的化合物18.3.3 18.3.3 碳酸及其盐碳酸及其盐 CO2溶于水，主要为溶于水，主要为CO2H2O，极少为，极少为H2CO3 在在298K时，时，c(CO2) : c(H2CO3) = 600 : l 11-2-23-3-71-332104.7 COH HCO104.2 HCOH COHKK CO32-的结构的结构CO

9、32-与与BF3为等电子体为等电子体C：sp2杂化杂化COOO2-64 无机化学无机化学18.3 18.3 碳的化合物碳的化合物 碳酸盐的溶解度碳酸盐的溶解度易溶盐易溶盐 Na2CO3 NaHCO3 K2CO3 KHCO3100溶解度溶解度 45 16 156 60(g/100g H2O)COOOHOOHOC2-存在氢键，形成存在氢键，形成二聚物或多聚物二聚物或多聚物COOOCOOOHOCOOHH-其它金属其它金属(含含Li)碳酸盐难溶于水碳酸盐难溶于水, 且酸式盐溶解度大于正盐。且酸式盐溶解度大于正盐。无机化学无机化学18.3 18.3 碳的化合物碳的化合物碳酸及其盐的热稳定性碳酸及其盐的热

10、稳定性 H2CO3 MHCO3 60%)，且具有优良的耐火，且具有优良的耐火性和耐气候性，可在地铁、影院、电视发射中心等防火和隔音性和耐气候性，可在地铁、影院、电视发射中心等防火和隔音要求较高的场合，用作吸音材料。要求较高的场合，用作吸音材料。无机化学无机化学氧化锡气敏材料氧化锡气敏材料易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、报警和控制。金属氧化易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、报警和控制。金属氧化物半导体传感器在气敏传感器中占有重要的地位。由于气体响物半导体传感器在气敏传感器中占有重要的地位。由于气体响应过程主要发生在敏感材料表面，所以薄膜型气敏材料被广泛应过程主要发生在敏感材料表面，所以薄膜型气

11、敏材料被广泛采用。采用。SnO2是目前应用最广泛的半导体气敏材料。是目前应用最广泛的半导体气敏材料。SnO2在空气在空气中稳定，对中稳定，对CO、H2、CH4等还原性气体响应灵敏。吸附气体引等还原性气体响应灵敏。吸附气体引起起SnO2表面电子得失，半导体能带发生改变，产生可以检测的表面电子得失，半导体能带发生改变，产生可以检测的电信号，可以监测气体并检测气体浓度。电信号，可以监测气体并检测气体浓度。SnO2气敏传感器敏感气敏传感器敏感薄膜可以采用磁控溅射、气相沉积、溶胶薄膜可以采用磁控溅射、气相沉积、溶胶-凝胶等方法制备。通凝胶等方法制备。通过对过对SnO2掺杂不同的材料，还可以制作成对不同气体敏感的传掺杂不同的材料，还可以制作成对不同气体敏感的传感器，提高传感器的灵敏度、选择性和响应性。感器，提高传感器的灵敏度、选择性和响应性。SnO2气敏传感