第4章碳族元素ppt课件

1、4-1 碳族元素通性 C Si Ge Sn Pb A族 一、碳族元素一、碳族元素（在周期表中位置：第A族）C SiGe Sn Pb相似性相似性 递变性递变性1、最外层都有4个电子，化合价主要有+4和+2，易形成共价化合物。2、气态氢化物的通式：RH43、最高价氧化物对应的水化物通式为H2RO3或R(OH)4单质物性单质化性主要氧化态稳定性逐渐增大熔沸点降低单质密度增大非金属性减弱、金属性增强最高价氧化物对应水化物的酸性减弱氢化物的稳定性减弱2s22p23s23p24s24p25s25p26s26p224主要氧化态稳定性逐渐减小EA1基本上逐渐减小 I1逐渐减小- 4- 3- 2- 101234

2、- 6- 5- 4- 3- 2- 101234碳族元素的G / F ( V ) Z 图P b O2( - 0 . 5 9 2 )ZG / F ( V )H2S i O3( - 3 . 0 6 )S i O2( - 3 . 4 4 )S n ( O H )62 -( - 3 . 5 1 )H G e O3-( - 4 . 0 )S i F42 -( - 4 . 8 )S i O32 -( - 6 . 8 1 )C O32 -( - 3 . 0 6 )H S n O2-( - 1 . 5 9 )H P b O2-( - 1 . 1 5 2 )H C O O-( - 1 . 0 4 )G e O2(

3、 - 0 . 2 2 )P b2 +( - 0 . 2 5 2 )S n2 +( - 0 . 2 8 )S n4 +( 0 . 0 2 )G e2 +( 0 . 4 6 )C O2( 0 . 7 8 )H2C2O4( 1 . 2 7 )H C O O H ( 1 . 1 8 )C O ( 1 . 0 2 )P b O2( 2 . 6 5 8 )G e H4( 4 . 4 )S i H4( 2 . 9 2 )C H4( 2 . 9 )G e H4( 1 . 2 )S i H4( - 0 . 4 0 8 )C H4( - 0 . 5 2 )e4-2 单质一、碳一、碳3种同素异形体种同素异形体 60

4、70140,CCC金刚石石墨富勒烯C60金刚石金刚石石墨石墨过渡型晶体，层内C sp2杂化，层-层之间范德华力；层上、下有nn离域 。层内：142pm, 层间：335pm键 导电、耐高温、化学惰性、导热、解离性。（一石墨（一石墨无定型C：石墨的一种活性C作脱色剂 插入型或层间化合物例如：C8K原子晶体，C sp3杂化，高熔点，高沸点，高硬度。（二金刚石（二金刚石用于制造钻头和磨削工具（三富勒烯（三富勒烯C60，C70，C140巴基球巴基球C 6 0 的 发 现 者 之 一的 发 现 者 之 一R.E.Smalley教授教授 Kroto, Curl, Smalley3位主要发现者获“诺贝尔化学奖

5、”。主要贡献:在理论方面的，对现有“化学键理论形成强大冲击：球面也可形成离域键。Rb-C60导电超导体；富勒烯化合物作“催化剂”。 1985年，英国科学家H.W.K.kroto等用质谱仪,得到C60为主的质谱图。受建筑学家BuckminsterFuller设计的球形薄壳建筑结构的启发，将 C60分子命名为布克米尼斯特富勒(BuckminsterFuller )C60的发现的发现C60的结构的结构 空心球体，空心球体， 60个碳原子构成的球形个碳原子构成的球形32面体，由面体，由12个五个五边形和边形和20个六边形构成。五边形彼此不相连，只与六边形个六边形构成。五边形彼此不相连，只与六边形相连。

6、相连。1个C参加2个六元环1个五元环，3个键，键角之和为348，sp2.28 剩下的p轨道形成离域键, C60有二种CC键长60个单键和30个双键。139pm，146pm 富勒烯的应用前景（C26,C32,C44,C50,C70,C80,C90)1991年，赫巴德(Hebard)等首先提出掺钾C60具有超导性，超导起始温度为18K，有机超导体(Et)2CuN(CN)2Cl超导起始温度为12.8KRb3C60的超导体，超导起始温度为29K。北京大学和中国科学院物理所合作，合成了K3C60和Rb3C60的超导体，超导起始温度分别为8K和28K。有科学工作者预言，如果掺杂C240和掺杂C540，有可

7、能合成出具有更高超导起始温度的超导体。光、电、磁等材料方面具有良好的应用前景。C60F60：超级耐高温材料Li-C60：高效锂电池Ln-C60：发光材料1991年，日本电气公司的饭岛澄男S. Iijima在研究巴基球分子的过程中发现碳纳米管多壁管）。1993年又发现单壁碳纳米管。 碳纳米管二、硅二、硅硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体1 1、灰黑色，有金属光泽，硬而、灰黑色，有金属光泽，硬而 脆的固体脆的固体2 2、熔、沸点高、硬度大、熔、沸点高、硬度大3 3、晶体硅是良好的半导体、晶体硅是良好的半导体常温下，硅的化学性质不活泼，除氢氟酸、氟气、强碱外,不跟其他物质如：氧气、氯气、硫酸等起反应

8、，但在加热情况下，硅也能跟一些非金属反应。高温下化学性质活泼晶体硅是原子晶体，金刚石结构1 1、与氟气反应：、与氟气反应：2 2、与氢氟酸反应：、与氢氟酸反应：3 3、与强碱溶液反应：、与强碱溶液反应：4 4、与氯气反应：、与氯气反应：5 5、与氧气反应、与氧气反应Si+2F2=SiF4Si+4HF=SiF4+2H2Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2Si+2Cl2=SiCl4Si+O2=SiO2 3Si(s) +4HNO3+18HF=3H2SiF6+4NO+8H2O H2SiF6 氟硅酸，强酸。 Si+ 2C = SiC6 6、与、与C C反应反应高温2273K7 7、与、与N2

9、N2反应反应Si+ 2N2 = Si3N4高温1573K8 8、与混酸反应、与混酸反应9 9、与金属反应、与金属反应2Mg+ SiMg2Si集成电路、晶体管、硅整流器等半导体材料，还可以制成太阳能电池、硅的合金可用来制造变压器铁芯等。（四）、用途（四）、用途集成电路晶体管（三）、存在（三）、存在在自然界中，没游离态的硅，以化合态存在，例如：硅酸盐等，在地壳中含量居第二位。三、锗、锡、铅三、锗、锡、铅锗：金刚石型原子晶体，熔点：1210K，半导体灰 锡脆 锡白 锡液 态 锡型金刚石型正方晶系 型正方晶系型正交晶系13.2C161C231.9C铅：淡青色的重金属锡：灰锡、白锡、脆锡通性：锗、锡、铅

10、中等活泼金属，锗、锡常温下不与通性：锗、锡、铅中等活泼金属，锗、锡常温下不与空气中的氧作用，也不与水作用空气中的氧作用，也不与水作用铅在空气中迅速被氧化，形成氧化膜保护层铅在空气中迅速被氧化，形成氧化膜保护层Pb + O2 + 2H2O = 2Pb(OH)2（一物理性质二、化学性质1 1、与、与X2X2反应反应2 2、与、与S S反应反应3 3、SnSn、PbPb与强碱反应与强碱反应Ge GeCl4Sn + Cl2 SnCl4Pb PbCl2Ge GeSSn + S SnSPb PbSSn + NaOH + 2H2O NaSn(OH)3 + H2Pb + NaOH + 2H2O NaPb(OH

11、)3 + H2Ge+ 2 NaOH + H2O2 Na2GeO3 + H2H2O AGe2+ / Ge + 0.23Sn2+ / Sn - 0.1375Pb2+ / Pb - 0.1263GeSnPbHCl不反应SnCl2+H2Pb+2HCl(稀)=PbCl2+HPb +3HCl(浓)=HPbCl3+H2 H2SO4Ge+H2SO4(浓)Ge(SO4)2似左Pb H2SO4(浓) Pb(HSO4) + SO2+2H2OSn + H2SO4(稀)= SnSO4 + H2Pb + H2SO4(稀) = PbSO4+ H2HNO3Ge+HNO3(浓)GeO2XH2OHNO3(浓)：似左 SnO2xH

12、2O-锡酸，不溶于酸碱Sn + HNO3(很稀) Sn(NO3)2 +NH4NO3Pb + HNO3(稀) Pb(NO3)2 + NOHAc + O2 2Pb + O2 = 2PbOPbO + 2HAc = Pb(Ac)2 +H2O 4 4与酸反应与酸反应4-3 碳族元素的重要化合物 1. 通式： Sin H2n+2 (n = 115) 从Si2H6起，含Si-Si键一、氢化物（一烃碳氢化合物）-有机化学（二硅烷杂化态 C Si sp sp2 sp3 sp3 sp3d2 C.N.max 4 6键离解能 C-C 345.6 Si-Si 222/kJmol-1 C-H 411 Si-H 295 C

13、-C 链长，烷种类多； Si-Si 链短（15个Si），硅烷种类少。 2. C与Si的比较掌握） (1) Si-Si较短，易断； (2) 硅烷化性比相似烃更活泼。4. 甲硅烷的化学性质 （1受热分解 SiH4(g) Si(s) + 2H2(g) （2强还原性 SiH4(g) + 8AgNO3(aq) + 2H2O = 8Ag+ SiO2+ 8HNO3 SiH4(g) + 2MnO4- =2MnO2 +SiO32- + H2O + H2 还原性 CH4 SiH4 Ka (HAc) = 1.810-5)（2分子结构 HOCOHO5 + 1 CO32- ：与NO3-、BF3、BO33-互为“等电子体

14、”COOO3 + 146(四四)碳酸盐碳酸盐2.水解性 Na2CO3 正盐 NaHCO3 酸式盐 （1Na2CO3水溶液pH计算方法(同Na3PO4) NaHCO3水溶液pH计算方法同NaH2PO4 H+ = = = 4.810-912KaKa7114.2 105.6 10水溶性:(1) 通常难溶于水,溶解度与 CO2的分压有关(2) Na2CO3的溶解度大于NaHCO3 (HCO3 容易发生双聚或多聚) （2M 2+与与Na2CO3溶液反应：溶液反应： MCO3 M2+ + CO32- M(OH)2 M2(OH)2CO3 具体反应的产物取决于 1溶液的离子积Q； 2KspMCO3和KspM(

15、OH)2的相对大小 例如：0.2 moldm-3 Na2CO3与0.20moldm-3CaCl2等体积混合教材p.126） Q （CaCO3）= (Ca2+)(CO32-) = 0.100.10 = 1.010-2 Ksp(CaCO3) = 2.010-9 QCa(OH)2）= (Ca2+)(OH-)2 = 0.10(4.510-3)2 = 2.010-6 酸式盐碱金属的碳酸盐稳定性大有效离子势rz有效离子势越大,极化作用越强,对 CO32-的反极化作用越大反极化作用-变形性3. 热稳定性热稳定性（五二氧化硅、硅酸与硅酸盐书133-） 1二氧化硅 原子晶体，以SiO4四面体为结构单元，无限大分

16、子 石英： 纯SiO2 。 白炭黑：“比表面积大，可填充橡胶。高温下: SiO2 + 2Mg = 2MgO + Si SiO2 + HF = SiF4 + 2 H2O SiO2 + 2OH- = SiO32- + H2O 600-900 SiO2 + NiO = NiSiO3B2O3 降低熔点和玻璃膨胀系数降低熔点和玻璃膨胀系数Al2O3 提高熔点提高熔点 ZnO 增加玻璃的抗腐蚀增加玻璃的抗腐蚀 H4SiO4 原硅酸 H2SiO3 偏硅酸 xSiO2yH2O 多硅酸胶冻状硅酸硅胶H2O硅酸2 硅酸(a) SiO44 (b) Si3O96 (c) Si4O128 (d) Si6O1812（1结

17、构单元：SiO44-四面体。各个SiO44-四面体通 过其用14个顶角氧原子连成 链 状环 状结 构 复 杂 阴 离 静 电 力阳 离 子层 状三 维（2普通玻璃组成：Na2SiO3CaSiO34SiO2（3天然泡沸石：Na2OAl2O32SiO2xH2O（4） 硅胶 干燥剂 Na2SiO3 CoCl2, CoCl26H2O 3 沸石分子筛硅铝酸盐硅铝酸盐: M2/nOAl2O3xSiO2yH2O: M2/nOAl2O3xSiO2yH2O 孔道孔道空腔空腔, ,吸附不同大小的分子吸附不同大小的分子吸附剂吸附剂: : 枯燥枯燥, ,净化或分离净化或分离催化剂催化剂: : 催化剂载体催化剂载体 广

18、泛应用于化工,环保,食品,医疗,能源,农业及日常生活,石油化工领域常见:A型,Y型,X型,M型一种含结晶水的铝硅酸盐多孔性晶体（“分子筛”）用于分离、提纯物质，或作催化剂载体。2xH O （五锗、锡、铅的氧化物及其水合物1.均呈两性 2: 4: BAAB氧化态均很弱均很弱2. PbO2强氧化性：强氧化性： 5PbO2(s) + 2Mn2+ + 4H+ = 5Pb2+ + 2MnO4-+ 2H2O 棕黑棕黑 紫色紫色 6s0 6s2 PbO2(s)+4HCl(浓浓) = PbCl2 + Cl2+ 2H2O3. PbO2的制备的制备: Pb(OH)3-+ClO-=PbO2+Cl-+OH-+H2O

19、PbO2(棕黑棕黑) 强氧化剂强氧化剂能氧化能氧化HCl,H2SO4,Mn2+Pb3O4 红色红色铅丹铅丹(2PbOPbO2)Pb3O4 + HNO3 = Pb(NO3)2 + PbO2 + H2OK2CrO4PbCrO4沉淀分离出来:4. 二氧化物与碱共熔二氧化物与碱共熔 GeO2+ NaOH = Na2GeO3 + H2O SnO2+ NaOH = Na2SnO3 + H2O Na2Sn(OH)6 PbO2+ NaOH = Na2PbO3 + H2O Na2Pb(OH)6 GeO2 + 2C + 2Cl2 = GeCl4 + 2CO25. Sn的氢氧化物Sn2+ + 2OH- = Sn(O

20、H)2(白色)Sn(OH)2 + OH- = Sn(OH)3-Sn(OH)3- = Sn(OH)62- + Sn锡酸 : (含水的SnO2胶状沉淀) Sn4+ 盐水解，与浓HCl, KOH作用 锡酸:晶体Sn + HNO3= x SnO2yH2O +4NO2 + H2O 不与浓HCl, KOH作用锡酸锡酸三、硫化物碱GeS红，弱B还原性GeS2白AB性SnS棕，弱B还原性SnS2黄AB增PbS黑，弱B 无PbS2 (6s2惰性电子对效应)强 酸性增强 *GeS和SnS都具还原性，可溶于Na2Sx SnS(s) + S22- = SnS32- 棕 H+ H2S+ SnS2SnS(s) + S22

21、- = H2S+ SnS2四、卤化物. .22R TPbClCl （一概述 稳 无CX2 CX4 定 无SiX2 SiX4 性 GeX2 GeX4 增 SnX2 SnX4 加 PbX2 PbF4 PbCl4无PbBr4无PbI4无PbS2（二SnCl2和SnCl4 SnCl2 SnCl4 R.T. 无色晶体 无色液体，不导电键型 有一定离子性 共价m.p. 246 -33b.p. 652 114水解 -锡酸 Sn(OH)2+H+ (SnO2xH2O) 氧化-还原性 常用还原剂 氧化性很弱 （Sn4+/Sn2+) = + 0.151 V SnCl2 + H2O = Sn(OH)Cl + H+ +

22、 Cl- H2O Sn(OH)2(s) 实为SnOxH2O (O2/H2O) =1.23V2()H OSn OH Cl SnSn(II) G /FSn()（1检定Hg2+ +1 2HgCl2 + SnCl2 = Hg2Cl2+ SnCl4 白 Hg2Cl2 + SnCl2 = 2Hg(l) + SnCl4 过量 黑 （2检定Bi3+ +4 2Bi(OH)3 + 3Sn(OH)42- = 3Sn(OH)62- + 2Bi 黑SnCl2水溶液配制称取SnCl2固体，加入少量盐酸；加水至刻度，加Sn粒保护。SnCl2作还原剂：五、铅的一些含氧酸盐教材p.131） PbSO4 (白） BaSO4 (白

23、) PbCrO4 (黄) BaCrO4 (黄)Ksp 1.310-8 1.0810-10 1.7710-14 1.610-10例 PbSO4(s) + 3OH- = Pb(OH)3- + SO42- K = Ksp(PbSO4) K稳(Pb(OH)3-) = 1.310-8 2.01013 = 2.6105PbSO4(s)可溶于浓H2SO4中或饱和的NH4AcPbCrO4 (黄)可溶于NaOH, BaCrO4 (黄)不溶2Pb+O2+CO2+H2O= Pb2(OH)2CO322334442()4( )34()4( )4( )4( )34( )424( )42()244( )4( )() ,()

24、 ,(),()()()()()() ()()()(aqsaqsssssaqssPb AcPb OHPbClPbIPb HSOPbSOPb AcNH AcHAcBaSOBaSOPbCrOPb OHOHBaCrOPb HSOPbSOPb HSOH SOBaSOBaSO因此：不溶过量不溶浓不溶24( )343)sPbSOHNOPbHSONOBaCrO4醋酸铅俗名叫“铅糖”,甜,有毒如何使这些沉淀溶解?PbS + H2O2 PbSO4+H2OPb2+ S+NO+H2OPbS + HCl(浓浓) = H2PbCl4 + H2SPbS + HNO3 现出土的古代壁画、泥桶常常是黑的，因为古代人用铅白作白颜

25、料,铅白与H2S作用成PbS黑色沉淀,因此可用此法使之变白。PbCrO4 + HNO3 = Pb2+ + Cr2O72+ NO3PbCl2 、PbI2 溶于热水溶于热水PbCl2 + HCl = H2PbCl4 PbI2 + KI = K2PbI4沉淀互相转化:Pb(NO3)2Na2SO4PbSO4(白白)KIPbI2 (黄黄)Na2CO3PbCO3 (白白) PbS 测验题：A为金属氧化物，金属所占的质量百分比为88.39%，A与Mn2+的HNO3溶液反应，溶液变为紫色，A 与Mn2+的盐酸溶液反应，则无紫色生成，但有黄绿色气体放出，将溶液慢慢蒸发，析出固体，已知0.234g的A与2mol/

26、l的盐酸反应可析出固体0.278g，同时放出的气体在373K，1.013105Pa时，体积为2.14升。向A的盐酸溶液中加入CrO42-,有黄色沉淀生成。通过相关的计算，回答下列问题：1. （1分写出分写出A的化学式的化学式. 解答：解答：PbO1.7 2. （2分分析其组成。分分析其组成。 解答：解答： 每摩尔的每摩尔的PbO1.7中，有中，有0.3摩尔的摩尔的PbO和和0.7摩尔的摩尔的PbO2。3. （4分写出所涉及的化学反应方程式分写出所涉及的化学反应方程式. PbO2 + 2 Mn2+ + 4H+ = 5Pb2+ + 2MnO4- + 2H2O PbO2 + 4HCl = PbCl2

27、 + Cl2 + 2H2O PbO + 4HCl = PbCl2 + 2H2O Pb2+ + CrO42- = PbCrO4 SnCl4 H2OH2SnO3+HCl (剧烈剧烈)Sn+Cl2(过过)HClS2 SnS2Na2SnS3Na2SH+SnS2 +H2S SnCl62+H2SHClH2SnCl6 Sn2+与 Sn()Sn2+Sn4+O2SnSS22SnS32 H+SnS2+H2SH2O,ClHCl+Sn(OH)ClFe3+Sn4+Fe2+OHSn(OH)2OHSn(OH)3Bi3+Bi+Sn(OH)6 2 HgCl2Hg2Cl2+ Sn4+Sn2+Hg+ Sn4+4-4 rG m -

28、T 图Ellingham图）冶金工业常用C或CO作金属矿物还原剂。 C或CO作还原剂的反应rGm受T影响； G = H - TS G - T成直线关系 斜率 -S , 截距 H 考虑C或CO作还原剂以下3个反应： （1C石墨）+ O2(g) = CO2(g) H = -393.5kJmol-1 S = 0.003kJmol-1K-1 斜率：-S 0很小）（22C石墨）+O2(g) = 2CO(g) H = -221.0kJmol-1 S = 0.179kJmol-1K-1 斜率：-S 0 1000 2000 T/K-200-400-600C+O2CO22C+O22CO2CO+O22CO2G /

29、kJmol-1C和CO的Ellingham图教材P.141）某物质与某物质与1mol O2(g) 反应的反应的rG m对温度对温度T作图，作图，称为该物质氧化物的称为该物质氧化物的Ellingham图。同理，可用图。同理，可用氯化物，硫化物氯化物，硫化物的的Ellingham图。图。 C和和CO的的Ellingham图可了解的信息图可了解的信息 1. 由图可见：由图可见：T ，C CO rG m C CO2 rG m 基本不变基本不变 CO CO2 rG m 高温下，高温下，C作还原剂的主要产物是作还原剂的主要产物是CO ，不是，不是CO2 2. 金属氧化物的金属氧化物的Ellingham图，其斜率图，其斜率 - S 0 (总是正的）总是正的） 2M(s) + O2(g) = 2MO(s) S T1 (1500K) 时，时， G3 0， 反响反响3）自发自发 ( )2( )23( )42,33sgsCrOCr OrG2343结论结论 在某温度范围内，位于Ellingham图下方线的还 原剂可以自发地把上方线的氧化物还原为单质。高温下