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1、碳族元素ppt教学要求：教学要求：1. 掌握碳、硅、锗、锡、铅的单质、氢化物、掌握碳、硅、锗、锡、铅的单质、氢化物、卤化物、硫化物、氧化物、含氧酸及其盐的结卤化物、硫化物、氧化物、含氧酸及其盐的结构和性质。构和性质。. 掌握锗分族元素及其化合物性质变化规律。掌握锗分族元素及其化合物性质变化规律。低价锡盐的还原性和常见铅盐的性质和用途低价锡盐的还原性和常见铅盐的性质和用途3. 认识碳、硅的相似性和差异性。认识碳、硅的相似性和差异性。4. 了解硅酸和硅酸盐的结构与特性。了解硅酸和硅酸盐的结构与特性。 第二节第二节 碳碳2-1 碳单质碳单质碳的同素异形体碳的同素异形体金刚石金刚石石石 墨墨碳碳-60

2、-60金刚石晶莹美丽，光彩夺目，是自然界最金刚石晶莹美丽，光彩夺目，是自然界最硬的矿石。在所有物质中，它的硬度最大。硬的矿石。在所有物质中，它的硬度最大。在所有单质中，它的熔点最高，达在所有单质中，它的熔点最高，达3823K。石墨很软，具有润滑性，导电导热，密度比石墨很软，具有润滑性，导电导热，密度比金刚石小，熔点比金刚石仅低金刚石小，熔点比金刚石仅低50K，为，为773K。1996年年10月月7日，瑞典皇家科学院决定把日，瑞典皇家科学院决定把1996年年诺贝尔化学奖授予诺贝尔化学奖授予Robert Fcurl.Jr (美国美国)、Harold W. Kroto(英国英国)和和Richard

3、E Smalley(美美国国)，以表彰他们发现，以表彰他们发现C60。335pm三种碳单质的分子结构图三种碳单质的分子结构图碳原子碳原子sp2杂化成键，剩余的杂化成键，剩余的 pz 轨道互相平行，均垂直于轨道互相平行，均垂直于分子平面，在层内形成大分子平面，在层内形成大mm键。有离域键。有离域 电子，所电子，所以石墨导电。层间的分子间以石墨导电。层间的分子间作用力小，易滑动，有润滑作用力小，易滑动，有润滑性。性。金刚石硬度最大，熔金刚石硬度最大，熔点最高的单质。点最高的单质。m.p. 3823K。 碳原子碳原子sp3等性杂等性杂化，无自由电子，化，无自由电子，不导电。不导电。 碳簇碳簇 以以

4、C60 （足球烯，富勒烯）为最常见。（足球烯，富勒烯）为最常见。用途和性质用途和性质金刚石俗称钻石，除用作装饰品外，主要用于制金刚石俗称钻石，除用作装饰品外，主要用于制造钻探用的钻头和磨削工具，是重要的现代工业造钻探用的钻头和磨削工具，是重要的现代工业原料，价格十分昂贵。原料，价格十分昂贵。由于石墨能导电，具有化学惰性，耐高温，易于成由于石墨能导电，具有化学惰性，耐高温，易于成型和机械加工，所以石墨被大量用来制作电极、高型和机械加工，所以石墨被大量用来制作电极、高温热电偶、坩埚、电刷、润滑剂和铅笔芯。温热电偶、坩埚、电刷、润滑剂和铅笔芯。C60可做超级耐高温的润滑剂，被视为可做超级耐高温的润滑

5、剂，被视为“分子滚分子滚珠珠”。把。把K、Cs、Tl等金属原子掺进等金属原子掺进C60分子的笼内，分子的笼内，就能使其具有超导性能。可用于制成低耗能电机。就能使其具有超导性能。可用于制成低耗能电机。再有再有C60H60这些相对分子质量很大的碳氢化合物热这些相对分子质量很大的碳氢化合物热值极高，可做火箭的燃料。值极高，可做火箭的燃料。2-2 无定形碳和碳的化学性质无定形碳和碳的化学性质无定形碳的种类无定形碳的种类活性炭活性炭木炭木炭焦炭焦炭骨炭骨炭炭黑炭黑常温下碳的化学性质是不活泼的，在高温下，它既可以与常温下碳的化学性质是不活泼的，在高温下，它既可以与氧反应作为能源提供热量，又可以作为还原剂用

6、于冶炼金氧反应作为能源提供热量，又可以作为还原剂用于冶炼金属矿物。所以有关于碳的反应都是高温反应属矿物。所以有关于碳的反应都是高温反应Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3COCuO + C = Cu + COCaO + 3C = CaC2 + CO2-3 碳的化合物碳的化合物一氧化碳一氧化碳KK( 2s)2( 2s*)2( 2py)2( 2pz)2( 2pz)2CO 结构式：结构式：制备制备工业水煤气法：工业水煤气法： CH2OCOH2(主要的主要的) COH2OCO2H2实验室法：实验室法： 浓浓H2SO4 HCOOHCOH2O 加热加热氧化物氧化物C O性质性质还还原原性性COPdCl

7、2H2OCO2Pd+ 2HClCO + 2Ag(NH3)2OH = 2Ag + (NH4)2CO3 + 2NH3高温还原：高温还原： CuO + CO = Cu + CO2 Fe2O33CO2Fe3CO2 羰羰基基化化反反应应CO容易与容易与B、B、族金属形成羰基配合族金属形成羰基配合物，如物，如Fe(CO)5，Ni(CO)4， Cr(CO)6等。这类等。这类配合物具有受热挥发的特点，高温下分解为金配合物具有受热挥发的特点，高温下分解为金属和属和CO， 用于提纯金属。用于提纯金属。 Ni + 4CO = Ni(CO)4 高温高温,低压低压 Ni(CO)4 = Ni + 4CO在羰基物在羰基物中

8、金属氧中金属氧化数为零化数为零配位反应配位反应Cu(NH3)2Ac + CO + NH3 = Cu(NH3)3COAc醋酸羰基三氨合铜醋酸羰基三氨合铜() Ac = CH3COOCO被人体吸收会引起中毒，这是由于它与血液中的血被人体吸收会引起中毒，这是由于它与血液中的血红蛋白结合为红蛋白结合为COHb ， 使使Hb失去输送氧气的能力。空失去输送氧气的能力。空气中只要有气中只要有1/800体积比的体积比的CO就能使人在半小时内死亡。就能使人在半小时内死亡。与非金属反应与非金属反应 Cr2O3ZnO，623673KCO2H2 = CH3OH Fe,Co或或Ni 523K, 101KPaCO3H2

9、= CH4H2O 活性碳活性碳COCl2 = COCl2二氧化碳二氧化碳O=C=OO=C=OCO2是酸性氧化物，能与碱反应。是酸性氧化物，能与碱反应。工业上工业上 CO2用于制备纯碱、小苏打、用于制备纯碱、小苏打、碳酸氢铵、啤酒、饮料、干冰。碳酸氢铵、啤酒、饮料、干冰。CO2NaHCO3Na2CO3NH4HCO3NaOHNaOH氨水氨水CO2用于作灭火剂。但着用于作灭火剂。但着火的镁条在火的镁条在CO2气中能继气中能继续燃烧，所以续燃烧，所以CO2不助燃不助燃也是相对的。也是相对的。2Mg + CO2 = 2MgO + CCO2的分子结构：的分子结构：C sp等性杂化，等性杂化，2 个个 键，

10、两个键，两个43 :O C O:. . .碳酸和碳酸盐碳酸和碳酸盐CO2溶于水生成碳酸，溶于水生成碳酸，弱酸，仅存在于水溶液中，弱酸，仅存在于水溶液中，碳酸盐是相当多的一类物质碳酸盐是相当多的一类物质碳酸根的结构碳酸根的结构热稳定性：正盐热稳定性：正盐酸式盐酸式盐酸酸COOOCOHOOH 2-正盐正盐碳酸碳酸COHOO-酸式盐酸式盐46C碳酸盐的性质碳酸盐的性质酸式碳酸盐是可溶的，正盐只有碱金属和铵盐是酸式碳酸盐是可溶的，正盐只有碱金属和铵盐是可溶的可溶的, 难溶碳酸盐均可溶于稀酸中：难溶碳酸盐均可溶于稀酸中：MCO32H+M2+CO2H2OCO32- + H2O HCO3- + OH-HCO

11、3- + H2O = H2CO3 + OH-2Al3+ + 3CO32- + 3H2O 2Al(OH)3 + 3CO22Cu2+ + 2CO32- + H2O Cu2(OH)2CO3 + CO2 热稳定性与阳离子的极化能力有关，阳离子的热稳定性与阳离子的极化能力有关，阳离子的极化能力越强，稳定性越差。稳定性：正盐极化能力越强，稳定性越差。稳定性：正盐 酸酸式盐式盐 碳酸碳酸碱金属盐碱金属盐 碱土金属盐碱土金属盐 重金属盐重金属盐碱土金属盐随半径的增大而增强碱土金属盐随半径的增大而增强热热稳稳定定性性水水解解性性溶溶解解性性 Na2CO3 ，K2CO3 和和 (NH4)2CO3 等均易溶于水。但

12、等均易溶于水。但 NaHCO3 ，KHCO3 和和 NH4HCO3 的溶解度相对小些。的溶解度相对小些。原因原因是是 HCO3 分子间有氢键，缔合成双聚酸根造成的分子间有氢键，缔合成双聚酸根造成的。若若M(CO3)n的的Ksp M(OH)n的的Ksp，则加入只生成，则加入只生成 M(CO3)n 沉淀。如沉淀。如 Ca2+，Sr2+ ，Ba2+ 。若若M(OH)n的的Ksp极小，则只生成极小，则只生成M(OH)n。如。如 Al3+，Fe3+，Cr3+ 。若两种物质的若两种物质的Ksp介于相近，则生成碱式盐。介于相近，则生成碱式盐。所以沉淀要视所以沉淀要视M(CO3)n和和M(OH)n的的Ksp而

13、定。而定。在含有在含有Mn+离子的溶液中加离子的溶液中加Na2CO3时，相当于加入两种时，相当于加入两种沉淀剂，沉淀剂，OH-和和CO32-:若若Na2CO3浓度浓度 = 1.0 10-2 M时，时，将有将有: CO32 = 8.6 103 moldm3 OH = 1.4 103 moldm3 碳酸盐的生成碳酸盐的生成 如如 Mg2+，Co2+，Ni2+，Cu2+，Ag+，Zn2+，Mn2+ 。 2Mg2+ + 2CO32- + H2O = Mg(OH)2 MgCO3 + CO2若加入若加入NaHCO3 溶液，则溶液，则OH-小了，小了， 某些离子则可某些离子则可生成正盐。如生成正盐。如Mg2

14、+，Ni2+，Ag+，Mn2+等可生成碳酸盐。等可生成碳酸盐。 Mg2+ + HCO3 = MgCO3 + H+若加入的沉淀剂是被若加入的沉淀剂是被CO2饱和了的饱和了的NaHCO3 溶液，则溶液，则OH-将更少些，可使将更少些，可使Co2+，Zn2+沉淀出正盐，但由于沉淀出正盐，但由于 CO32- 也少了，致使也少了，致使Ksp大的大的MgCO3不能沉淀。不能沉淀。 CuCO3 和和 HgCO3 尚未制得尚未制得 。碳硫化物和卤化物碳硫化物和卤化物二硫化碳二硫化碳CS2是无色有毒的有挥发是无色有毒的有挥发生液体生液体(b.p226.9K)，是有机物、磷和硫的溶剂，是有机物、磷和硫的溶剂，由硫

15、蒸气和煤反应得到。由硫蒸气和煤反应得到。它是易燃物质，也是制它是易燃物质，也是制CCl4的主要原料。的主要原料。2S + C CS2CS2 + 3O2 CO2 + 2SO2 MnCl2CS2 + 3Cl2 = CCl4 + S2Cl2卤化物卤化物碳的卤化物可以看作是碳的卤化物可以看作是CH4的取代物的取代物, 是分子物质是分子物质,具有较低的沸点具有较低的沸点,CCl4是常用的有机溶剂是常用的有机溶剂, 也用于作也用于作灭火剂灭火剂, 氟利昂氟利昂-12(CCl2F2)用于作冰箱的致冷剂，用于作冰箱的致冷剂，CBrClF2用于作灭火剂（称灭火剂用于作灭火剂（称灭火剂-1211）。 第三节第三节

16、 硅硅3-1 硅单质硅单质硅是本族元素丰度最大的元素，在所硅是本族元素丰度最大的元素，在所有元素中居于第二，它是构成自然界有元素中居于第二，它是构成自然界矿物的主体元素，矿物的主体元素， 主要以氧化物和主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。硅酸盐的形式存在。 电炉2C + SiO2 = Si + 2CO 723-773KSi(粗硅粗硅) + 2Cl2 = SiCl4 SiCl4 + 2H2 = Si(纯纯) + 4HCl用碳或碳化钙用碳或碳化钙在电炉中还原在电炉中还原二氧化硅可得二氧化硅可得到粗硅，经过精到粗硅，经过精炼可得到纯硅炼可得到纯硅纯硅用区域熔融法可以得到高纯硅纯硅用区域熔融法可以得到高纯

17、硅硅的制备硅的制备物理性质物理性质 硅单质硅单质无定形硅无定形硅单晶硅单晶硅多晶硅多晶硅硅晶体为原子晶体，熔点高，可导硅晶体为原子晶体，熔点高，可导电，导电率随温度的升高而增大，电，导电率随温度的升高而增大，是典型的半金属。是典型的半金属。多晶硅与单晶硅的差异主要表现在力多晶硅与单晶硅的差异主要表现在力学性质、电学性质等物理性质方面。学性质、电学性质等物理性质方面。多晶硅均不如单晶硅好。多晶硅均不如单晶硅好。无定形硅是一种黑灰色的粉末，化学性质无定形硅是一种黑灰色的粉末，化学性质比晶态活泼比晶态活泼化学性质化学性质与非金属反应与非金属反应Si + F2 = SiF4 Si + 2X2 SiX4

18、 (X = Cl,Br) Si + O2 = SiO2 1573K3Si + 2N2 = Si3N4Si在含氧酸中被钝化，与氢氟酸及其混合酸反应，生成在含氧酸中被钝化，与氢氟酸及其混合酸反应，生成SiF4或或H2SiF6:3Si + 4HNO3 + 18HF3H2SiF6 + 4NO+ 8H2O与酸反应与酸反应与碱反应与碱反应无定形硅能与强碱反应放出氢气无定形硅能与强碱反应放出氢气：Si2NaOHH2ONa2SiO32H2与金属反应与金属反应与钙、镁、铜、铁等化合生成硅化物：与钙、镁、铜、铁等化合生成硅化物： 高温高温 Si2Mg = Mg2Si3-2 硅烷硅烷硅烷的组成硅烷的组成与碳类似，硅

19、和氢组成的化合物称与碳类似，硅和氢组成的化合物称硅烷，但其数量和稳定性远不如烷硅烷，但其数量和稳定性远不如烷烃，其组成为烃，其组成为 ： SinH2n+2 n7重要的硅烷是甲硅烷：重要的硅烷是甲硅烷：SiH4硅烷的制备硅烷的制备（1）SiO2 + 4Mg = Mg2Si + 2MgO Mg2Si + 4HCl = SiH4 + 2MgCl2（2）2Si2Cl63LiAlH42Si2H63LiCl3AlCl3硅烷的性质硅烷的性质键能键能(kJmol-1)：C-C Si-Si222 345.6电负性电负性:C H Si2.55 2.2 1.90稳定性：稳定性：硅烷硅烷 烷烷水解性：水解性：硅烷水解

20、硅烷水解（碱介质），（碱介质）， 烷烃烷烃不水解不水解SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2H2O SiH4 + 2KMnO4 = 2MnO2 + K2SiO3 + H2 + H2OSiH4 + 8AgNO3 + 2H2O = 8Ag + SiO2 + 8HNO3还原性还原性水解性水解性热稳定性热稳定性在碱催化下硅烷与水发生激烈反应在碱催化下硅烷与水发生激烈反应(甲烷不发生水解甲烷不发生水解)：SiH4(n+2)H2O = SiO2nH2O4H2硅烷分解为单质硅和氢气硅烷分解为单质硅和氢气： SiH4 Si + 2H2这一反应可用于高纯硅的制备。这一反应可用于高纯硅的制备。3-3 硅的卤化

21、物和氟硅酸盐硅的卤化物和氟硅酸盐卤化物卤化物硅的卤化物都是共价物，性质相似，熔点、硅的卤化物都是共价物，性质相似，熔点、沸点都较低，比较重要的硅卤化物是氟化沸点都较低，比较重要的硅卤化物是氟化硅和氯化硅。硅和氯化硅。制备制备 Si + 2X2SiX4 (F2常温，常温，Cl2,Br2在在673-873K) SiO2 + 2CaF2 + 2H2SO4SiF4 + 2CaSO42H2O SiO22C2Cl2SiCl42CO化学性质化学性质SiCl4 + 3H2O = H2SiO3 + 4HClSiF4 + 3H2O H2SiO3 + 4HF SiF4 + 2HF H2SiF6容易水解容易水解可溶性

22、盐：可溶性盐：CaSiF6、Li2SiF6。难溶盐：钠、钾、钡的氟硅酸盐。难溶盐：钠、钾、钡的氟硅酸盐。氟硅酸盐氟硅酸盐3SiF4 + 2Na2CO3 + 2H2O = 2Na2SiF6 + H2SiO4 + 2CO2SiF4 + 2KF = K2SiF6重要的氟硅酸盐是氟硅酸钠，主要用重要的氟硅酸盐是氟硅酸钠，主要用于作杀虫剂，防腐剂等。于作杀虫剂，防腐剂等。用用 途途制制 备备溶解性溶解性二氧化硅二氧化硅3-4 硅含氧化合物硅含氧化合物结构结构性质性质SiO2是原子晶体，基本结构单元是硅是原子晶体，基本结构单元是硅氧四面体，如图所示，原子比氧四面体，如图所示，原子比=1/2。以以Si-O共

23、价单键结合。熔点高，硬度共价单键结合。熔点高，硬度大，不导电，不溶于水大，不导电，不溶于水纯石英称水晶，无色透纯石英称水晶，无色透明，石英玻璃是将石英明，石英玻璃是将石英加热熔融冷却而成，具加热熔融冷却而成，具有耐高温，膨胀系数小，有耐高温，膨胀系数小，透明度大，不吸收紫外透明度大，不吸收紫外线，用于作光学和耐高线，用于作光学和耐高温仪器。温仪器。二氧化硅的化学性质不活泼，二氧化硅的化学性质不活泼，但容易被碱和氢氟酸腐蚀：但容易被碱和氢氟酸腐蚀：SiO24HFSiF4 H2OSiO22NaOHNa2SiO3H2O 熔融熔融SiO2Na2CO3 = Na2SiO3CO2SiO4四面体四面体SiO

24、OOO硅酸硅酸组成组成通式：通式：xSiO2yH2O： x y原硅酸原硅酸 H4SiO4 - -偏硅酸偏硅酸 H2SiO3 1 1二硅酸二硅酸 H6Si2O7 2 3三硅酸三硅酸 H4Si3O8 3 2二偏硅酸二偏硅酸 H2Si2O5 2 1一般用偏硅酸一般用偏硅酸H2SiO3的式子代表硅酸的式子代表硅酸制备制备刚生成的硅酸主要以刚生成的硅酸主要以H4SiO4单分子形式存在单分子形式存在, 放置就逐渐放置就逐渐缩合成多硅酸溶胶缩合成多硅酸溶胶, 在溶胶中在溶胶中加酸或电解质加酸或电解质,便可沉淀出白便可沉淀出白色透明有弹性的硅酸凝胶色透明有弹性的硅酸凝胶, 烘烘干并活化干并活化, 便可制得硅胶

25、便可制得硅胶, 主主要用于作干燥剂和吸咐剂。要用于作干燥剂和吸咐剂。SiO2是酸性氧化物，难是酸性氧化物，难溶于水，不能用它和水溶于水，不能用它和水反应得到硅酸，只能用反应得到硅酸，只能用可溶性硅酸盐经过酸化可溶性硅酸盐经过酸化而得到而得到SiO32- + 2H+ H2SiO3变色硅胶变色硅胶：用用CoCl2 溶液浸泡硅酸凝胶后，再烘干。溶液浸泡硅酸凝胶后，再烘干。CoCl2 无水时无水时呈蓝色，当干燥剂吸水后，随吸水量不同，硅胶呈现蓝呈蓝色，当干燥剂吸水后，随吸水量不同，硅胶呈现蓝紫紫粉红。紫紫粉红。 最后最后Co(H2O)62+使硅胶呈粉红色，说明硅胶已经使硅胶呈粉红色，说明硅胶已经吸饱水

26、，再使用时要烘干。天平室中，天平的玻吸饱水，再使用时要烘干。天平室中，天平的玻璃罩内，有一小烧杯变色硅胶，用来吸收空气中璃罩内，有一小烧杯变色硅胶，用来吸收空气中水份，保持仪器的干燥。若变红，则表示硅胶已水份，保持仪器的干燥。若变红，则表示硅胶已经失效，无吸水性，需烘干变蓝后再用。经失效，无吸水性，需烘干变蓝后再用。 无水无水 CoCl2 CoCl26H2O硅酸盐硅酸盐硅酸钠硅酸钠天然硅酸盐天然硅酸盐硅酸钠是最常见的可溶性硅酸盐，由硅酸钠是最常见的可溶性硅酸盐，由石英砂与烧碱或纯碱反应而得到石英砂与烧碱或纯碱反应而得到： 熔融熔融 SiO2Na2CO3 = Na2SiO3CO2硅酸钠的组成为硅

27、酸钠的组成为xNa2OySiO2，俗称水玻璃，或泡花，俗称水玻璃，或泡花碱，用途很广，用于做粘合剂，防腐剂，软水剂，洗碱，用途很广，用于做粘合剂，防腐剂，软水剂，洗涤剂和肥皂的填充剂，也是制硅胶和分子筛的原料。涤剂和肥皂的填充剂，也是制硅胶和分子筛的原料。地壳质量的地壳质量的95%为硅酸盐矿，最重要的天为硅酸盐矿，最重要的天然硅酸盐矿是铝硅酸盐矿，如钙长石，然硅酸盐矿是铝硅酸盐矿，如钙长石， 钠长石等，是提取金属铝的重要原料。钠长石等，是提取金属铝的重要原料。硅酸盐的结构很复杂，但基本结构单元是相同的，均硅酸盐的结构很复杂，但基本结构单元是相同的，均为为硅氧四面体硅氧四面体SiO4，通过它的角

28、顶氧原子可以连接成通过它的角顶氧原子可以连接成链状，环状，层状或三维网格结构等。各种硅酸盐的链状，环状，层状或三维网格结构等。各种硅酸盐的结构图形见课本结构图形见课本Si-硅酸盐结构硅酸盐结构第四节第四节 锗锗 锡锡 铅铅锗锗:银白色，硬金属；银白色，硬金属；铅铅:暗灰色，软金属，密度大；暗灰色，软金属，密度大；锡锡:有三种同素异形体：有三种同素异形体： 286 K 434 K灰锡灰锡 白锡白锡 脆锡脆锡 灰锡呈灰色粉末状。白锡在灰锡呈灰色粉末状。白锡在 286 K 下变成灰下变成灰锡，锡，自行毁坏自行毁坏。这种变化从一点变灰开始，蔓。这种变化从一点变灰开始，蔓延开来，称为延开来，称为锡疫锡疫

29、。所以冬季，锡制品不宜放。所以冬季，锡制品不宜放在寒冷的室外。在寒冷的室外。 白锡白锡是是fGm= 0，fHm= 0的指定单质。的指定单质。银白色银白色(略带蓝色略带蓝色)，有延展性，可以制成有延展性，可以制成漂亮的器皿。漂亮的器皿。物理性质物理性质3-1 金属的冶炼、性质和用途金属的冶炼、性质和用途硫化物矿硫化物矿氧化物氧化物焙烧焙烧碳还原碳还原金属金属相关相关反应反应金属冶炼金属冶炼 SnO2 + 2C = Sn + 2CO 焙烧焙烧2PbS + 3O2 = 2PbO + 2SO2 PbO + C = PbCO PbOCO = PbCO2 PbSFe = PbFeS Ge的冶炼的冶炼锗分散地存在于其它矿物锗分散地