handout4碳硅硼.ppt

1、碳硅硼,价电子构型：ns2np2,碳族(IVA)：C, Si,存在形式：,碳：金刚石、石墨；煤、石油、天然气； 碳酸盐； CO2 。 硅：SiO2和各种硅酸盐。,碳单质的同素异形体：,金刚石：原子晶体,硬度最大,熔点最高。 石墨：层状晶体 ，质软，有金属光泽。 足球烯或富勒烯： C60， C70 等。 C60 是1985年用激光轰击石墨作碳的气化实验时发现的。 C60 是由12个五边形和20个六边形组成的32面体。,石墨(sp2杂化),金刚石(sp3杂化),足球烯，富勒烯，C60 (sp2杂化),碳纳米管 1991年合成了一种新的针状碳管，巴基管 Buck Tube 碳同素异构体 全部由碳六边

2、形组成的中空管，单层与多层（同轴套） 直径， 0.6（10个六边形围成）-几十纳米 长度， 10-1000纳米,碳纳米管是被拉长的C60，在纳米材料中最富代表性，碳纳米管涵盖了地球上大多数物质的性质甚至相对立的两种性质： 从高硬度到高韧性、从全吸光到全透光、从绝热到良导热、从绝缘体、半导体到高导体和高临界温度的超导体等。正是由于碳纳米管材料具有这些奇异的特性，决定他在微电子和光电子领域具有广阔的应用前景。,碳纳米管的发现，立刻引起了科技领域的科学家们的极大关注。因为准一维纳米材料在介观领域和纳米器件研制方面有重要的应用前景，它可用作扫描隧道显微镜的针尖、纳米器件和超大集成电路中的连线，光导纤维

3、、微电子学方面的微型钻头以及复合材料的增强剂。,碳纳米管是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管。就是将以六边形为基本结构单元的石墨平面卷曲成碳管，如果卷曲的轴取向不同，所得的碳管结构则不同。,每层纳米管是一个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原则子完全键合后所构成的平行六边形平面组成的圆柱面。 单壁纳米管 多壁纳米管 纳米管有直形、弯曲、螺旋等不同外形。 实验研究发现，大多数的碳纳米管两端是闭合的。,碳纳米管的性能 在目前的纳米结构材料中，单壁碳纳米管是人工制备的、理想的分子级的一维纳米材料。由于碳纳米管具有介观尺度，表现出了与块体材料明显不同的物理性质。 （1）力学性

4、质 它的密度是钢的1/6，而强度却是钢的100倍。是一种理想的先进复合材料的增强体。同时在垂直于碳纳米管的轴向上有极好的韧性，是未来的 “超级纤维”。,如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球-月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。,（2）电学性质：碳纳米管具有独特的电学性质，可能成为下一代微电子和光电子器件的基本单元。 （3）磁学性质 （4）光学性质 （5）吸附特性：碳纳米管具有高比表面积。,碳纳米管的应用研究 （1）电磁干扰屏蔽材料及

5、隐形材料 （2）电极材料 （3）储氢材料 （4）场发射管（平板显示器） （5）信息存储 （6）催化剂载体 （7）质子交换膜燃料电池碳纳米管 （8）碳纳米管复合材料,活性碳的吸附性,活性碳: 主要是内表面,外表面很小 吸 附: 和催化特性极为相关 物理吸附(physical adsorption) 化学吸附(chemical adsorption)作用大,热效应大,碳的化合物,结构： CO(6+8=14e-)与N2（27=14e-） 是等电子体, 结构相似。,一个键 两个键,1.碳的氧化物 一氧化碳(CO),性质： 作配位体，形成羰基配合物 Fe(CO)5, Ni(CO)4, Co2(CO)8

6、其中C是配位原子。 还原剂：,剧毒,检验: CO+ PdCl2 + H2O = Pd + CO2 +2HCl,金属羰基化合物中的成键作用 1.CO的分子轨道能级图,2.-配键的协同效应,3.CO的配位方式 CO不同的配位方式，可通过红外光谱鉴定。羰基化合物中反馈键的存在，削弱了CO叁键，增强了MC键，使得MC伸缩振动频率增大， C O伸缩振动频率减小。,2-4 CO2 H2CO3及盐,CO2溶于水，大部分CO2H2O， 极小部分H2CO3, 氢氧化物碱性较强的金属离子与之反应生成碳酸盐沉淀。 例如：Ba2+、Sr2+、Ca2+和Ag+等。,金属离子加入可溶性碳酸盐时，生成沉淀的类型：,氢氧化物

7、碱性较弱的金属离子与之反应生 成碳酸羟盐(碱式碳酸盐)沉淀。 例如：Pb2+、Bi3+、Cu2+、Cd2+、Zn2+、Hg2+、Co2+、Ni2+和Mg2+等。, 水解性强、两性的金属离子与之反应生成氢氧化物沉淀。例如：Al3+、Fe3+、Cr3+、Sn2+、Sn4+和Sb3+等。,若将0.2mol/l Na2CO3 和 0.2mol/l CaCl2 混合,是生成 Ca(OH)2 还是CaCO3 Ksp: 5.510-6 2.510-9 Ca2+CO32- = 0.10.1 = 10-2 2.510-9 Ca2+OH-2 = 0.1(4.510-3)2 = 210-6 Ksp Mg2+OH-2

8、 =210-6Ksp 生成碱式盐Mg(OH)2CO3 有兴趣的同学可以讨论一下，什么时候生成碱式盐。,1. 动力学Ksp时，来不及选择，一起沉淀。 2. 热力学，Mg2(OH)2CO3的pH值为多少？ Mg2+CO2-=Ksp=110-5 Mg2+OH-2 =Ksp=1.810-11,而,OH-=910-7 pOH=6.04, pH=8 但是，Mg2(OH)2CO3为一纯净物，有它自己的稳定性，故在pH=6左右很大的区间内生成Mg2(OH)2CO3,若将CO32-改成HCO3-，则以相同的计算，并可知： 0.1 molL-1的NaHCO3，OH-=210-6，则 M2+ + HCO3 =MCO

9、3 Ca2+，Sr2+，Ba2+，Cd2+，Mn2+，Ni2+，Ag2+， M2+ + HCO3 = M2(OH)2CO3 Cu2+，Zn2+，Be2+，Co2+ M3+ + HCO3 = Fe3+，Al3+，Cr3+ 若用CO2通入NaHCO3中呢？ 若用CO2通入水中呢？,硅,重点为硅酸盐 3-1 单质硅 一、SiO2 + 2C Si + 2CO 提纯，Si+Cl2 SiCl4 Si+HCl 高纯硅（用于半导体），区域熔融法。可达7个9(Hyperpure silicon),二、,3Si + 4HNO3 + 18HF = 3H2SiF6 + 4NO + 8H2O Si+ 2NaOH + H

10、2O = 2H2 + Na2SiO3 Si+HNO3 不反应 无HF时不反应。而Si + HF = SiF4 +2H2常温下也不反应。,硅的化合物,1.硅的氧化物 无定型体：石英玻璃、硅藻土、燧石 晶体：天然晶体为石英，属于原子晶体 纯石英：水晶 含有杂质的石英：玛瑙，紫晶,Si采用sp3杂化轨道与氧形成硅氧四面体,硅氧四面体,二氧化硅,结构：,性质：, 与碱作用, 与HF作用,2.硅酸及硅酸盐,性质：,制备：,浸透过CoCl2的硅胶为变色硅胶。,硅酸盐结构复杂, 一般写成氧化物形式，它的基本结构单位为硅氧四面体。,白云石：K2O 3Al2O3 6SiO2 2H2O 泡沸石：Na2O Al2O

11、3 2SiO2 nH2O,分子筛,4.硅的卤化物 SiX4,SiF4 SiCl4 SiBr4 SiI4 聚集态 g l l s,（氟硅酸）,水解：,*5.硅的氢化物(硅烷 SinH2n+2),性质：,最简单的硅烷：SiH4(甲硅烷),自燃：,水解：,强还原性：,热稳定性差：,一、硅烷为什么没有碳烷多 Si-Si 键 C-C 键 二、实验室是用SiO2+Mg条制Si的，但是有人制得的Si后加HCl洗时突然起火，why? SiO2+Mg=Mg2Si +MgO Mg2Si + 4HCl = SiH4 +MgCl2 SiH4 + O2 = 自燃 三、反应 SiH4 + 2KMnO4 = H2 + K2

12、SiO3 +2MnO2 + H2O 问题：why? SiO2+HF 反应 SiO2+HCl 反应,硼,B，价电子构型：s2p1 缺电子元素：价电子数价层轨道数 缺电子化合物：成键电子对数价层轨道数 例如：BF3，H3BO3。 注意： HBF4不是缺电子化合物。,缺电子化合物特点：,b. 易形成双聚物Al2Cl6,a. 易形成配位化合物HBF4,硼的单质,同素异形体：无定形硼， 晶形硼 棕色粉末, 黑灰色 化学活性高， 硬度大 熔点，沸点都很高。 -菱形硼（B12） 原子晶体B12 与B12之间是3c-2e键，层与层之间键,20世纪50、60年代以来，由于航天事业的飞速发展，硼烷曾被指望用来作为

13、火箭燃料(基于硼烷与氧反应发出大量的热)。这种愿望推动着硼烷的制备和合成工艺的发展，同时也促进了硼烷化学的基础研究工作。1957年，美国化学家Lipscomb通过对各种硼烷结构的系统研究，提出了在这些缺电子化合物中存在着三中心二电子共价键的多中心键的假设，并总结了各种硼烷构成多面体结构的规律, 他的这一杰出的工作赢得了1976年的诺贝尔化学奖。,硼的化合物,1.硼的氢化物 硼烷分类：BnHn+4和 BnHn+6 例： B2H6 B4H10 乙硼烷 丁硼烷 有CH4，但无BH3 最简单的硼烷：B2H6 其结构并非如右图所示：,无BH3而有BF3，why?,而BH3无此键。,硼烷的结构,B：利用sp3杂化轨道，与氢形成三中心两电子键。（氢桥）,记作：,B4H10分子结构,硼烷的性质, 自燃,高能燃料，剧毒, 水解, 加合反应, 被氯氯化, 三氧化二硼 B2O3,制备：,原子晶体：熔点460C 无定形体：软化,2.硼的含氧化合物,结构：,性质：,偏硼酸,(原)硼酸,xB2O3yH2O 多硼酸,B：sp2杂化, 硼酸 H3BO3,为什么H3BO3的溶解度很小？而加热又迅速上升？ H3BO3