碳族元素(课堂PPT).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十七章 碳族元素,A,碳,6,C,硅,14,Si,锗,32,Ge,锡,50,Sn,铅,82,Pb,1,教学要求：,1.掌握碳、硅、锗、锡、铅的单质、氢化物、卤化物、硫化物、氧化物、含氧酸及其盐的结构和性质。,.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,3.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。,2,碳,C,单质:,石墨,金刚石,C,60,C,70,无机化合物:CO,2,白云石MgCa(CO,3,),2,石灰石、大理石、方解石 CaCO,3,。,有机化合物:动植物体,煤,石油,天然气,锗,Ge,锗石矿 Cu,2,SFeSGeS,2,。,锡,Sn,锡石矿 SnO,2,云南个旧称为锡都。,铅,Pb,方铅矿 PbS。,硅,Si,以SiOSi键存在:水晶、石英SiO,2,其它硅酸盐矿物,第一节 碳族元素的通性,3,1-2 元素的基本性质,碳、硅的一些基本性质,C、Si,既,不易失去电,子，也不夺取,电子，主要,形成共价键,电离势和,电负性以,碳的最大,4,1-3 成键特征,一些单键键能的平均值（kJmol,-1,）,碳与氢结合的键能最大，,它构成了庞大的有机物界。,C,可以有,sp、sp,2,、sp,3,等多种杂化态成键，因而可以构成结构复杂多样的键合方式，包括双键、叁键、,p-p,键等。而,Si,则是以共价单键为主,5,第二节 碳,2-1 碳单质,碳的同素异形体,金刚石,石 墨,碳-60,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。在所有单质中，它的熔点最高，达,3823,K。,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50K，为773K。,1996年10月7日，瑞典皇家科学院决定把1996年诺贝尔化学奖授予Robert Fcurl.Jr(美国)、Harold W.Kroto(英国)和Richard E Smalley(美国)，以表彰他们发现C,60,。,6,335pm,三种碳单质的分子结构图,碳原子sp,2,杂化成键，剩余的 p,z,轨道互相平行，均垂直于分子平面，在,层内形成大,m,m,键。有,离域,电子，所以石墨导电。层间的分子间作用力小，易滑动，有润滑性。,金刚石硬度最大，熔点最高的单质。m.p.3823K。,碳原子sp,3,等性杂化，无自由电子，不导电。,7,碳簇 以 C,60,（足球烯，富勒烯）,为最常见。,8,用途和性质,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。,C,60,可做超级耐高温的润滑剂，被视为“分子滚珠”。把,K、Cs、Tl,等金属原子掺进,C,60,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。再有,C,60,H,6,0,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。,9,2-2 无定形碳和碳的化学性质,无定形碳的种类,活性炭,木炭,焦炭,骨炭,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,Fe,2,O,3,+3C=2Fe+3CO,CuO+C=Cu+CO,CaO+3C=CaC,2,+CO,10,2-3 碳的化合物,一氧化碳,KK(,2s,),2,(,2s,*,),2,(,2py,),2,(,2pz,),2,(,2pz,),2,C,O,结构式：,制备,工业水煤气法：,CH,2,OCOH,2,(主要的),COH,2,OCO,2,H,2,实验室法：,浓,H,2,SO,4,HCOOH,COH,2,O,加热,氧化物,C O,11,性质,还原性,COPdCl,2,H,2,OCO,2,Pd+2HCl,CO+2Ag(NH,3,),2,OH=2Ag+(NH,4,),2,CO,3,+2NH,3,高温还原：,CuO+CO=Cu+CO,2,Fe,2,O,3,3CO2Fe3CO,2,羰基化反应,CO,容易与B、B、族金属形成羰基配合物，如,Fe(CO),5,，Ni(CO),4,，Cr(CO),6,等。这类配合物具有受热挥发的特点，高温下分解为金属和,CO,，用于提纯金属。,Ni+4CO=Ni(CO),4,高温,低压,Ni(CO),4,=Ni+4CO,在羰基物,中金属氧,化数为零,12,配位反应,Cu(NH,3,),2,Ac+CO+NH,3,=Cu(NH,3,),3,COAc,醋酸羰基三氨合铜()Ac=,CH,3,COO,CO,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,COHb,，使Hb失去输送氧气的能力。空气中只要有1/800体积比的,CO,就能使人在半小时内死亡。,与非金属反应,Cr,2,O,3,ZnO，623673K,CO2H,2,=CH,3,OH,Fe,Co或Ni 523K,101KPa,CO3H,2,=CH,4,H,2,O,活性碳,COCl,2,=COCl,2,13,二氧化碳,O=C=O,CO,2,是酸性氧化物，能与碱反应。工业上 CO,2,用于制备纯碱、小苏打、碳酸氢铵、啤酒、饮料、干冰。,CO,2,NaHCO,3,Na,2,CO,3,NH,4,HCO,3,NaOH,NaOH,氨水,CO,2,用于作灭火剂。但着火的镁条在CO,2,气中能继续燃烧，所以CO,2,不助燃也是相对的。,2Mg+CO,2,=2MgO+C,CO,2,的,分子结构：,C sp,等性杂化，2 个,键，两个,:O C O:,.,.,.,.,.,.,14,碳酸和碳酸盐,CO,2,溶于水生成碳酸，,弱酸，仅存在于水溶液中，,碳酸盐是相当多的一类物质,碳酸根的结构,热稳定性：正盐酸式盐酸,C,O,O,O,C,O,HO,OH,2-,正盐,碳酸,C,O,HO,O,-,酸式盐,4,6,C,15,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可溶的,难溶碳酸盐均可溶于稀酸中：,MCO,3,2H,+,M,2+,CO,2,H,2,O,CO,3,2-,+H,2,O HCO,3,-,+OH,-,HCO,3,-,+H,2,O=H,2,CO,3,+OH,-,2Al,3+,+3CO,3,2-,+3H,2,O 2Al(OH),3,+3CO,2,2Cu,2+,+2CO,3,2-,+H,2,O Cu,2,(OH),2,CO,3,+CO,2,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：正盐酸式盐碳酸,碱金属盐 碱土金属盐 重金属盐,碱土金属盐随半径的增大而增强,热稳定性,水解性,溶解性,16,Na,2,CO,3,，K,2,CO,3,和 (NH,4,),2,CO,3,等均易溶于水。但 NaHCO,3,，KHCO,3,和 NH,4,HCO,3,的溶解度相对小些。,原因,是,HCO,3,分子间有氢键，缔合成双聚酸根造成的,。,17,若M(CO,3,),n,的K,sp,M(OH),n,的K,sp,，,则加入只生成 M(CO,3,),n,沉淀。如,Ca,2+,，Sr,2+,，Ba,2+,。,若M(OH),n,的K,sp,极小，则只生成M(OH),n,。,如,Al,3+,，Fe,3+,，Cr,3+,。,若两种物质的K,sp,介于相近，则生成碱式盐。,所以,沉淀要视,M(CO,3,),n,和,M(OH),n,的,K,sp,而定。,在含有M,n+,离子的溶液中加,Na,2,CO,3,时，,相当于加入两种沉淀剂，,OH,-,和,CO,3,2-,:若Na,2,CO,3,浓度=1.0,10,-2,M,时，,将有:CO,3,2,=8.6,10,3,mol,dm,3,OH,=1.4,10,3,mol,dm,3,碳酸盐的生成,18,如,Mg,2+,，Co,2+,，Ni,2+,，Cu,2+,，Ag,+,，Zn,2+,，Mn,2+,。,2Mg,2+,+2CO,3,2-,+H,2,O,=,Mg(OH),2,MgCO,3,+CO,2,若加入NaHCO,3,溶液，则OH,-,小了，某些离子则可生成正盐。如,Mg,2+,，Ni,2+,，Ag,+,，Mn,2+,等可生成碳酸盐。,Mg,2+,+HCO,3,=,MgCO,3,+H,+,若加入的沉淀剂是被CO,2,饱和了的,NaHCO,3,溶液，则OH,-,将,更少些，可使Co,2+,，Zn,2+,沉淀出正盐，但由于 CO,3,2-,也少了，致使K,sp,大的MgCO,3,不能沉淀。,CuCO,3,和,HgCO,3,尚未制得。,19,碳硫化物和卤化物,二硫化碳,CS,2,是无色有毒的有挥发,生液体(,b.p226.9K,)，,是有机物、磷和硫的溶剂，,由硫蒸气和煤反应得到。,它是易燃物质，也是制,CCl,4,的主要原料。,2S+C CS,2,CS,2,+3O,2,CO,2,+2SO,2,MnCl,2,CS,2,+3Cl,2,=CCl,4,+S,2,Cl,2,卤化物,碳的卤化物可以看作是,CH,4,的取代物,是分子物质,具有较低的沸点,CCl,4,是常用的有机溶剂,也用于作灭火剂,氟利昂,-12(CCl,2,F,2,),用于作冰箱的致冷剂，,CBrClF,2,用于作灭火剂（称灭火剂-,1211,）。,20,第三节 硅,3-1 硅单质,硅是本族元素丰度最大的元素，在所有元素中居于第二，它是构成自然界矿物的主体元素，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。,电炉,2C+SiO,2,=Si+2CO,723-773K,Si,(粗硅),+2Cl,2,=SiCl,4,SiCl,4,+2H,2,=Si,(纯),+4HCl,用碳或碳化钙,在电炉中还原,二氧化硅可得,到粗硅，经过精,炼可得到纯硅,纯硅用区域熔融法可以得到高纯硅,硅的制备,21,物理性质,硅单质,无定形硅,单晶硅,多晶硅,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，是典型的,半金属,。,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。多晶硅均不如单晶硅好。,无定形硅是一种黑灰色的粉末，化学性质比晶态活泼,22,化学性质,与非金属反应,Si+F,2,=SiF,4,Si+2X,2,SiX,4,(X=Cl,Br),Si+O,2,=SiO,2,1573K,3Si+2N,2,=Si,3,N,4,Si,在含氧酸中被,钝化,，与氢氟酸及其混合酸反应，生成,SiF,4,或,H,2,SiF,6,:,3Si+4HNO,3,+18HF3H,2,SiF,6,+4NO+8H,2,O,与酸反应,与碱反应,无定形硅能与强碱反应放出氢气,：,Si2NaOHH,2,ONa,2,SiO,3,2H,2,与金属反应,与钙、镁、铜、铁等化合生成硅化物：,高温,Si2Mg =Mg,2,Si,23,3-2 硅烷,硅烷的组成,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烃，其组成为：,Si,n,H,2n+2,n7,重要的硅烷是甲硅烷：,SiH,4,硅烷的制备,（1）,SiO,2,+4Mg=Mg,2,Si+2MgO,Mg,2,Si+4HCl=SiH,4,+2MgCl,2,（2）,2Si,2,Cl,6,3LiAlH,4,2Si,2,H,6,3LiCl3AlCl,3,硅烷的性质,键能(kJmol,-1,)：,C-C Si-Si,222 345.6,电负性:,C H Si,2.55 2.2 1.90,稳定性：,硅烷烷,水解性：,硅烷水解（碱介质），烷烃不水解,24,SiH,4,+2O,2,=SiO,2,+2H,2,O,SiH,4,+2KMnO,4,=2MnO,2,+K,2,SiO,3,+H,2,+H,2,O,SiH,4,+8AgNO,3,+2H,2,O=8Ag+SiO,2,+8HNO,3,还原性,水解性,热稳定性,在碱催化下硅烷与水发生激烈反应(甲烷不发生水解)：,SiH,4,(n+2)H,2,O=SiO,2,nH,2,O4H,2,硅烷分解为单质硅和氢气：,SiH,4,Si+2H,2,这一反应可用于高纯硅的制备。,25,3-3 硅的卤化物和氟硅酸盐,卤化物,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硅和氯化硅。,制备,Si+2X,2,SiX,4,(,F,2,常温，Cl,2,Br,2,在673-873K,),SiO,2,+2CaF,2,+2H,2,SO,4,SiF,4,+2CaSO,4,2H,2,O,SiO,2,2C2Cl,2,SiCl,4,2CO,化学性质,SiCl,4,+3H,2,O=H,2,SiO,3,+4HCl,SiF,4,+3H,2,O H,2,SiO,3,+4HF,SiF,4,+2HF H,2,SiF,6,容易水解,26,可溶性盐：,CaSiF,6,、Li,2,SiF,6,。,难溶盐：钠、钾、钡的氟硅酸盐。,氟硅酸盐,3SiF,4,+2Na,2,CO,3,+2H,2,O=2Na,2,SiF,6,+H,2,SiO,4,+2CO,2,SiF,4,+2KF=K,2,SiF,6,重要的氟硅酸盐是,氟硅酸钠,，主要用于作杀虫剂，防腐剂等。,用 途,制 备,溶解性,27,二氧化硅,3-4 硅含氧化合物,结构,性质,SiO,2,是原子晶体，基本结构单元是硅氧四面体，如图所示，原子比=1/2。以,Si-O,共价单键结合。熔点高，硬度大，不导电，不溶于水,纯石英称水晶，无色透明，石英玻璃是将石英加热熔融冷却而成，具有耐高温，膨胀系数小，透明度大，不吸收紫外线，用于作光学和耐高温仪器。,二氧化硅的化学性质不活泼，但容易被碱和氢氟酸腐蚀：,SiO,2,4HFSiF,4,H,2,O,SiO,2,2NaOHNa,2,SiO,3,H,2,O,熔融,SiO,2,Na,2,CO,3,=Na,2,SiO,3,CO,2,SiO,4,四面体,Si,O,O,O,O,28,硅酸,组成,通式：,xSiO,2,yH,2,O：,x y,原硅酸,H,4,SiO,4,-,偏硅酸,H,2,SiO,3,1 1,二硅酸,H,6,Si,2,O,7,2 3,三硅酸,H,4,Si,3,O,8,3 2,二偏硅酸,H,2,Si,2,O,5,2 1,一般用偏硅酸,H,2,SiO,3,的式子代表硅酸,制备,刚生成的硅酸主要以,H,4,SiO,4,单分子形式存在,放置就逐渐,缩合成多硅酸溶胶,在溶胶中加酸或电解质,便可沉淀出白色透明有弹性的硅酸凝胶,烘干并活化,便可制得硅胶,主要用于作,干燥剂和吸咐剂,。,SiO,2,是酸性氧化物，难溶于水，不能用它和水反应得到硅酸，只能用可溶性硅酸盐经过酸化而得到,SiO,3,2-,+2H,+,H,2,SiO,3,29,变色硅胶,：,用CoCl,2,溶液浸泡硅酸凝胶后，再烘干。CoCl,2,无水时呈蓝色，当干燥剂吸水后，随吸水量不同，硅胶呈现蓝紫紫粉红。,最后Co(H,2,O),6,2+,使硅胶,呈粉红色，说明硅胶已经吸饱水，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。,无水 CoCl,2,CoCl,2,6H,2,O,30,硅酸盐,硅酸钠,天然硅酸盐,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,：,熔融,SiO,2,Na,2,CO,3,=Na,2,SiO,3,CO,2,硅酸钠的组成为,xNa,2,OySiO,2,，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95%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，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，均为,硅氧四面体SiO,4,，,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。各种硅酸盐的结构图形见课本Si-硅酸盐结构,31,第四节 锗 锡 铅,锗:银白色，硬金属；,铅:暗灰色，软金属，密度大；,锡:有三种同素异形体：,286 K 434 K,灰锡 白锡 脆锡,灰锡呈灰色粉末状。白锡在,286 K,下变成灰锡，,自行毁坏,。这种变化从一点变灰开始，蔓延开来，称为,锡疫,。所以冬季，锡制品不宜放在寒冷的室外。,白锡,是,f,G,m,=0，,f,H,m,=0,的指定单质。,银白色(略带蓝色)，有延展性，可以制成漂亮的器皿。,物理性质,32,3-1 金属的冶炼、性质和用途,硫化物矿,氧化物,焙烧,碳还原,金属,相关反应,金属冶炼,SnO,2,+2C=Sn+2CO,焙烧,2PbS+3O,2,=2PbO+2SO,2,PbO+C=PbCO,PbOCO=PbCO,2,PbSFe=PbFeS,33,Ge的冶炼,锗分散地存在于其它矿物中,它是硫化物矿石、煤、高温冶金所得中间产物或废渣、烟道灰为原料的工厂副产物。这些原料所提供的锗通常为,二氧化锗,，用,盐酸处理并蒸馏得四氯化锗,GeO,2,+4HClGeCl,4,+2H,2,O,GeCl,4,+2H,2,OGeO,2,+4HCl,GeO,2,+2H,2,=Ge+2H,2,O,升温至1373K，锗粉熔化，注入模中得锗锭。最后用物理方法“,区域熔融法,”来进一步提纯得到高纯锗。,然后用氢在813K923K还原,GeO,2,，得到金属粉末,锗是主要的半导体材料之一，锗半导体广泛地用于电子计算机、雷达、火箭、导弹、导航控制设备、电子通讯以及自动化设备中。,34,单质的化学性质,M+O,2,=MO,2,(M=Ge,Sn,Pb),常温下，锗和锡对空气稳定，铅的表面受空气氧化而变暗，生成氧化膜保护层，在高温下都能与空气反应生成氧化物。,M,+,X,2,MCl,4,MCl,2,S,MS,2,MS,Ge、Sn、Pb,可形成+4和+2两种氧化态化合物，由于惰性电子对效应，两种氧化态的稳定性为,+4：,GeSnPb,+2:,GeSn H,2,SiO,3,含氧酸盐的稳定性：硅酸盐碳酸盐,C、Si含氧酸比较,锗,分族元素重点介绍了它们的氧化物及其水合物的酸碱性和氧化还原性,变化规律,；锗的冶炼；,二价氯化锡,的强,还原性,和易,水解性,和,PbO,2,的强,氧化性,；难溶的铅盐；,硫化物,的颜色和溶解性，,硫代酸盐,的形成。,49,本节课到此结束，谢谢！,50,