高一化學碳族元素.ppt

碳 族 元 素,1、畫出C、Si 原子結構示意圖。 2、指出碳族元素在周期表中的位置。 3、根據(jù)各周期所增加元素種類，能否推測出碳族元素的原子序數(shù)。,碳族元素在周期表中的位置,碳族元素原子結構示意圖,討論： 1、碳族元素在原子結構上的異同點？ 2、能否根據(jù)碳族元素結構上的遞變推導出其性質的遞變規(guī)律？,碳族元素的化學性質,酸性減弱，堿性增強,碳族元素性質變化的規(guī)律性 相似性： 1、最外層4個電子，易形成共價鍵 2、主要化合價：+4、+2 3、最高價氧化物：RO2 對應水化物：H2RO3或H4RO4 R(OH)4 遞變性： C Si Ge Sn Pb 非金屬性減弱，金屬性增強,碳族元素的幾種單質,碳(C) 性質: 熔點約為3 550 （金剛石），沸點約為4 827 （升華），密度為3.513 g/cm3(金剛石)、2.260 g/cm3(石墨)（20 )。 用途: 用于首飾(金剛石)、煉鋼(焦炭)、印刷(炭黑)和精制糖(活性炭)等。 發(fā)現(xiàn):在自然界中以石墨（和金剛石）存在。古代已知有木炭和煙炱。,硅(Si) 性質：熔點為1410 ，沸點為2 355 ，密度為2.329 g/cm3(20 )。超純半導體晶體是藍灰色，用碳還原砂子得到的無定形硅為黑色。不跟氧氣、水、酸（HF除外）反應，但溶于熱堿。用于制半導體、合金和聚合物。 用途：用于制半導體、合金和聚合物。 發(fā)現(xiàn)：1823年由貝采里烏斯（J.J.Berzelius）在瑞典制得。,碳族元素的幾種單質,碳族元素的幾種單質,鍺(Ge) 主要性質和用途：熔點為937.5 ,沸點為2 830 ，密度為5.323 g/cm3(20 )。超純鍺是銀白色、脆的類金屬元素。在空氣和水中穩(wěn)定，不跟酸（硝酸除外）和堿反應。用于半導體、合金和紅外裝置用的特種玻璃。 發(fā)現(xiàn)：1886年由文克勒（C.A.Winkler）在德國發(fā)現(xiàn)。,錫(Sn) 主要性質和用途：熔點為232.1 ,沸點為 2 270 ，密度為5.750 g/cm3（）、7.310 g/cm3（）(20 )。軟而柔韌的銀白色金屬。在氧化物膜的保護下不跟氧反應，也不跟水反應，但溶于酸和堿中。用于焊錫、合金、鍍錫、聚合物添加劑和防腐涂料。 發(fā)現(xiàn)：遠古文明已知。,碳族元素的幾種單質,鉛(Pb) 主要性質和用途：熔點為327.7 ，沸點為1 740 ，密度為11.35 g/cm3（20 ）。軟，低強度，有可延展性，暗灰色金屬。在潮濕的空氣中會失去光澤，但對氧和水穩(wěn)定，溶于硝酸。用于蓄電池、電纜、顏料、玻璃、焊接劑、汽油和放射屏蔽等。 發(fā)現(xiàn)：遠古文明已知。,碳族元素的幾種單質,絢麗多彩的碳材料,碳是自然界分布最普遍的元素之一，也是構成地球上一切生命體最重要的元素。以碳元素為主要構成的有機高分子材料，包括塑料、橡膠和纖維等，已發(fā)展成為材料學三個主要學科方向之一。 碳除了自然界存在多種同素異形體的碳材料外，科學家們通過實驗還合成了許許多多結構和性質完全不同的碳材料，如人們熟悉的金剛石和石墨，以及近年來發(fā)現(xiàn)C60為代表的富勒烯以及碳納米粉體、管材、線材等。這些新型碳材料的特性幾乎可涵蓋地球上所有物質的性質甚至相對立的兩種性質，如從最硬到極軟、全吸光全透光、絕緣體半導體高導體、絕熱良導熱、高鐵磁體、高臨界溫度的超導體等。,一、石墨與金剛石 金剛石和石墨的化學成分都是碳(C)，但是它們的結構和性能卻完全不同。金剛石是目前最硬的物質，而石墨卻是最軟的物質之一。大家都知道鉛筆芯就是用石墨粉和粘土配制而成的，石墨粉含量多筆芯就軟，用“B“表示，粘土摻多了則硬，用“H”表示。礦物學家用摩氏硬度來表示相對硬度，金剛石為10，而石墨的摩氏硬度只有1。它們的硬度差別之所以這么大，關鍵在于它們的內部結構存在很大差異。,絢麗多彩的碳材料,石墨原子結構圖,石墨內部的碳原子呈層狀排列，一個碳原子周圍只有3個碳原子與其相連，碳與碳組成了六邊形的環(huán)狀，無限多的六邊形組成了一層。層與層之間聯(lián)系力非常弱，而層內三個碳原子聯(lián)系很牢，因此受力后層間就很容易滑動，這就是石墨很軟能寫字的原因。石墨可用于制造電極、潤滑劑、鉛筆芯、原子反應堆中的中子減速劑等，也可以用作坩堝以及合成金剛石的原料。,絢麗多彩的碳材料-石墨,天然金剛石是一種珍稀礦物，是寶石之王，因為它是世界上最硬的天然材料。精心琢磨后的金剛石透明有光澤，能呈現(xiàn)出極艷麗的色彩，成為世界上最昂貴的珍寶，也是歷代統(tǒng)治者權勢和財富的象征。在英國，有一根象征皇權的英王權杖，杖上就鑲有一顆稱為“非洲之星”的世界最大的鉆石；而在國王的王冠上，則鑲嵌著象征至高無上皇位的世界第二大鉆石。這兩顆鉆石既是英國曾經輝煌于世界的見證，也是工匠們勤勞和智慧的結晶。有趣的是，既然金剛石是由碳元素組成，而碳在自然界是如此的豐富和廉價，為什么不點石成金？長期以來，人工合成金剛石一直是人類的夢想。自從1954年美國GE公司研制成功了世界上第一顆人造金剛石以來，人造金剛石及其工業(yè)制品已經發(fā)展成一個應用領域十分廣泛的行業(yè)。,絢麗多彩的碳材料,金剛石內部的碳原子呈“骨架”狀三維空間排列，一個碳原子周圍有4個碳原子相連，因此在三維空間形成了一個骨架狀，這種結構在各個方向聯(lián)系力均勻，聯(lián)結力很強，因此金剛石具有高硬度的特性。,絢麗多彩的碳材料金剛石,目前，世界工業(yè)用金剛石產量約15億克拉，其應用幾乎涉及國計民生的各個領域。比如，金剛石在光學玻璃冷加工、地質鉆探、陶瓷、汽車零件等機械加工、金屬拉絲等方面引起了革命性的工藝改革，使加工效率、加工精度幾十倍甚至上百倍的提高。,二、碳纖維 碳纖維是一種主要由碳元素組成的特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導電、導熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各項異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維方向表現(xiàn)出很高的強度。碳纖維比重小，有很高的比強度。碳纖維是由含碳量較高、在熱處理過程中不熔融的人造化學纖維，經熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。,絢麗多彩的碳材料-碳纖維,碳纖維復合材料在高溫條件下以及對材料強度、剛度、重量、疲勞度等有苛刻要求的應用領域具有很強的優(yōu)勢。 由碳纖維和環(huán)氧樹脂結合而成的復合材料，由于其比重小、剛性好和強度高而成為一種先進的航空航天材料。因為航天飛行器的重量每減少1公斤，就可使運載火箭減輕500公斤。同樣，飛機重量的減輕也可以減少油耗，提高航速。 據(jù)報道，美國航天飛機上3級火箭推進器的關鍵部件以及先進的MX導彈發(fā)射管等，都是用先進的碳纖維復合材料制成的。 此外，還廣泛應用于體育器械、紡織、化工機械及醫(yī)學領域。,絢麗多彩的碳材料-碳纖維,三、富勒烯C60 1985年，美國化學家史莫利與英國化學家科爾托利用激光照射石墨，使其蒸發(fā)而成碳灰。質譜分析發(fā)現(xiàn)，這些碳灰中含有兩種不明物質，其分子量分別為碳的60倍與70倍，故將它們分別命名為 C60與C70。C60中20個正六邊形和12個正五邊形構成圓球形結構，共有60個頂點，分別由60個碳原子所占有，經證實它們屬于碳的第三種同素異形體，命名為富勒烯(Fullerene）。,絢麗多彩的碳材料-C60,C60結構示意圖,C60晶胞,內藏一個金屬原子鋰(Li)的C60,C60與堿金屬形成的系列化合物就成為超導體，如K3C60。這種超導體具有很高的超導臨界溫度。與氧化物超導體比較，C60系列超導體具有完美的三維超導性，電流密度大，穩(wěn)定性高，易于展成線材等優(yōu)點，是一類極具價值的新型超導材料。 與超導性一樣，鐵磁性是物質世界的另一種奇特性質。C60和有機分子作用可形成不含金屬的軟鐵磁性材料，以廉價的碳材料制成磁鐵替代價格昂貴的金屬磁鐵具有非常重要的意義。 C60分子具有良好的光學性能。由于它具有較大的非線性光學系數(shù)和高穩(wěn)定性等特點，C60作為新型非線性光學材料具有重要的研究價值，有望在光計算、光記憶、光信號處理及控制等方面有所應用。,絢麗多彩的碳材料-C60,就結構而言，碳納米管可以看作是普通石墨的一個奇異變種。碳納米管的結構相當于把石墨的平面組織卷成管狀，于是黑色的丑小鴨馬上就化做美麗的白天鵝，石墨管搖身一變成為納米科技的新寵。純碳納米管每克售價1000元，價格為黃金的10倍。在科學家的手中，碳納米管就像是魔術棒，不斷變換出各種新花樣。 碳納米管是目前人類制成的最細的管子，其粗細不超過頭發(fā)的萬分之一。,絢麗多彩的碳材料-碳納米管,科學家發(fā)現(xiàn)，碳納米管具有強度高、韌性好、重量輕、性能穩(wěn)定、柔軟靈活、導熱性好、表面積大等諸多優(yōu)點。 如果沿碳納米管邊沿的六邊形是沿著長軸方向平行排列的，那么碳納米管就具有金屬特性，能夠導電。但是，如果管壁的六邊形呈螺旋狀排列，那么該碳納米管就具有半導體的性質。 在材料科學領域，碳納米管的長度是其直徑的幾千倍，被稱為“超級纖維”。它的強度比鋼高100倍，但密度只有鋼的六分之一。它們非常微小，5萬個并排起來才有人的一根頭發(fā)那么寬。利用碳納米管可以制成高強度碳纖維材料。碳納米管還被認為是新一代平面顯示材料，從而制成更薄的電視機。在能源領域，碳納米管可以在較低的氣壓下存儲大量的氫，因此有望利用碳納米管超強的儲氫能力制成安全、清潔的新型電池。,絢麗多彩的碳材料-碳納米管,1、下列各級物質中既不是同素異形體，又不是同位素的是（ ） A 金剛石和石墨； B 37Cl和35Cl； C H2和D2； D O2和O3。 2、下列關于碳族元素性質的敘述正確的是（ ） 隨原子序數(shù)的增加單質的熔點逐漸升高；單質中硅的熔點最高；單質均為無色晶體；是由非金屬向金屬過渡的典型族；碳族元素的價電子是4個，介于易失電與易得電子的元素之間，幫故一般不易形成離子化合物；碳族元素形成的化合物種類最多；它們均以+4價為穩(wěn)定價態(tài)；從碳到鉛，A族元素最高價氧化物對應水化物酸性逐漸增強。 A； B； C； D,鞏固訓練,C,B,3、閱讀下列材料，回答下列問題：錫、鉛兩種元素的主要化合價是+2價和+4價，其中+2價錫元素的+4價鉛元素的化合物均是不穩(wěn)定的，+2價錫離子有強還原性，+4價鉛元素的化合物有強氧化