碳族元素通性、單質(zhì)及其化合物

1、碳族元素通性、單質(zhì)及其化合物碳族元素通性、單質(zhì)及其化合物15-1 碳族元素的通性15-2 碳族元素的單質(zhì)及其化合物15-3 無機(jī)化合物的水解性8/5/20222元素符號CSiGeSnPb價(jià)電層結(jié)構(gòu)2s22p23s23p24s24p25s25p26s26p2電負(fù)性2.251.902.01()1.96()1.80()2.33 ()1.87 ()主氧化數(shù)+4(+2)+4(+2)+4,+2+4,+2(+4)+2晶體類型原子晶體金屬晶體15-1 碳族元素的通性8/5/20223 1.惰性電子對效應(yīng)：C，Si +氧化態(tài)穩(wěn)定，Pb是+氧化態(tài)穩(wěn)定。 2.C-C,C-H,C-O鍵能很高,奠定了有機(jī)化合物眾多的基

2、礎(chǔ)。 3.Si-Si鍵能低，所以硅鏈不會太長，硅化合物比碳化合物少得多。 Si-O鍵能高，對應(yīng)化合物多。 4.本族元素單質(zhì)易形成同素異形體。特點(diǎn)：8/5/20224碳原子的成鍵特征成鍵形式價(jià)鍵結(jié)構(gòu)化合物舉例sp3雜化4個單鍵C正四面體金剛石、CH4CCI4、C2H6sp2雜化，2個單鍵，一個雙鍵C平面三角形石墨、COCI2C2H4、C6H6sp雜化，1個單鍵，一個叁鍵C直線形C2H2、HCNsp雜化,一個叁鍵,1個孤電子對C直線形CO8/5/20225一、碳族元素在自然界的分布二、碳族元素的單質(zhì)三、氧化物四、含氧酸及其鹽五、氫化物六、鹵化物和硫化物15-2 碳族元素的單質(zhì)及其化合物8/5/20

3、226一、自然界的分布C 單質(zhì)狀態(tài)：主要是金剛石和石墨。 化合物：煤、石油、天然氣、動植物、 石灰石、白云石、CO2等。Si 靠Si-O鍵聯(lián)結(jié)成各種鏈狀、層狀和立體狀結(jié)構(gòu)，構(gòu)成各種巖石及其風(fēng)化產(chǎn)物-土壤和泥砂。Ge、Sn、Pb主以硫化物形式存在。8/5/20227錫石SnO2方鉛礦 PbS 8/5/20228二、碳族元素的單質(zhì) 金剛石、石墨、碳原子簇 金剛石 天然存在的最硬的單質(zhì)（硬度：10） 所有單質(zhì)中熔點(diǎn)最高（3823K） 金屬：硬度最大為Cr(硬度：9） 熔點(diǎn)最高為W（368320K）8/5/20229 原子晶體，C：sp3等性雜化，所有價(jià)電子都參與了共價(jià)鍵的形成,晶體中沒有自由電子，因

4、此不導(dǎo)電。室溫下對所有化學(xué)試劑顯惰性。 用途：鉆石、裝飾品，鉆頭，磨削工具。8/5/2022108/5/202211混合型晶體-原子晶體、分子晶體、金屬晶體。石墨晶體8/5/202212C的同素異形體中，石墨最穩(wěn)定。8/5/202213C60 (足球烯、富勒烯)簡介 結(jié)構(gòu)：60個碳原子構(gòu)成近似于球形的32面體，即由12個正五邊形和20個正六邊形組成。每個碳原子以sp2雜化軌道與相鄰三個碳原子相連。剩余的P軌道在C60的外圍和腔內(nèi)形成大鍵。其形狀酷似足球，故稱作足球烯。8/5/202214制備：用純石墨做電極，在氦氣氛中放電，電弧中產(chǎn)生的碳煙沉積在水冷反應(yīng)器內(nèi)壁，此碳煙中有C60、C70等碳原子

5、簇。 用途:超導(dǎo)體（嵌入堿金屬）、有機(jī)軟鐵磁體、光學(xué)材料、功能高分子材料、生物活性材料等。8/5/202215碳納米管8/5/202216無定形碳木炭活性炭 炭黑：油漆、顏料 焦炭 ：冶金還原劑吸附能力8/5/202217碳的還原反應(yīng) 2CO+O22CO2（a) C+O2CO2（b) 2C+O22CO（c) -200 -400 -600 G 983 1273 2273 （T/K）8/5/2022188/5/202219 C(石墨）（金剛石）fGm/kJmol-1 /gcm-3fHm/kJmol-1 轉(zhuǎn)化反應(yīng)是吸熱的體積減小的反應(yīng)欲使反應(yīng)正向進(jìn)行，需采取的措施是？-高溫、高壓、催化劑。8/5/2

6、02220 溶劑說：石墨先溶解在溶劑（金屬催化劑）中成為單個碳原子，然后在冷卻時直接生成金剛石。 固相轉(zhuǎn)化說：石墨的碳原子間的鍵不發(fā)生斷裂，而是在催化劑的作用下，按一定方向位移直接轉(zhuǎn)化為金剛石結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)化機(jī)理8/5/2022214.硅、鍺、錫、鉛單質(zhì)Si:原子晶體，類似于金剛石，灰黑色，硬、脆，能刻劃玻璃。低溫下穩(wěn)定，只與強(qiáng)氧化劑和強(qiáng)堿作用，高溫時可與許多物質(zhì)反應(yīng)。高純硅可作半導(dǎo)體材料。 * Si+2OH- +H2O=SiO32-+2H2Ge：原子晶體，金剛石型晶體結(jié)構(gòu)，比Si活潑，能溶于氧化性酸（濃H2SO4，濃HNO3）中得到Ge（），難溶于NaOH,也不與空氣中的O2、H2O和非氧化性酸作

7、用。高純鍺也是較好的半導(dǎo)體材料。8/5/202222Sn：灰錫()白錫()脆錫() 白錫:有延展性金屬,286K逐步轉(zhuǎn)化為粉末狀灰錫而自行毀壞(錫疫).馬口鐵為鍍錫薄鐵. Sn+2HCI(熱、濃)=SnCI2+H2 3Sn+8HNO3(冷、稀)=3Sn(NO3)2+2NO+4H2O Sn+4HNO3(濃)=H2SnO3(SnO2H2O)+4NO2+H2O Sn+2OH-+2H2O= Sn(OH)42-+H28/5/202223 Pb: gcm-3),純鉛在空氣中不穩(wěn) 定Pb（OH）2或Pb2（OH）2CO3 化工廠或?qū)嶒?yàn)室可用鉛做耐酸反應(yīng)器的襯里和儲存、輸送酸液的管道設(shè)備（ PbCI2、PbS

8、O4等難溶）。不能輸送飲用水(有毒)。可輸送硬水難溶保護(hù)膜PbSO4，Pb2（OH）2CO3 。 Pb易溶于稀HNO3、濃硫酸Pb(HSO4)2和濃鹽酸H2PbCI4。冷濃HNO3中鈍化.8/5/202224GeSnPb8/5/202225三、氧化物1.CO和CO2制備發(fā)生爐煤氣（C+空氣CO+N2）水煤氣 C+H2O CO+H28/5/202226結(jié)構(gòu)：與N2是等電子體（14個電子）思考題：O和C的電負(fù)性差值較大（3.44-2.25=0.89），但COD），說明原因。348/5/202227CO的性質(zhì)物性：無色、有毒氣體，難溶于水，無味?；裕?可燃性 2CO+O2=2CO2 ，蘭色火焰，放

9、出大量熱。強(qiáng)還原性 FeO+CO=Fe+CO2 (冶金） * CO+PdCI2+H2O=CO2+2HCI+Pd（檢驗(yàn)） * 2Ag(NH3)2+CO+2H2O=2Ag+CO32-+4NH4+8/5/202228加合性 Ni+4CO=Ni(CO)4Ni+4CO* Cu(NH3 )2Ac+CO+NH3 Cu(NH3)3(CO)Ac其它反應(yīng)：CO+H2=CH3OH 思考題：1.在用爐火取暖時，為防止煤氣中毒，在火爐上放一大盆水或等聞到煤氣味就搬走火爐的做法是否可行？ 2.炭火爐燒得熾熱時，潑少量水的瞬間爐火燒的更旺，為什么？ 8/5/202229CO2的性質(zhì) 無色、無味（酸味）、不燃、不助燃，可滅火

10、，但不能滅Mg、AL、P等引起的火災(zāi)。 CO2+Mg=2MgO+C ; 4P+10CO2=P4O10+10CO 干冰-固體CO2（分子晶體），制冷劑。 用途：啤酒、飲料、純堿、小蘇打、鉛白等。2(俗名：石英、海砂、水晶、碧玉、瑪瑙等）原子晶體,Si:O=1:2,熔點(diǎn)高、硬度大、難溶水.8/5/2022308/5/202231硅氧四面體金剛石 二氧化硅 8/5/202232SiO2的化學(xué)性質(zhì)高溫下被Mg、AL、B還原 SiO2+2Mg(AL、B)Si+MgO(B2O3、AL2O3)除F2、HF外不與其它X2和酸作用 SiO2+4HF=SiF4+2H2OH2SiF6 （腐蝕玻璃）溶于熱強(qiáng)堿液或熔融

11、Na2CO3 SiO2+2OH-=SiO32-+H2O SiO2+Na2CO3=Na2SiO3+CO2 光纜：高純SiO2熔融體中拉出的直徑約100m的細(xì)絲（光導(dǎo)纖維）光纜8/5/2022333.Sn、Pb的氧化物SnO：難溶于水的黑色固體，兩性。 SnO+2HCI=SnCI2+H2O SnO+2NaOH=Na2SnO2+H2OSnO2：難溶水的白色固體,兩性偏酸. SnO2+2NaOH(熔融)=Na2SnO3+H2O Pb的氧化物PbO(密陀僧):黃色、難溶于水,兩性偏堿。溶HAc和HNO3Pb2+ Sn的氧化物8/5/202234PbO2:暗棕色,難溶于水,兩性偏酸.強(qiáng)氧化性。 * PbO

12、2+4HCI（濃）=PbCI2+CI2+2H2O * 2PbO2+2H2SO4（濃）=2PbSO4+O2+2H2O * 5PbO2+2Mn2+4H+=2MnO4-+5Pb2+2H2O PbO2+2NaOH=Na2PbO3+H2O8/5/202235工業(yè)上PbO2主要用于制造鉛蓄電池（正極）電極反應(yīng) 負(fù)：PbSO4+2-=Pb+SO42- (=-0.356V） 正：PbO2+SO42- +4H+2-=PbSO4+2H2O (=1.69V） 總反應(yīng)：8/5/202236Pb3O4 :(鉛丹、紅鉛),紅色粉末.* Pb3O4+4HNO3=2Pb(NO3)2+PbO2+2H2O做紅色顏料,油漆船舶和橋

13、梁鋼架.Pb3O4+8HCI=3PbCI2+CI2+4H2OPb3O4+4HI=2PbI2+PbO2+2H2OPb3O4+8HI=3PbI2+I2+4H2O8/5/202237四、含氧酸及其鹽碳酸(H2CO3 ) 二元弱酸 K1=4.210-7（水中主要CO2H2O） K2=5.610-11 碳酸鹽 水溶性 正鹽：銨及堿金屬（Li除外）鹽易溶，余難溶。酸式鹽：大多易溶8/5/202238 S(難溶正鹽)S(相應(yīng)酸式鹽) S（CaCO3)S(相應(yīng)酸式鹽) S(Na2CO3)S(NaHCO3)易溶鹽： Na2CO3 NaHCO3 K2CO3 KHCO3100溶解度 45 16 156 60(g/1

14、00gH2O)8/5/202239 溶解度的反常是由于HCO3-離子通過氫鍵形成雙聚或多聚鏈狀離子的結(jié)果。雙聚（HCO3）22-多聚（HCO3）nn-8/5/202240*(2)熱穩(wěn)定性A 無水碳酸鹽的穩(wěn)定性同族內(nèi)自上而下增加 BeCO3 MgCO3 CaCO3 SrCO3 BaCO3 373K 813K 1170K 1462K 1633KB 碳酸正鹽碳酸氫鹽碳酸C 堿金屬碳酸鹽堿土金屬碳酸鹽過渡金屬碳酸鹽 Na2CO3 CaCO3 CuCO3 難 1170K 473K8/5/202241*(3)水解性8/5/202242 氫氧化物沉淀：S氫氧化物S碳酸鹽 AI3+、Fe3+、Cr3+、Sn2

15、+、Sn4+、Sb3+等(水解性強(qiáng)) 2Fe3+3CO32-+3H2O=2Fe(OH)3+3CO2 堿式碳酸鹽：S氫氧化物 S碳酸鹽Mg2+、Pb2+、Cu2+、Bi3+、Zn2+ 、Hg2+ 、Cd2+等 2Cu2+2CO32-+H2O=2Cu2(OH)2CO3+CO2 碳酸鹽沉淀：S氫氧化物S碳酸鹽Ca2+、Sr2+、Ba2+、Ni2+、Ag+、Mn2+等(難水解) Ba2+CO32-=BaCO38/5/202243 硅酸：通式xSiO2YH2O 正硅酸 H4SiO4 偏硅酸 H2SiO3 二偏硅酸 H2Si2O5 焦硅酸 H6Si2O7 K1=3.010-10 ； K2=2.010-12

16、 Na2SiO3+2HCI=H2SiO3+2NaCI* Na2SiO3+2NH4CI=H2SiO3+2NaCI+2NH38/5/202244 硅膠 稍透明的白色固態(tài)物質(zhì)，內(nèi)部有很多微小的空隙，內(nèi)表面積很大，有很強(qiáng)的吸附性能，可做吸附劑 、干燥劑和催化劑載體。8/5/202245變色硅膠干燥劑用CoCI2溶液浸泡硅酸凝膠，然后干燥活化得到 CoCI2（無水） CoCI26H2O （可再生）蘭色藍(lán)紫紫紅粉紅8/5/202246硅酸鹽a 堿金屬硅酸鹽易溶，余難溶。重金屬硅酸鹽有特征顏色。水中花園8/5/202247b SiO2 +不同比例的堿性氧化物共熔，可得到確定組成的硅酸鹽 最簡單：偏硅酸鹽（N

17、a2SiO3）水玻璃 正硅酸鹽（Na4SiO4） 普通玻璃：Na2CO3、CaCO3和SiO2共熔得到的硅酸鈉和硅酸鈣的混合物。 組成為 Na2CO3CaCO34SiO2。加不同金屬氧化物可得不同顏色玻璃。8/5/202248結(jié)構(gòu)SiO2和硅酸鹽的基本結(jié)構(gòu)單元均為SiO4四面體硅氧四面體無限長單鏈狀結(jié)構(gòu)的多硅酸根8/5/202249無限長雙鏈兼環(huán)狀結(jié)構(gòu)的多硅酸根8/5/202250鋁硅酸鹽 硅氧四面體中，如有部分硅被鋁取代，則網(wǎng)絡(luò)骨架帶負(fù)電，骨架空隙中必須存在中和電荷的陽離子。此礦物即鋁硅酸鹽。 鈉長石：Na2OAI2O36SiO2 粘土: AI2O32SiO22H2O 鈉沸石：Na2OAI2

18、O33SiO22H2OCaO鋁酸鹽硅酸鹽8/5/202251 分子篩 沸石分子篩某些籠形的天然硅酸鹽和鋁硅酸鹽可以選擇地吸附一定大小的分子，起到篩分分子的作用。 合成分子篩A型組成：Na2OAI2O32SiO25H2O 見P7538/5/202252 SnSn2+2OH-=Sn(OH)2白，兩性 Sn(OH)2+2H+= Sn2+2H2O Sn(OH)2+2OH-= Sn(OH)42-Sn4+4NH3H2O-H2SnO3白,兩性偏酸-錫酸,無定形體,易溶于堿和濃鹽酸 Sn(OH)4+2OH-= Sn(OH)62- Sn(OH)4+6HCI=H2SnCI6+4H2OSn+HNO3(濃)-H2Sn

19、O3 白色晶態(tài),兩性偏酸，難溶于酸堿。8/5/202253亞錫酸根離子 Sn（OH）42-為強(qiáng)還原劑 BSn(OH)62-/Sn（OH）42- Bi3+的鑒定反應(yīng)* 3Sn(OH)42-+2Bi3+6OH-=2Bi(黑)+3Sn(OH)62- Bi(OH)3+CI2+3NaOH=NaBiO3+2NaCI+3H2O 2Bi3+3S2-=Bi2S38/5/202254 PbPb2+2OH-=Pb(OH)2白色，兩性偏堿。 Pb(OH)2+2HNO3=Pb(NO3)2+2H2O Pb(OH)2+OH-=Pb(OH)3- Pb(OH)3-+CIO-PbO2+CI-+H2O+OH-Pb(OH)4 棕色，

20、兩性，不穩(wěn)定。8/5/202255Ge(OH)4 Sn(OH)4 Pb(OH)4 棕 白 棕Ge(OH)2 Sn(OH)2 Pb(OH)2 白 白 白酸性增強(qiáng)酸 性 增 強(qiáng)堿 性 增 強(qiáng)堿性增強(qiáng)Ge、Sn、Pb氫氧化物的酸堿性8/5/202256五、氫化物C-H化合物，有機(jī)討論Si-H化合物，通式SinH2n+2(n=16)甲硅烷：SiH4結(jié)構(gòu)：XCXHXsi8/5/202257性質(zhì)物性：無色、無臭氣體化性：熱穩(wěn)定性 SiH4CH4易水解 3d軌道8/5/202258SiH4制法：GeH4:無色氣體，不穩(wěn)定。Sn、Pb氫化物極少見。8/5/202259* 六、鹵化物C,SiMX4 ; Ge,S

21、n,PbMX2,MX44 無色液體，四面體型非極性分子，難溶于水，易溶于有機(jī)溶劑。 由于分子軌道全被電子填滿，所以不活潑，常溫下不與酸堿反應(yīng)，不水解。用途：有機(jī)溶劑，滅火劑（如：電器火災(zāi)）。8/5/2022602.SiX4SiF4 SiO2+4HF=SiF4+2H2O無色帶刺激性臭味的氣體，易溶于水并水解。 3SiF4+4H2O=H4SiO4+2H2SiF6（酸性H2SO4)NaOH或NaCI(過) Na2SiF6 （農(nóng)業(yè)殺蟲滅菌劑，木料防腐劑）Na、K、Ba的氟硅酸鹽難溶于水Li、Ca的氟硅酸鹽能溶于水8/5/2022613SiF4+2Na2CO3+2H2O=2Na2SiF6+H4SiO4+

22、2CO2SiCI4: Si+2CI2=SiCI4 SiO2+2C+2CI2=SiCI4+2CO 無色液體，易揮發(fā)，有強(qiáng)烈的刺激性。潮濕空氣中因水解產(chǎn)生白色煙霧。 SiCI4+4H2O=H4SiO4+4HCI思考題：產(chǎn)物中是否會產(chǎn)生H2SiCI6?為什么？8/5/2022623、Sn的鹵化物SnCI2 2Fe3+Sn2+=2Fe2+Sn4+ * 2Sn2+O2+4H+=2Sn4+2H2O * 2HgCI2+SnCI2=SnCI4+Hg2CI2 * Hg2CI2+SnCI2= SnCI4+2Hg鑒定Sn2+ 和Hg2+*水解：SnCI2+H2O=Sn(OH)CI+HCI思考題實(shí)驗(yàn)室如何配制與保存S

23、nCI2溶液？8/5/202263SnCI4 無色液體,共價(jià)化合物,溶于有機(jī)溶劑。遇水強(qiáng)烈水解，在潮濕空氣中發(fā)煙。 SnCI4+2H2O=SnO2+4HCI SnCI4+（x+2)H2O=SnO2xH2O+4HCI在鹽酸中 SnCI4+2HCI=H2SnCI6* 2HgCI2+SnCI2+2HCI=H2SnCI6+Hg2CI2* Hg2CI2+SnCI2+2HCI=H2SnCI6+2Hg 思考題：HgCI2 過量和 SnCI2過量，最終產(chǎn)物是否相同？8/5/2022644.Pb的鹵化物 PbCI2:白色,易溶于沸水和濃鹽酸 PbCI2 +2HCI=H2PbCI4PbI2: 黃色絲狀有亮光 易溶

24、于沸水和KI。 PbI2+2KI=K2PbI4PbCI4:低溫存在PbO2+4HCI(PbCI4)PbCI2+CI2 8/5/202265七、Sn、Pb的硫化物 SnS SnS2 PbS 顏色 暗棕 黃色 黑色 酸堿性 弱堿 弱酸 弱堿Na2S ;(NH4)2S SnS32- Na2S2 ;(NH4)2S2 SnS32- SnS32-+2H+=H2S+SnS28/5/202266PbS+4HCI（濃）=H2S+H2PbCI43PbS+8H+2NO3=3Pb2+3S+2NO+4H2OPbS+4H2O2=PbSO4+4H2O8/5/202267八、鉛的一些含氧酸鹽易溶鹽：Pb(NO3)2 , Pb

25、(Ac)2(鉛糖，有毒）難溶鹽： PbSO4（白），制白色油漆 PbSO4+H2SO4 (熱、濃)=Pb(HSO4)2PbSO4+2NH4Ac(飽和)=Pb(Ac)2+(NH4)2SO4PbSO4+3NaOH(過量、熱)=NaPb(OH)3+Na2SO48/5/202268PbCrO4 黃(鉻黃顏料的主成分)Pb2+CrO42-=PbCrO4（中性或微酸性中形成） 鑒定Pb2+或CrO42-離子能溶于NaOH及強(qiáng)酸PbCrO4+3NaOH=NaPb(OH)3 +Na2CrO42PbCrO4+4HNO3=2Pb(NO3)2+H2Cr2O7+H2OS(MCrO4)0 常溫反應(yīng)不能自發(fā)。(2) rS

26、m=133.675 Jmol-1K-1 0 由rGm= rHm-T rSm知 T升高，rGm減小，所以升溫對反應(yīng)有利。（3）平衡時rGm=0，T= rHm/ rSm=982K8/5/20228713.配溶液：先將SnCI22H2O溶解在濃鹽酸中，然后加水稀釋到所需濃度。目的是抑制水解。 SnCI2+H2O=Sn(OH)CI+HCI保存溶液：加錫粒防止氧化 2Sn2+O2+4H+=2Sn4+2H2O Sn4+Sn= 2Sn2+8/5/202288 Pb2+Sn=Pb+Sn2+K=Sn2+/Pb2+ LgK=nELg0.46= 2EE（Pb2+/Pb)-(Sn2+(Sn2+/Sn)=-0.126+0.01=-0.116(v)8/5/20228918. Sn+2HCI(濃、熱）=SnCI2+H2 Sn+2CI2(干燥)=SnCI4 SnCI2+2FeCI3=2FeCI2+SnCI4 SnCI4+2H2