第十六章：碳族元素

第十六章碳族元素Chapter16

TheCarbonFamilyElements16-1碳族元素概述

一、IVA：Carbon(C)

Silicon(Si)

Germanium(Ge)

Stannum(Sn)

Plumbum(Pb)。

C明顯的非金屬Si基本上是非金屬

Ge是準(zhǔn)金屬Sn和Pb屬于金屬二、碳的成鍵特點(diǎn)：1、2、

易多原子均鍵,同素異形體多3、能和其它元素如氮、氧、硫和磷形成單鍵和多重鍵4、電負(fù)性中等，價(jià)電子數(shù)和軌道數(shù)相等，半徑小。三、Si

成鏈?zhǔn)潜咀逶鼗瘜W(xué)的主要特征1、Si-Si鍵能較小,鏈不能太長2、Si和Si之間基本上不形成pπ－pπ鍵，Si可以形成d－pπ鍵四、配位數(shù)（半徑），氧化數(shù)（惰性電子對(duì)效應(yīng)）五、存在：

1、碳廣泛存在于生物界，動(dòng)植物機(jī)體。2、Si在自然界中僅次于氧:硅酸鹽礦和石英礦

高純硅單晶體是最重要的半導(dǎo)體材料。3、鍺：分散稀有元素。晶態(tài)鍺：半導(dǎo)體材料。4、錫、鉛是用得較早、較廣泛的金屬元素。錫石：SnO2，方鉛礦：PbS。鉛：放射性衰變的產(chǎn)物。§16-2碳及其化合物一、TheSimpleSubstance

1、同素異形體:金剛石、石墨、碳纖維、富勒烯、碳納米管等2、金剛石

立方金剛石六方金剛石抗壓強(qiáng)度高，耐磨性能好，硬度高，熔點(diǎn)是所有單質(zhì)中最高的，絕緣體，抗腐蝕、抗輻射，高對(duì)稱性和高體折射率穩(wěn)定性：立方〉立方3、石墨

六方石墨（α-石墨）三方石墨（β-石墨）4、碳纖維以sp雜化方式相互鏈接而成的纖維狀碳材料每個(gè)C原子sp雜化，然后有兩套離域鍵

強(qiáng)度大、密度小、耐腐蝕、耐高溫、導(dǎo)電固體潤滑劑鉛筆芯高溫電極坩堝模具石墨插層化合物5、富勒烯：又稱為足球烯:C28、C30、C50、C60、C76、C80、C90、C94……、C240、C540

(1)結(jié)構(gòu)：12個(gè)五邊形、20個(gè)六邊形、32面體碳原子以sp3、sp2雜化軌道與相鄰的三個(gè)碳原子相連(2)properties：

a.面心立方密堆積，分子晶體b.芳香性，C60Fn(超級(jí)潤滑劑)c.超原子分子，超導(dǎo)性

d.有金屬光澤，易溶于苯（紫紅）。特別穩(wěn)定6、碳納米管

多層碳納米管或單層碳納米管儲(chǔ)氫抗拉強(qiáng)度和韌性在目前所有的材料中是最高的無定型碳：內(nèi)部原子排列可從三種晶態(tài)碳的單質(zhì)結(jié)構(gòu)來理解7、幾種同素異形體的關(guān)系：熵Scarbin＞Sgraphite＞SdiamonddC-C(nm):金剛石＞石墨＞苯＞乙烯＞碳纖維穩(wěn)定性：線型碳>石墨>金剛石>富勒烯C608、高溫，高壓二、碳化物（carbide）

1、通常指金屬或非金屬與碳組成的二元化合物2、分類：元素的屬性：金屬碳化物和非金屬碳化物

鍵型：離子型、共價(jià)型、金屬型a.離子型：如CaC2、Be2C、Al4C3b.共價(jià)型：如碳化硅、碳化硼等原子晶體c.金屬型：過渡金屬碳化物

金屬光澤、導(dǎo)電，以及熔點(diǎn)高、硬度大TiC、WC、TaC、NbC硬質(zhì)合金三、碳酸及碳酸鹽

1.碳酸

(1)二元弱酸

(2)不穩(wěn)定,只存在于水溶液中。2.碳酸鹽

正鹽:NH4+、IA（除Li)及Tl+

鹽易溶，其它難溶；(1)溶解性

酸式鹽，大多數(shù)易溶難溶碳酸鹽:其相應(yīng)酸式鹽比正鹽的溶解度大

易溶碳酸鹽:其相應(yīng)酸式鹽比正鹽溶解度小

怎么解釋？（2）熱穩(wěn)定性固體碳酸鹽分解為金屬氧化物和CO2氣體分解溫度—離子極化

（3）水解性

Na2CO3：純堿（4)可溶性金屬鹽與碳酸鹽的反應(yīng)產(chǎn)物3、硫代碳酸鹽和氮代碳酸鹽（1）Structure：（2）properties

(i)硫代碳酸鹽(ii)H2CS3：高折射率油狀物水中緩慢分解：易分解成H2S和CS2(iii)氮代碳酸鹽

H2CN2：易溶于水、alcohol和ether，顯示弱酸性

互變異構(gòu)

氨基腈化物(iv)性質(zhì)：四、CO

（1）制備：甲酸脫水。

（2）結(jié)構(gòu)式：

（3）還原性：

（4）CO比N2活潑，如可以吸收CO（5）配位性：能與一些有空軌道的金屬原子或離子形成配合物Fe（CO)5、Ni(CO)4和Cr(CO)6

（6）CO與其它非金屬的作用

（7）CO與堿的作用

1、鹵化物（CHal4）

（1）preparation：

（2）properties：

熱力學(xué)可行，從F到I，穩(wěn)定性降低

2、鹵氧化碳，也稱為碳酰鹵比CHal4活潑，易水解

光氣的制備：

劇毒五、其他含碳化合物

3、CS2

（1）preparation

（2）properties

易揮發(fā)、易燃的無色的有機(jī)溶劑水解：

§16-3硅及其化合物一、TheSimpleSubstance

1．Properties

（1）立方晶系，類似于金剛石，結(jié)合力不如金剛石強(qiáng)。有金屬光澤。單晶硅是良好的半導(dǎo)體材料。（2）加熱時(shí)與許多非金屬單質(zhì)及某些金屬反應(yīng)

（3）氧化性酸中鈍化,溶于HF－HNO3的混合酸

（4）

（5）

2．Preparation:

(2)提純:

(1)制備:

(3)超高純:區(qū)域熔融

二、二氧化硅(硅石)

1、形態(tài)

（1）無定形:硅藻土

（2）晶體:石英

a.純石英（無色透明）叫水晶硅烷法

西門子法:b.不純石英(有色):貓眼石碧玉煙水晶瑪瑙雞血石翡翠：鈉鋁硅酸鹽礦物祖母綠：鈹鋁的硅酸鹽礦物Be3Al2Si6O18

2、性質(zhì):

①原子晶體，熔點(diǎn)高，硬度大

②不與一般酸作用,但與氫氟酸反應(yīng)

實(shí)際溶解產(chǎn)物是不同組成的SiF4＋H2SiF6

③與堿反應(yīng)：

強(qiáng)堿不能長時(shí)間放在玻璃瓶中3、石英玻璃

石英高溫下熔化成粘稠液體，急速冷卻①1400℃不軟化

②熱賬系數(shù)小

③可透可見光和紫外光,用于制高級(jí)化學(xué)器皿和光學(xué)儀器。

Si-Si226Si-H292.6Si-C305Si-Cl402Si-O464Si-F598(kJ/mol)三、硅酸及其鹽

1、硅酸

通式xSiO2·yH2O偏硅酸H2SiO3（x＝1，y＝1）正硅酸H4SiO4（x＝2,y＝1）焦硅酸H6Si2O7（x＝2，y＝3）

制備：

單分子硅酸(溶于水)

多硅酸(難溶)硅酸溶膠或硅酸凝膠硅膠：干燥劑、吸附劑和催化劑載體2、硅酸鹽

(1)溶解性：

除IA硅酸鹽可溶外，其它皆難溶。

水玻璃、泡花堿重金屬硅酸鹽難溶于水,且有特征顏色:CuSiO3CoSiO3MnSiO3NiSiO3Fe2(SiO3)3ZnSiO3Al2(SiO3)3藍(lán)綠色紫色淺紅色翠綠色棕紅色白色無色透明(2)水解性

鑒定SiO32-

（3）硅酸鹽結(jié)構(gòu)

[SiO4]硅氧四面體這個(gè)基本單元彼此共用頂角氧聯(lián)接形成的各種硅氧四面體骨干

陽離子散布在其中單個(gè)[SiO4]四面體

兩個(gè)[SiO4]以角氧相連島狀

[SiO4]以兩角氧相連成環(huán)狀或長鏈狀結(jié)構(gòu)

Si︰O=1︰4

Si︰O=1︰3.5Si︰O=1︰3[SiO4]以角氧構(gòu)造成雙鏈

Si︰O=4︰11[SiO4]分別以三角氧和其它三個(gè)[SiO4]相連成層狀結(jié)構(gòu)Si︰O=2︰5[SiO4]分別以四個(gè)氧和其他四個(gè)[SiO4]相連成骨架狀結(jié)構(gòu)Si︰O=1︰2由于Al也能形成AlO4四面體，Al可以局部代替硅而成為鋁硅酸鹽（4）分子篩

天然的或人工合成的沸石型的水合鋁硅酸鹽。具有多孔的籠形骨架結(jié)構(gòu)

四、硅烷

SinH2n

+2(silane)n可高達(dá)15

1．preparation：

2、properties

(1)強(qiáng)還原劑

用KMnO4來鑒別在純水中硅烷(2)hydrolysis

3、用途

氯硅烷類及烷基氯硅烷類的骨架結(jié)構(gòu)，硅的外延生長、多晶硅、氧化硅、氮化硅等的原料，太陽能電池，光導(dǎo)纖維，有色玻璃制造，化學(xué)氣相淀積五、其他含硅化合物

1、硅化物（silicides）

(1)IA、IIA族硅化物：Ca2Si、CaSi、CaSi2不穩(wěn)定，與水反應(yīng)(2)副族元素硅化物

Mo3Si、Mo5Si3、MoSi、MoSi2高熔、沸點(diǎn)，不溶于HF和王水，僅溶于HF－HNO3混合液或者在堿液中。導(dǎo)電

WSi2（2165℃），Ti5Si3（2120℃），V5Si3（2150℃）：高溫材料

2．SiHal4，Si3N4，SiC，SiS2

(1)structure：正四面體結(jié)構(gòu)單元：SiHal4、

SiS4、SiN4、SiC4

(2)properties

a．與堿反應(yīng)

b．Hydrolysis

(3)SiHal4的制備

§16-4鍺分族一、單質(zhì)

1、物理性質(zhì)

（1）鍺為銀白色的脆性金屬，有一定的硬度。而鉛是暗灰色，重而軟的金屬

（2）錫有三種同素異性體-灰錫、白錫和脆錫。2、化學(xué)性質(zhì)

（1）與酸的反應(yīng)

Ge不與非氧化性酸作用,與氧化性酸反應(yīng)生成Ge(IV)

Pb與任何濃度的硝酸反應(yīng)都得到Pb(NO3)2

β-錫酸(xSnO2·yH2O)

（2）與堿反應(yīng)

（3）與氧的反應(yīng)

高溫下都能反應(yīng)，常溫下只有Pb能（4）與其它非金屬的反應(yīng)

鍺分族金屬能同鹵素和硫生成鹵化物和硫化物（5）與水的反應(yīng)

鍺、錫不與水反應(yīng)，鉛有空氣存在的條件下反應(yīng)二、氧化物及其水合物

1、氧化物

MO2都是共價(jià)型、兩性偏酸性，MO兩性偏堿性Pb2O3(PbO·PbO2)（黃色）Pb3O4(2PbO·PbO2)（紅色）不溶于水PbO2的氧化性

（鑒定Mn2+)

2、氫氧化物

三、鹵化物

MHal4和MHal2

1、MHal4具有共價(jià)化合物的特征，熔點(diǎn)低，易揮發(fā)或升華。MHal2為離子型化合物，熔點(diǎn)較高。

2、水解性

3、鹵配陰離子

4、PbCl4不穩(wěn)定-惰性電子對(duì)效應(yīng)從上到下MHal2越來越穩(wěn)定，而MHal4越來越不穩(wěn)定α-錫酸

α-錫酸溶解于濃HCl，KOH，而β-錫酸不溶四、硫化物

1、

2、制備：3、