碳硅硼PPT演示课件

碳硅硼,.,1,17.1 碳族元素,17.1.4 硅及其化合物,17.1.3 碳的化合物,17.1.2 碳族元素的单质,17.1.1 碳族元素概述,.,2,17.1.1 碳族元素概述,价电子构型：ns2np2,最大 配位数,单质可形成原子晶体,金属晶体,碳族(IVA)：C, Si, Ge, Sn, Pb,.,3,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。,.,4,17.1.2 碳族元素的单质,.,5,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。 碳簇：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。C:sp2.28杂化,碳纤维,.,6,石墨 : 硬度小，熔点极高，层状结构, C： sp2杂化，剩余的p1轨道，在层内有nn键， 有离域电子, 所以导电；层间分子间作用力小，易滑动，有润滑性。 人造石墨是利用石油、焦炭和煤油或沥青，经过成形烘干，在真空电炉中加热至3273K 得到。 金刚石：硬度大，熔点最高的单质，3283K，碳原子sp3 等性杂化，无自由电子，不导电。 无定形碳的结构接近于石墨。包括活性炭，碳纤维等。 目前研究热点：碳纳米管、线。,.,7,石墨(sp2杂化),金刚石(sp3杂化),.,8,足球烯，富勒烯，C60 (sp2.28杂化),.,9,17.1.3 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,一、 碳的氧化物 1. 一氧化碳(CO),.,10,性质： 作配位体，形成羰基配合物 Fe(CO)5, Ni(CO)4, Co2(CO)8 其中C是配位原子。 还原剂：,.,11,与其它非金属反应 CO可以与氢、卤素等非金属反应： Cr2O3ZnO CO +2H2 = CH3OH 623673K 活性炭 CO + Cl2 = COCl2（碳酰氯）,强配位性 剧毒,.,12,.,13,制备： （1）向热浓硫酸中滴加甲酸: HCOOH = CO + H2O,（2）草酸与浓硫酸共热: H2C2O4(s) = CO + CO2 + H2O (热浓H2SO4) (将CO2和H2O 用固体NaOH柱吸收, 得CO) （3）制纯的CO, 可用分解羰基化合物法: Ni(CO)4 = Ni + 4CO,.,14,（4）工业上将空气和水蒸气交替通入红热碳层:,得到的气体含CO 25，CO2 4，N2 70（体积比）。这种混合气体称为发生炉煤气。另一反应：,含CO 40，CO2 5，H2 50 为 水煤气。,生成的炉煤气和水煤气都是工业上的燃料气。,.,15,2.二氧化碳 (CO2),经典的分子结构：O=C=O,C：sp杂化,固体二氧化碳，干冰,.,16,.,17,。,.,18,.,19,.,20,均产生CO2气体，阳离子的极化作用越大, 越易分解。,.,21,过渡金属碳酸盐稳定性差 CaCO3 PbCO3 ZnCO3 FeCO3 分解T / 900 315 350 282 价电子构型 8e_ (18+2)e_ 18e_ (9-17)e_,离子极化观点：,r(M2+) 愈小，M2+ 极化力愈大，MCO3 愈不稳定； M2+ 为18e_，(18+2)e_ ，(9-17)e_ 构型相对于 8e_构型的极化力大， 其 MCO3 相对不稳定。,.,22,碳酸盐的溶解度：,易溶盐：Na2CO3 NaHCO3 K2CO3 KHCO3 100溶解度 45 16 156 60 (g/100g H2O),其它金属(含Li)碳酸盐难溶于水，且酸式盐溶解度大于正盐。,氢键存在，形成 二聚物或多聚物,.,23,3、可溶性碳酸盐与金属离子作用的产物类型,.,24, 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。 Ba2+ + CO32- = BaCO3(s),金属离子加入可溶性碳酸盐时，生成沉淀的类型：,氢氧化物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。,.,25, 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。,.,26,三、 碳的其它化合物 （1）四氯化碳 CCl4 CCl4 是无色液体，重要非水非极性溶剂，不水解，是灭火剂，阻燃剂。(隔绝空气)制备 : CH4 + 4Cl2 = CCl4 + 4HCl (713K)CS2 + 3Cl2 = CCl4 + S2Cl2 (FeCl3, 300K)分馏, 先蒸出为 CCl4 (b.p. 76.8) （2）二硫化碳 CS2CS2无色液体，重要的非水溶剂。性质: CS2 + 3O2 = CO2 +2SO2 (点燃),5CS2 + 4MnO4- + 12H+ = 5CO2 + 10S + 4Mn2+ + 6H2O,.,27,（3） 碳化物 1离子型碳与IA、IIA、IIIA族金属形成的碳化物, 如Al4C3等不一定有离子键，但由于有典型的金属原子，故取名离子型。易水解。 Al4C3 + 12H2O- 4Al(OH)3 + 3CH4 甲烷,.,28,2间充型重过渡金属半径大，在晶格中充填碳原子，仍有金属光泽，但硬度和熔点比原来的金属还高。如Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W等可形成MC式碳化物。轻过渡金属的碳化物，其活性介于重过渡金属间充型碳化物和离子型碳化物之间。可以水解。 3共价型B4C，SiC(金刚砂)主要特点是高硬度. SiC硬度为9(金刚石为10)，B4C可用来打磨金刚石.,.,29,金刚砂（SiC）：,.,30,17.1.4 硅及其化合物一、单质硅的性质、制备和用途 常温下，硅单质的唯一存在形式是晶态固体。硅晶体具有金刚石型晶体结构。即晶格中任一硅原子的周围都对称的以正四面体形式存在四个硅原子。 硅单质颜色灰黑，高硬度，熔、沸点很高，常温下化学性质不活泼，粉末状的硅比晶态硅活泼。 1、制备：SiO2 + 2C = Si(粗) 2CO （电炉中） 粗硅提纯 Si + 2Cl2 = SiCl4(l) 蒸馏得纯 SiCl4 ，用H2还原SiCl4 SiCl4 + 2H2 = Si(纯) 4HCl （电炉，催化）,.,31,2. 化学反应(1) 和非金属反应 Si在常温下不活泼，而在高温 下可以和O2、Cl2、N2反应. (2) 与金属作用 液态Si很活泼，它与金属可形成简单互溶合金，也可形成硅化物 . Si + 5Cu = Cu5Si (3) 和酸的反应：单一的酸不能和Si反应，要用 HFHNO3混酸:3Si + 18HF + 4HNO3 = 3H2SiF6 + 4NO+ 8H2 (4) 和强碱的作用: Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2（气体）,.,32,二、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,.,33,水晶,石英盐,黑曜石,紫晶,缟玛瑙,玛瑙,.,34,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：,.,35,性质：, 与碱作用, 与HF作用 SiO24HFSiF4H2O,SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2 （熔融）SiO2 + 2NaOH(浓) = Na2SiO3 + H2O,与F2 或 Mg、Al 等金属作用 SiO2 + 2F2 = SiO4 + O2 SiO2 + 2Mg = 2MgO + Si （高温）,.,36,三、硅酸,1. 组成 硅酸根之间易缩合，使硅酸的存在形式很复杂，经常用xSiO2yH2O表示，如: X=1, Y=1, H2SiO3 偏硅酸X=1, Y=2, H4SiO4 正硅酸、原硅酸X=2, Y=1, H2Si2O5 二偏硅酸X=2, Y=3, H6Si2O7 焦硅酸 (相当于2个正硅酸脱1个水分子)正硅酸放置时，生成多硅酸胶体溶液，即,H6Si2O7 + H4SiO4H8Si3O10 + H2OH6Si2O7 + H8Si3O10 H12Si5O10 + H2O H2n+2SinO3n+1 胶体,.,37,2. 性质：,3. 制备：,.,38,硅胶 在单体可溶性硅酸盐(NaSiO3)中, 加H+, 至pH78时, 硅酸根缩聚, 聚合度逐渐加高, 形成大分子量的胶体溶液. 当分子量达到一定程度时, 变成凝胶. 用水洗涤, 交换去掉阳离子, 烘干(333-343K), 加热(573K)活化, 得到一种多孔性有吸附作用的物质, 多孔硅胶, 可用作干燥剂,起吸水作用.,.,39,可溶性：Na2SiO3 (水玻璃) 、K2SiO3 不溶性：大部分硅酸盐难溶于水， 且有金属离子的特征颜色。 绿色：镍盐白色：钙盐蓝色：钴盐棕色：铁盐,四、硅酸盐,水中花园,.,40,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。,泡沸石：Na2O Al2O3 2SiO2 nH2O,分子筛,石棉,云母KMg3(OH)2Si3AlO10,.,41,五、硅的卤化物 SiX4,SiF4 SiCl4 SiBr4 SiI4 聚集态 g l l s,水解：,SiCl4 + 4H2O = H4SiO4 + 4HCl 故SiCl4可作烟雾剂SiF4 + 4H2O = H4SiO4 + 4HF 可逆反应SiF4 + 2HF = H2SiF6 （氟硅酸、强酸）,.,42,制备： Si2X2SiX4(F2常温，Cl2,Br2在673-873K) SiO22CaF22H2SO4SiF42CaSO42H2O SiO22C2Cl2SiCl42CO,.,43,六、硅的氢化物（硅烷 SinH2n+2） 1、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： SinH2n+2 n8 最简单的硅烷：SiH4 (甲硅烷，气体) 2、性质 强还原性 能与O2或其它氧化剂猛烈反应。能在空气中自燃，燃烧时放出大量的热，产物为SiO2 SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2H2O 能与一般氧化剂反应。,.,44,SiH4 + 2KMnO4 = 2MnO2 + K2SiO3 + H2 + H2O SiH4 + 8AgNO3 + 3H2O = 8Ag + SiO2 + 8HNO3 这二个反应可用于检验硅烷。 水解 硅烷在纯水中不发生水解作用。但当水中有微量碱存在时，由于碱的催化作用，水解反应即激烈地进行。 SiH4 + (n+2)H2O = SiO2nH2O + 4H2 甲烷无此反应 热稳定性差（比甲烷差）： 分子量大的稳定性更差。将高硅烷适当地加热，它们即分解为低硅烷。低硅烷（如SiH4）在温度高于773K即分解为单质硅和氢气。,.,45,SiH4 = Si + 2H2 SiSi 键及 SiH键的键能小于 CC 键及CH键的键能。3、制备 SiO2与金属一同灼烧： SiO2 + 4Mg = Mg2Si + 2MgO （灼烧） 然后在酸中水解： Mg2Si + 4HCl = SiH4 + 2MgCl2 这样制得的 SiH4中含有 Si2H6, Si3H8 等杂质。 纯的SiH4 : SiCl4 + LiAlH4 = SiH4 + LiCl + AlCl3,.,46,17.2 硼元素,17.2.3 硼的化合物,17.2.2 硼族元素的单质,17.2.1 硼族元素概述,.,47,17.2.1 硼族元素概述,硼族(A)：B，Al，Ga，In，Tl 价电子构型：ns2np1 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。,.,48,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,c. 易形成缺电子多中心键,.,49,硼族元素的一般性质：,B为非金属单质，Al，Ga，In，Tl是金属 氧化态：B，Al，Ga：（+3） In：（+1，+3） Tl：（+1） 最大配位数： B：4 例：HBF4 其它：6 例：Na3AlF6,.,50,17.2.2 硼族元素的单质,.,51,硼的单质,1. 两类: 无定形硼， 晶形硼（有多种同素异形体） 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（最普通的晶态硼，以B12为 结构单元）， 原子晶体,.,52,2. 制备： （和Si制备相比较）(1) 用Mg或Al 还原B2O3，相当于用C还原SiO2B2O3 + 3Mg = 3MgO + 2B (高温) (2) 用H2还原三溴化硼，相当于用H2还原SiCl4 2BBr3 + 3H2 = 2B + 6HBr (Ta丝, 高温) (3) 电解还原熔融的硼酸盐或四氟硼酸盐 2KBF4= 2B + 3F2 + 2KF (熔融KCl-KF中) (4) 硼化合物的热分解 2BI3 =2B + 3I2 （1073-1273K,钽丝）,.,53,3. 硼的反应(1) 常温下不活泼，高温下活泼4B + 3O2 = 2B2O3（炼钢中的脱氧剂） 2B + 3Cl2 = 2BCl3 与硅相似2B + N2 = 2BN (均在高温下进行) (2) 与酸(氧化性酸)和水蒸气作用 2B + 6H2O(g) = 2H3BO3 + 3H2 （无定形硼） B + 3HNO3 = H3BO3 + 3NO2 2B + 3H2SO4 = 2H3BO3 + 3SO2 (3) 和氧化性酸起反应，比硅活泼些B + 3HNO3(浓) = H3BO3 + 3NO2,.,54,(4) 和强碱起反应 2B + 2NaOH(浓) + 2H2O =2NaBO2 + 3H2(气体) (偏硼酸钠) (5) 与金属作用 硼几乎与所有金属都生成金属型硼化物，其组成一般为MB、M2B、M4B、M3B4、MB2、MB6等。,.,55,一、硼的氢化物，硼烷 1. 硼烷分类：BnHn+4 (少氢型)和 BnHn+6（多氢型） 例： B2H6 B4H10 乙硼烷 丁硼烷（10） 有CH4，但无BH3 最简单的硼烷：B2H6,17.2.3 硼的化合物,.,56,2. 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：,要点：B的杂化方式，三中心两电子键、氢桥。,.,57,B4H10分子结构,丁硼烷（10）,.,3. 硼烷的性质（以乙硼烷为例）, 自燃,高能燃料，剧毒, 水解,含硼化合物燃烧 火焰呈现绿色,.,59, 加合反应, 被氯氯化,(5) B2H6 与 NH3 反应生成环氮硼烷 453K 3B2H6 + 6NH3 = 2B3N3H6 + 12H2,.,60,4、硼氢配合物 硼氢配合物是含有硼氢负离子(BH4)的一类化合物。 碱金属硼氢配合物的制备： 2LiH + B2H6 = 2LiBH4 4NaH + BF3 = NaBH4 + 3NaF 4NaH + B(OCH3)3 = NaBH4 + 3NaOCH3 由于分子中有BH4-离子，硼氢配合物是很强的还原剂。5、硼的卤化物和氟硼酸 硼与卤素形成大量的二元卤化物，其中同种卤素的三卤化物最为稳定。三卤化硼是挥发性的、很活泼的单分子化合物，双聚倾向很小。,.,61,BF3(g) BCl3(g) BBr3(l) BI3(s) BX3 的分子结构： B 原子为SP2 杂化，所有 BX3 都是平面三角形分子，XBX 为120, BX 间的键长小于BX 单键的键长，因其分子内形成46 离域 键。 BX3 是缺电子分子，有强烈的接受电子对的倾向 ，是很强的路易斯酸。 BX3极易水解生成 H3BO3: BCl3 + 3H2O =H3BO3 + 3HCl 4BF3 + 6H2O = H3BO3 + 3H3O+ + 3BF4- HBF4 （氟硼酸）是一种强酸，仅以离子状态存在于水溶液中。,.,62,1. 三氧化二硼 B2O3,制备：,原子晶体：熔点723K 无定形体：软化,二、 硼的含氧化合物,结构：,.,63,B2O3和许多种金属氧化物在熔融时生成有特征颜色的硼珠，可用于鉴定。,CoO + B2O3 = Co(BO2)2 深蓝色Cr2O3的硼珠 绿色 CuO的硼珠 蓝色MnO的硼珠 紫色 NiO的硼珠 绿色Fe2O3的硼珠 黄色,.,64,B：sp2杂化,2. 硼酸 H3BO3 结构：,.,65,性质：,(1) 一元路易斯弱酸 (固体酸),(2) 与多羟基化合物加合,=7.310-10,在H3BO3中加入甘油（丙三醇），酸性可增强,.,66,(3) 受热易分解,H3BO3遇到某种比它强的酸时，有显碱性的可能: B(OH)3 + H3PO4= BPO4 + 3H2O (中和反应),.,67,(4) 硼酸的鉴定反应,H3BO3 + 3C2H5OH = B(OC2H5)3 + 3H2O 硼酸酯具有挥发性。点燃时， 硼酸三乙酯燃烧显绿色火焰,.,68,基本结构单元为BO3平面三角形和 BO4四面体构成,3. 硼砂 (1) 硼酸根的结构：,.,69,工业上由硼镁矿制得硼砂： Mg2B2O5H2O + 2NaOH = 2NaBO2 + Mg(OH)2 4NaBO2 + CO2 + 10H2O = Na2B4O5(OH)48H2O + Na2CO3,(2) 性质：,水解呈碱性,B4O72- + 7H2O = 4H3BO3 + 2OH- (可逆过程)或 B4O5(OH)42- + 5H2O = 2H3BO3 + 2B(OH)4-水解产物H3BO3可以抗碱，B(OH)4-可以抗酸。0.01mol.L-1的硼砂溶液，pH = 9.18 所以硼砂溶液是一种常用的缓冲溶液，它也常用于作基准物质标定酸溶液的浓度。,.,70,与酸反应制H3BO3 （产物不是四硼酸）,脱水,硼砂珠实验