高一化学碳族元素.ppt

碳 族 元 素,1、画出C、Si 原子结构示意图。 2、指出碳族元素在周期表中的位置。 3、根据各周期所增加元素种类，能否推测出碳族元素的原子序数。,碳族元素在周期表中的位置,碳族元素原子结构示意图,讨论： 1、碳族元素在原子结构上的异同点？ 2、能否根据碳族元素结构上的递变推导出其性质的递变规律？,碳族元素的化学性质,酸性减弱，碱性增强,碳族元素性质变化的规律性 相似性： 1、最外层4个电子，易形成共价键 2、主要化合价：+4、+2 3、最高价氧化物：RO2 对应水化物：H2RO3或H4RO4 R(OH)4 递变性： C Si Ge Sn Pb 非金属性减弱，金属性增强,碳族元素的几种单质,碳(C) 性质: 熔点约为3 550 （金刚石），沸点约为4 827 （升华），密度为3.513 g/cm3(金刚石)、2.260 g/cm3(石墨)（20 )。 用途: 用于首饰(金刚石)、炼钢(焦炭)、印刷(炭黑)和精制糖(活性炭)等。 发现:在自然界中以石墨（和金刚石）存在。古代已知有木炭和烟炱。,硅(Si) 性质：熔点为1410 ，沸点为2 355 ，密度为2.329 g/cm3(20 )。超纯半导体晶体是蓝灰色，用碳还原砂子得到的无定形硅为黑色。不跟氧气、水、酸（HF除外）反应，但溶于热碱。用于制半导体、合金和聚合物。 用途：用于制半导体、合金和聚合物。 发现：1823年由贝采里乌斯（J.J.Berzelius）在瑞典制得。,碳族元素的几种单质,碳族元素的几种单质,锗(Ge) 主要性质和用途：熔点为937.5 ,沸点为2 830 ，密度为5.323 g/cm3(20 )。超纯锗是银白色、脆的类金属元素。在空气和水中稳定，不跟酸（硝酸除外）和碱反应。用于半导体、合金和红外装置用的特种玻璃。 发现：1886年由文克勒（C.A.Winkler）在德国发现。,锡(Sn) 主要性质和用途：熔点为232.1 ,沸点为 2 270 ，密度为5.750 g/cm3（）、7.310 g/cm3（）(20 )。软而柔韧的银白色金属。在氧化物膜的保护下不跟氧反应，也不跟水反应，但溶于酸和碱中。用于焊锡、合金、镀锡、聚合物添加剂和防腐涂料。 发现：远古文明已知。,碳族元素的几种单质,铅(Pb) 主要性质和用途：熔点为327.7 ，沸点为1 740 ，密度为11.35 g/cm3（20 ）。软，低强度，有可延展性，暗灰色金属。在潮湿的空气中会失去光泽，但对氧和水稳定，溶于硝酸。用于蓄电池、电缆、颜料、玻璃、焊接剂、汽油和放射屏蔽等。 发现：远古文明已知。,碳族元素的几种单质,绚丽多彩的碳材料,碳是自然界分布最普遍的元素之一，也是构成地球上一切生命体最重要的元素。以碳元素为主要构成的有机高分子材料，包括塑料、橡胶和纤维等，已发展成为材料学三个主要学科方向之一。 碳除了自然界存在多种同素异形体的碳材料外，科学家们通过实验还合成了许许多多结构和性质完全不同的碳材料，如人们熟悉的金刚石和石墨，以及近年来发现C60为代表的富勒烯以及碳纳米粉体、管材、线材等。这些新型碳材料的特性几乎可涵盖地球上所有物质的性质甚至相对立的两种性质，如从最硬到极软、全吸光全透光、绝缘体半导体高导体、绝热良导热、高铁磁体、高临界温度的超导体等。,一、石墨与金刚石 金刚石和石墨的化学成分都是碳(C)，但是它们的结构和性能却完全不同。金刚石是目前最硬的物质，而石墨却是最软的物质之一。大家都知道铅笔芯就是用石墨粉和粘土配制而成的，石墨粉含量多笔芯就软，用“B“表示，粘土掺多了则硬，用“H”表示。矿物学家用摩氏硬度来表示相对硬度，金刚石为10，而石墨的摩氏硬度只有1。它们的硬度差别之所以这么大，关键在于它们的内部结构存在很大差异。,绚丽多彩的碳材料,石墨原子结构图,石墨内部的碳原子呈层状排列，一个碳原子周围只有3个碳原子与其相连，碳与碳组成了六边形的环状，无限多的六边形组成了一层。层与层之间联系力非常弱，而层内三个碳原子联系很牢，因此受力后层间就很容易滑动，这就是石墨很软能写字的原因。石墨可用于制造电极、润滑剂、铅笔芯、原子反应堆中的中子减速剂等，也可以用作坩埚以及合成金刚石的原料。,绚丽多彩的碳材料-石墨,天然金刚石是一种珍稀矿物，是宝石之王，因为它是世界上最硬的天然材料。精心琢磨后的金刚石透明有光泽，能呈现出极艳丽的色彩，成为世界上最昂贵的珍宝，也是历代统治者权势和财富的象征。在英国，有一根象征皇权的英王权杖，杖上就镶有一颗称为“非洲之星”的世界最大的钻石；而在国王的王冠上，则镶嵌着象征至高无上皇位的世界第二大钻石。这两颗钻石既是英国曾经辉煌于世界的见证，也是工匠们勤劳和智慧的结晶。有趣的是，既然金刚石是由碳元素组成，而碳在自然界是如此的丰富和廉价，为什么不点石成金？长期以来，人工合成金刚石一直是人类的梦想。自从1954年美国GE公司研制成功了世界上第一颗人造金刚石以来，人造金刚石及其工业制品已经发展成一个应用领域十分广泛的行业。,绚丽多彩的碳材料,金刚石内部的碳原子呈“骨架”状三维空间排列，一个碳原子周围有4个碳原子相连，因此在三维空间形成了一个骨架状，这种结构在各个方向联系力均匀，联结力很强，因此金刚石具有高硬度的特性。,绚丽多彩的碳材料金刚石,目前，世界工业用金刚石产量约15亿克拉，其应用几乎涉及国计民生的各个领域。比如，金刚石在光学玻璃冷加工、地质钻探、陶瓷、汽车零件等机械加工、金属拉丝等方面引起了革命性的工艺改革，使加工效率、加工精度几十倍甚至上百倍的提高。,二、碳纤维 碳纤维是一种主要由碳元素组成的特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各项异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，有很高的比强度。碳纤维是由含碳量较高、在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。,绚丽多彩的碳材料-碳纤维,碳纤维复合材料在高温条件下以及对材料强度、刚度、重量、疲劳度等有苛刻要求的应用领域具有很强的优势。 由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。同样，飞机重量的减轻也可以减少油耗，提高航速。 据报道，美国航天飞机上3级火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。 此外，还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。,绚丽多彩的碳材料-碳纤维,三、富勒烯C60 1985年，美国化学家史莫利与英国化学家科尔托利用激光照射石墨，使其蒸发而成碳灰。质谱分析发现，这些碳灰中含有两种不明物质，其分子量分别为碳的60倍与70倍，故将它们分别命名为 C60与C70。C60中20个正六边形和12个正五边形构成圆球形结构，共有60个顶点，分别由60个碳原子所占有，经证实它们属于碳的第三种同素异形体，命名为富勒烯(Fullerene）。,绚丽多彩的碳材料-C60,C60结构示意图,C60晶胞,内藏一个金属原子锂(Li)的C60,C60与碱金属形成的系列化合物就成为超导体，如K3C60。这种超导体具有很高的超导临界温度。与氧化物超导体比较，C60系列超导体具有完美的三维超导性，电流密度大，稳定性高，易于展成线材等优点，是一类极具价值的新型超导材料。 与超导性一样，铁磁性是物质世界的另一种奇特性质。C60和有机分子作用可形成不含金属的软铁磁性材料，以廉价的碳材料制成磁铁替代价格昂贵的金属磁铁具有非常重要的意义。 C60分子具有良好的光学性能。由于它具有较大的非线性光学系数和高稳定性等特点，C60作为新型非线性光学材料具有重要的研究价值，有望在光计算、光记忆、光信号处理及控制等方面有所应用。,绚丽多彩的碳材料-C60,就结构而言，碳纳米管可以看作是普通石墨的一个奇异变种。碳纳米管的结构相当于把石墨的平面组织卷成管状，于是黑色的丑小鸭马上就化做美丽的白天鹅，石墨管摇身一变成为纳米科技的新宠。纯碳纳米管每克售价1000元，价格为黄金的10倍。在科学家的手中，碳纳米管就像是魔术棒，不断变换出各种新花样。 碳纳米管是目前人类制成的最细的管子，其粗细不超过头发的万分之一。,绚丽多彩的碳材料-碳纳米管,科学家发现，碳纳米管具有强度高、韧性好、重量轻、性能稳定、柔软灵活、导热性好、表面积大等诸多优点。 如果沿碳纳米管边沿的六边形是沿着长轴方向平行排列的，那么碳纳米管就具有金属特性，能够导电。但是，如果管壁的六边形呈螺旋状排列，那么该碳纳米管就具有半导体的性质。 在材料科学领域，碳纳米管的长度是其直径的几千倍，被称为“超级纤维”。它的强度比钢高100倍，但密度只有钢的六分之一。它们非常微小，5万个并排起来才有人的一根头发那么宽。利用碳纳米管可以制成高强度碳纤维材料。碳纳米管还被认为是新一代平面显示材料，从而制成更薄的电视机。在能源领域，碳纳米管可以在较低的气压下存储大量的氢，因此有望利用碳纳米管超强的储氢能力制成安全、清洁的新型电池。,绚丽多彩的碳材料-碳纳米管,1、下列各级物质中既不是同素异形体，又不是同位素的是（ ） A 金刚石和石墨； B 37Cl和35Cl； C H2和D2； D O2和O3。 2、下列关于碳族元素性质的叙述正确的是（ ） 随原子序数的增加单质的熔点逐渐升高；单质中硅的熔点最高；单质均为无色晶体；是由非金属向金属过渡的典型族；碳族元素的价电子是4个，介于易失电与易得电子的元素之间，帮故一般不易形成离子化合物；碳族元素形成的化合物种类最多；它们均以+4价为稳定价态；从碳到铅，A族元素最高价氧化物对应水化物酸性逐渐增强。 A； B； C； D,巩固训练,C,B,3、阅读下列材料，回答下列问题：锡、铅两种元素的主要化合价是+2价和+4价，其中+2价锡元素的+4价铅元素的化合物均是不稳定的，+2价锡离子有强还原性，+4价铅元素的化合物有强氧化