碳族元素刘又年主编教材配套课件

第十八章碳族元素 本章学习要求1 掌握碳单质的同素异形体和碳的重要化合物 特别是碳酸盐的性质 2 熟悉硅及其化合物 特别是硅酸盐的性质 3 了解锡 铅的重要化合物 氧化物 氢氧化物和硫化物及其性质以及Sn 的还原性和Pb 的难溶盐和Pb 的氧化性 18 1碳族元素概述18 2碳族元素的单质18 3碳的化合物18 4硅的化合物18 5锡 铅的化合物 18 1碳族元素概述 碳族 IVA 碳 carbon C 硅 silicon Si 锗 germanium Ge 锡 tin Sn 铅 lead Pb 18 1碳族元素概述 价电子构型 ns2np2 18 1碳族元素概述 存在形式 碳 金刚石 石墨 煤 石油 天然气 碳酸盐 CO2 生物体内等硅 SiO2和各种硅酸盐锗 硫银锗矿4Ag2S GeS2硫铅锗矿2PbS GeS2锡 锡石SnO2铅 方铅矿PbS 白铅矿PbCO3 金刚石 18 1碳族元素概述 18 2碳族元素单质 18 2碳族元素单质18 2 1碳 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 过渡型晶体 富勒烯 原子排列为球体或椭球体 C60 C70等 分子晶体 碳纳米管 由类似石墨的六边形网格所组成的管状物 管子一般由单层或多层组成 两端封闭 无定形碳 无定形碳实际是石墨的微晶体 18 2碳族元素单质 石墨 sp2杂化 金刚石 sp3杂化 18 2碳族元素单质 足球烯 富勒烯 C60 sp2杂化 18 2碳族元素单质 碳纳米管 18 2碳族元素单质 18 2 2硅和锗 硅有晶态 银灰色 和无定形 黑色粉末 两种 无定形硅 晶态硅 晶态硅类似金刚石 采用区域熔炼法制备超纯单晶硅 硅不与任何酸作用 但能溶于HF和HNO3的混合液中 强碱能与硅作用生成硅酸盐 Si 2KOH H2O K2SiO3 2H2 g 锗单质 灰白色金属 硬而脆 结构类似金刚石 锗 超高纯锗也通过区域熔炼法制备 18 2碳族元素单质 18 2碳族元素单质 锡单质的三种同素异形体 18 2 3锡和铅 灰锡 锡 白锡 锡 脆锡在空气中 锡在表面生成一层致密的保护膜有一定的抗腐蚀性 锡无毒 铅单质 质软 能阻挡X射线 铅盐的毒性大 金属锡 金属铅 18 3碳的化合物 18 3碳的化合物18 3 1一氧化碳 结构CO与N2是等电子体 结构相似 CO 一个 键两个 键 18 3碳的化合物 性质 作为配体 形成羰基配合物 C为配位原子 Fe CO 5Ni CO 4Co2 CO 8 还原剂 剧毒 18 3碳的化合物 18 3 2二氧化碳 结构Csp杂化直线型分子 CO2的温室效应 CO2分子中除了 键外 尚存在2个三中心四电子大 键 CO2的偶极矩为零 18 3碳的化合物 18 3 3碳酸及其盐 CO2溶于水 主要为CO2 H2O 极少为H2CO3在298K时 c CO2 c H2CO3 600 l 18 3碳的化合物 碳酸盐的溶解度 易溶盐Na2CO3NaHCO3K2CO3KHCO3100 溶解度451615660 g 100gH2O 存在氢键 形成二聚物或多聚物 其它金属 含Li 碳酸盐难溶于水 且酸式盐溶解度大于正盐 18 3碳的化合物 碳酸及其盐的热稳定性 H2CO3 MHCO3 M2CO3 同一族金属的碳酸盐热稳定性从上到下增加BeCO3MgCO3CaCO3SrCO3BaCO3分解T 10054090012901360 由H 的反极化作用说明碳酸盐比酸式碳酸氢盐稳定 18 3碳的化合物 过渡金属碳酸盐稳定性差CaCO3PbCO3ZnCO3FeCO3分解T 900315350282 金属离子与可溶性碳酸盐反应的产物类型 18 3碳的化合物 金属离子与CO32 反应所得沉淀类型 氢氧化物碱性较强的金属离子 碳酸盐 如Ba2 Sr2 Ca2 和Ag 等 氢氧化物碱性较弱的金属离子 碱式碳酸盐 碳酸羟盐 如Pb2 Bi3 Cu2 Cd2 Zn2 Hg2 Co2 Ni2 Mg2 18 3碳的化合物 水解性强 两性的金属离子 氢氧化物 如Al3 Fe3 Cr3 Sn2 Sn4 和Sb3 等 18 3碳的化合物 18 3 4碳化物 碳化物可分为离子型 原子型和金属型 离子型碳化物 离子型碳化物是由周期表中 A B族的金属与碳形成 离子型碳化物固态时不导电 两种类型 a含C22 如CaC2电石 b含C4 如Al4C3易被水分解 生成乙炔或甲烷 CaC2 2H2O Ca OH 2 s C2H2 g 乙炔 18 3碳的化合物 原子型碳化物 碳与电负性相接近的元素化合 或与某些过渡金属化合时 形成原子型碳化物 如SiC B4C等 原子晶体 硬度大 熔点高 耐腐蚀 SiC 4KOH 2O2 K2SiO3 K2CO3 2H2OSiC 2Na2CO3 Na2SiO3 Na2O 2CO g C 在空气中能被熔融的碱或碳酸钠所分解 碳化硅的工业产品为金刚砂 磨料和制造砂轮 金刚砂 18 3碳的化合物 金属型碳化物 金属型碳化物是由碳与过渡金属中半径较大的金属所形成 有金属光泽 能传热导电 熔点高 硬度大 但脆性也较大 这些性质和原有的金属十分相似 因此也叫金属化合物 WC用于制造高速切削工具 TiC用于耐高温涂层 碳化钨锯片 18 4硅的化合物 18 4硅的化合物 18 4 1二氧化硅 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 紫水晶烟水晶墨晶玛瑙 烟水晶 燧石 水晶 18 4硅的化合物 紫晶 玛瑙 石英盐 墨晶 18 4硅的化合物 在结晶的SiO2中 根据排列形式的不同 可有石英 鳞石英 方石英等不同变体 18 4硅的化合物 性质 与碱作用 与HF作用 偏硅酸钠 18 4硅的化合物 18 4 2硅酸及其盐 正硅酸H4SiO4SiO2 2H2Ox 1y 2偏硅酸H2SiO3SiO2 H2Ox 1y 1二硅酸H2Si2O72SiO2 H2Ox 2y 1三硅酸H4Si3O83SiO2 2H2Ox 3y 2当x y 1时 称为多硅酸 硅酸 xSiO2 yH2O 偏硅酸是一种极弱的二元酸 18 4硅的化合物 硅酸的制备 浸透CoCl2的硅胶为变色硅胶 无水时为蓝色 吸饱水为粉红色 当用稀Na2SiO3溶液与酸作用 所得硅胶烘干脱水后成无定形SiO2 称 白炭黑 广泛用在造纸 橡胶工业作为填料 硅胶用作干燥剂 可重复使用 硅胶干燥剂 18 4硅的化合物 硅酸盐结构硅酸盐结构复杂 一般写成氧化物形式 其基本结构单元为硅氧四面体 a SiO44 b Si2O76 c Si3O96 工业上把水玻璃中SiO2和Na2O的摩尔比称作水玻璃的 模数 18 4硅的化合物 高岭土Al2O3 2SiO2 2H2O烧制瓷器的黏土白云母K2O 3Al2O3 6SiO2电绝缘材料石棉CaO 3MgO 4SiO2正长石K2O Al2O3 6SiO2泡沸石Na2O Al2O3 2SiO2 nH2O 水中花园 18 4硅的化合物 分子筛 分子筛是一类含有结晶水的重要硅酸盐晶体 分子筛的组成通式为 M2 nO Al2O3 xSiO2 yH2O式中的M代表K Na Ca2 等金属离子 n是该金属的氧化数 x成为硅铝比 它是分子筛的一项重要性能指标 y代表结晶水的分子数 在分子筛中 有两种结构基元 一种是硅氧四面体SiO4 另一种是和它相似的铝氧四面体AlO4 分子筛具有催化性能 还可做吸附剂 离子交换剂和催化剂载体 18 4硅的化合物 18 4 3硅的卤化物 SiF4 g SiCl4 l SiBr4 l SiI4 s 制备 SiO2 4HF SiF4 g 2H2O2CaF2 SiO2 2H2SO4 2CaSO3 SiF4 g 2H2OSiO2 2C 2Cl2 SiCl4 2CO 水解 氟硅酸H2SiF6是一种强酸 其强度与硫酸相仿 且仅存在于溶液中 用纯碱溶液吸收SiF4气体时 可生成Na2SiF6 3SiF4 2Na2CO3 2H2O 2Na2SiF6 H4SiO4 2CO2 g 18 5锡 铅的化合物 18 5 1锡 铅氧化物的酸碱性 18 5锡 铅的化合物 氢氧化物的酸碱性 惰性电子对 导致 Sn 4氧化态稳定Pb 2氧化态稳定 SnO2白色 SnO黑绿色 PbO2棕黑色 PbO橙红色 碱性SnO PbO酸性SnO2 PbO2 SnO2不溶于水 难溶于酸或碱与NaOH或Na2CO3和S共熔 可转变为可溶性盐 SnO2 2KOH K2SnO3 H2OSnO2 2NaOH 4S Na2SnO3 Ns2SO4 2CO2 18 5锡 铅的化合物 18 5锡 铅的化合物 锡 铅的氢氧化物的酸碱性规律如下 a同一元素高氧化值氢氧化物比低氧化值氢氧化物的酸性强 b同氧化值的不同元素 遵循同一主族由上到下碱性增强的规律 18 5锡 铅的化合物 18 5 2锡 铅化合物的氧化还原性 Sn II 的还原性 EA V Sn4 0 154VSn2 0 136VSnEB V Sn OH 6 2 0 93V Sn OH 4 2 0 91VSnSn 具有强还原性 a酸性溶液中 Sn2 Hg2 的相互鉴定 18 5锡 铅的化合物 b碱性溶液中 鉴定Bi3 的反应 Pb IV 的氧化性 18 5锡 铅的化合物 18 5锡 铅的化合物 四氧化三铅 Pb3O4 铅丹 鲜红色可看作 三氧化二铅 Pb2O3 橙色可看作 PbO PbO2 铅丹 18 5锡 铅的化合物 18 5 3锡 铅的盐 锡 铅盐的溶解与水解 a溶解性少数可溶 Pb NO3 2 Pb Ac 2 味甜 俗称铅糖 弱电解质 铅的可溶性化合物都有毒 多数难溶 PbCl2 PbI2 PbSO4 PbCO3 PbCrO4等 18 5锡 铅的化合物 PbCl2溶于热水和浓HCl生成PbCl42 PbCl2 2HCl H2PbCl4PbI2溶于KI PbI2 2KI K2PbI4PbSO4溶于浓H2SO4 PbSO4 H2SO4 Pb HSO4 2PbCrO4 黄色 溶于HNO3 2PbCrO4 2H 2Pb2 Cr2O72 H2O亦溶于碱 不同于黄色的BaCrO4 Pb2 的鉴定PbCrO4 2OH 2Pb OH 3 CrO42 18 5锡 铅的化合物 铅盐溶解性小结 18 5锡 铅的化合物 b水解 铅白 18 5锡 铅的化合物 锡 铅的硫化物 SnS 棕 SnS2 金黄色晶体 金粉涂料 PbS 黑 PbS2 1 均不溶于稀盐酸 2 配位溶解 浓HCl 3 碱溶 SnS和PbS不溶于碱 SnS2和SnS在碱金属硫化物溶液中溶解性的不同鉴别Sn4 和Sn2 18 5锡 铅的化合物 氧化碱溶 SnS2 PbS不溶 碱性的SnS 棕色 可溶于多硫化铵 NH4 2Sx 因为多硫离子Sx2 有氧化性 硫代锡酸根 SnS32 不稳定 遇酸分解 5 PbS与HNO3作用 SnS s Sx2 SnS32 本章小结本章介绍了碳族元素单质的种类 结构和有关特性 包括碳的同素异形体种类和结构 硅和锗的半导体特性和锡 铅的低熔点金属特性 介绍了碳的常见化合物 包括氧化物 碳化物的种类和性质 碳酸及各类碳酸盐的酸碱性和热稳定性规律 硅的常见化合物 包括二氧化硅酸及硅酸盐的结构和主要特性 锡和铅的常见化合物 包括二价和四价氧化物 水合物以及对应盐的酸碱性规律 氧化还原性规律和溶解性 Thischapterisconcernedwiththespecies structureandrelativecharacteristicsofIVAgroupelements includingthevarietyandstructureofcarbonallotropes semiconductorpropertiesofseleniumandgermanium low melting pointbehaviorsoftinandlead Commoncompoundsofcarbonareintroduced Varietyandpropertiesofoxides carbidesofcarbon acid basenatureofcarbonicacid thermostabilityofcarbonates Commoncompoundsofsilicon suchassilicaandsilicates andtheirspecialstructureandcharacteristics Commoncompoundsoftinandlead especiallythoseofbivalentandquadrivalentoxides hydratesandcorrespondingacid basenature redoxpropertiesandsolubility 新型碳 硅 锡材料 1 碳化硅陶瓷材料陶瓷材料具有耐高温 耐腐蚀 耐磨损等突出优点 但其缺点同样突出 就是脆性 碳化硅 SiC 陶瓷或用碳化硅制造的陶瓷材料 保留了普通陶瓷的优点 并具有韧性 根据其制造技术和结构的不同 碳化硅可分为多孔SiC 颗粒SiCp 晶须SiCw和晶片SiCpl 多孔陶瓷是指一种经高温烧成 体内具有大量彼此相通或闭合气孔的陶瓷材料 利用多孔陶瓷的均匀透过性 可以制造各种过滤器 分离装置 流体分布元件 混合元件 渗出元件和节流元件等 利用多孔陶瓷发达的比表面积 可以制成各种多孔电极 催化剂载体 热交换器 气体传感器等 利用多孔陶瓷吸收能量的性能 可以用作各种吸音材料 减震材料等 利用多孔陶瓷的密度 低的热传导性能 还可以制成各种保温材料 轻质结构料等 加之其耐高温 抗腐蚀 因而引起了全球材料学界的高度重视 并得到了较快的发展 2 氮化硅陶瓷材料氮化硅陶瓷用一般的反应烧结或常压烧结的方法就可制备 工业上用高纯硅与纯氮在1300 反应烧结制造Si3N4 氮化硅 Si3N4 在陶瓷材料中有 全能冠军 之称 它既是优良的高温结构材料 又是新型的功能材料 它可在1200 的工作温度下长期工作 可用于制作高温轴承 无冷式陶瓷汽车发动机 燃气轮机燃烧室等