碳族元素通性、单质及其化合物

1、碳族元素通性、单质及其化合物碳族元素通性、单质及其化合物15-1 碳族元素的通性15-2 碳族元素的单质及其化合物15-3 无机化合物的水解性8/5/20222元素符号CSiGeSnPb价电层结构2s22p23s23p24s24p25s25p26s26p2电负性2.251.902.01()1.96()1.80()2.33 ()1.87 ()主氧化数+4(+2)+4(+2)+4,+2+4,+2(+4)+2晶体类型原子晶体金属晶体15-1 碳族元素的通性8/5/20223 1.惰性电子对效应：C，Si +氧化态稳定，Pb是+氧化态稳定。 2.C-C,C-H,C-O键能很高,奠定了有机化合物众多的基

2、础。 3.Si-Si键能低，所以硅链不会太长，硅化合物比碳化合物少得多。 Si-O键能高，对应化合物多。 4.本族元素单质易形成同素异形体。特点：8/5/20224碳原子的成键特征成键形式价键结构化合物举例sp3杂化4个单键C正四面体金刚石、CH4CCI4、C2H6sp2杂化，2个单键，一个双键C平面三角形石墨、COCI2C2H4、C6H6sp杂化，1个单键，一个叁键C直线形C2H2、HCNsp杂化,一个叁键,1个孤电子对C直线形CO8/5/20225一、碳族元素在自然界的分布二、碳族元素的单质三、氧化物四、含氧酸及其盐五、氢化物六、卤化物和硫化物15-2 碳族元素的单质及其化合物8/5/20

3、226一、自然界的分布C 单质状态：主要是金刚石和石墨。 化合物：煤、石油、天然气、动植物、 石灰石、白云石、CO2等。Si 靠Si-O键联结成各种链状、层状和立体状结构，构成各种岩石及其风化产物-土壤和泥砂。Ge、Sn、Pb主以硫化物形式存在。8/5/20227锡石SnO2方铅矿 PbS 8/5/20228二、碳族元素的单质 金刚石、石墨、碳原子簇 金刚石 天然存在的最硬的单质（硬度：10） 所有单质中熔点最高（3823K） 金属：硬度最大为Cr(硬度：9） 熔点最高为W（368320K）8/5/20229 原子晶体，C：sp3等性杂化，所有价电子都参与了共价键的形成,晶体中没有自由电子，因

4、此不导电。室温下对所有化学试剂显惰性。 用途：钻石、装饰品，钻头，磨削工具。8/5/2022108/5/202211混合型晶体-原子晶体、分子晶体、金属晶体。石墨晶体8/5/202212C的同素异形体中，石墨最稳定。8/5/202213C60 (足球烯、富勒烯)简介 结构：60个碳原子构成近似于球形的32面体，即由12个正五边形和20个正六边形组成。每个碳原子以sp2杂化轨道与相邻三个碳原子相连。剩余的P轨道在C60的外围和腔内形成大键。其形状酷似足球，故称作足球烯。8/5/202214制备：用纯石墨做电极，在氦气氛中放电，电弧中产生的碳烟沉积在水冷反应器内壁，此碳烟中有C60、C70等碳原子

5、簇。 用途:超导体（嵌入碱金属）、有机软铁磁体、光学材料、功能高分子材料、生物活性材料等。8/5/202215碳纳米管8/5/202216无定形碳木炭活性炭 炭黑：油漆、颜料 焦炭 ：冶金还原剂吸附能力8/5/202217碳的还原反应 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）（金刚石）fGm/kJmol-1 /gcm-3fHm/kJmol-1 转化反应是吸热的体积减小的反应欲使反应正向进行，需采取的措施是？-高温、高压、催化剂。8/5/2

6、02220 溶剂说：石墨先溶解在溶剂（金属催化剂）中成为单个碳原子，然后在冷却时直接生成金刚石。 固相转化说：石墨的碳原子间的键不发生断裂，而是在催化剂的作用下，按一定方向位移直接转化为金刚石结构。转化机理8/5/2022214.硅、锗、锡、铅单质Si:原子晶体，类似于金刚石，灰黑色，硬、脆，能刻划玻璃。低温下稳定，只与强氧化剂和强碱作用，高温时可与许多物质反应。高纯硅可作半导体材料。 * Si+2OH- +H2O=SiO32-+2H2Ge：原子晶体，金刚石型晶体结构，比Si活泼，能溶于氧化性酸（浓H2SO4，浓HNO3）中得到Ge（），难溶于NaOH,也不与空气中的O2、H2O和非氧化性酸作

7、用。高纯锗也是较好的半导体材料。8/5/202222Sn：灰锡()白锡()脆锡() 白锡:有延展性金属,286K逐步转化为粉末状灰锡而自行毁坏(锡疫).马口铁为镀锡薄铁. Sn+2HCI(热、浓)=SnCI2+H2 3Sn+8HNO3(冷、稀)=3Sn(NO3)2+2NO+4H2O Sn+4HNO3(浓)=H2SnO3(SnO2H2O)+4NO2+H2O Sn+2OH-+2H2O= Sn(OH)42-+H28/5/202223 Pb: gcm-3),纯铅在空气中不稳 定Pb（OH）2或Pb2（OH）2CO3 化工厂或实验室可用铅做耐酸反应器的衬里和储存、输送酸液的管道设备（ PbCI2、PbS

8、O4等难溶）。不能输送饮用水(有毒)。可输送硬水难溶保护膜PbSO4，Pb2（OH）2CO3 。 Pb易溶于稀HNO3、浓硫酸Pb(HSO4)2和浓盐酸H2PbCI4。冷浓HNO3中钝化.8/5/202224GeSnPb8/5/202225三、氧化物1.CO和CO2制备发生炉煤气（C+空气CO+N2）水煤气 C+H2O CO+H28/5/202226结构：与N2是等电子体（14个电子）思考题：O和C的电负性差值较大（3.44-2.25=0.89），但COD），说明原因。348/5/202227CO的性质物性：无色、有毒气体，难溶于水，无味。化性： 可燃性 2CO+O2=2CO2 ，兰色火焰，放

9、出大量热。强还原性 FeO+CO=Fe+CO2 (冶金） * CO+PdCI2+H2O=CO2+2HCI+Pd（检验） * 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其它反应：CO+H2=CH3OH 思考题：1.在用炉火取暖时，为防止煤气中毒，在火炉上放一大盆水或等闻到煤气味就搬走火炉的做法是否可行？ 2.炭火炉烧得炽热时，泼少量水的瞬间炉火烧的更旺，为什么？ 8/5/202229CO2的性质 无色、无味（酸味）、不燃、不助燃，可灭火

10、，但不能灭Mg、AL、P等引起的火灾。 CO2+Mg=2MgO+C ; 4P+10CO2=P4O10+10CO 干冰-固体CO2（分子晶体），制冷剂。 用途：啤酒、饮料、纯碱、小苏打、铅白等。2(俗名：石英、海砂、水晶、碧玉、玛瑙等）原子晶体,Si:O=1:2,熔点高、硬度大、难溶水.8/5/2022308/5/202231硅氧四面体金刚石 二氧化硅 8/5/202232SiO2的化学性质高温下被Mg、AL、B还原 SiO2+2Mg(AL、B)Si+MgO(B2O3、AL2O3)除F2、HF外不与其它X2和酸作用 SiO2+4HF=SiF4+2H2OH2SiF6 （腐蚀玻璃）溶于热强碱液或熔融

11、Na2CO3 SiO2+2OH-=SiO32-+H2O SiO2+Na2CO3=Na2SiO3+CO2 光缆：高纯SiO2熔融体中拉出的直径约100m的细丝（光导纤维）光缆8/5/2022333.Sn、Pb的氧化物SnO：难溶于水的黑色固体，两性。 SnO+2HCI=SnCI2+H2O SnO+2NaOH=Na2SnO2+H2OSnO2：难溶水的白色固体,两性偏酸. SnO2+2NaOH(熔融)=Na2SnO3+H2O Pb的氧化物PbO(密陀僧):黄色、难溶于水,两性偏碱。溶HAc和HNO3Pb2+ Sn的氧化物8/5/202234PbO2:暗棕色,难溶于水,两性偏酸.强氧化性。 * PbO

12、2+4HCI（浓）=PbCI2+CI2+2H2O * 2PbO2+2H2SO4（浓）=2PbSO4+O2+2H2O * 5PbO2+2Mn2+4H+=2MnO4-+5Pb2+2H2O PbO2+2NaOH=Na2PbO3+H2O8/5/202235工业上PbO2主要用于制造铅蓄电池（正极）电极反应 负：PbSO4+2-=Pb+SO42- (=-0.356V） 正：PbO2+SO42- +4H+2-=PbSO4+2H2O (=1.69V） 总反应：8/5/202236Pb3O4 :(铅丹、红铅),红色粉末.* Pb3O4+4HNO3=2Pb(NO3)2+PbO2+2H2O做红色颜料,油漆船舶和桥

13、梁钢架.Pb3O4+8HCI=3PbCI2+CI2+4H2OPb3O4+4HI=2PbI2+PbO2+2H2OPb3O4+8HI=3PbI2+I2+4H2O8/5/202237四、含氧酸及其盐碳酸(H2CO3 ) 二元弱酸 K1=4.210-7（水中主要CO2H2O） K2=5.610-11 碳酸盐 水溶性 正盐：铵及碱金属（Li除外）盐易溶，余难溶。酸式盐：大多易溶8/5/202238 S(难溶正盐)S(相应酸式盐) S（CaCO3)S(相应酸式盐) S(Na2CO3)S(NaHCO3)易溶盐： 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-离子通过氢键形成双聚或多聚链状离子的结果。双聚（HCO3）22-多聚（HCO3）nn-8/5/202240*(2)热稳定性A 无水碳酸盐的稳定性同族内自上而下增加 BeCO3 MgCO3 CaCO3 SrCO3 BaCO3 373K 813K 1170K 1462K 1633KB 碳酸正盐碳酸氢盐碳酸C 碱金属碳酸盐碱土金属碳酸盐过渡金属碳酸盐 Na2CO3 CaCO3 CuCO3 难 1170K 473K8/5/202241*(3)水解性8/5/202242 氢氧化物沉淀：S氢氧化物S碳酸盐 AI3+、Fe3+、Cr3+、Sn2

15、+、Sn4+、Sb3+等(水解性强) 2Fe3+3CO32-+3H2O=2Fe(OH)3+3CO2 碱式碳酸盐：S氢氧化物 S碳酸盐Mg2+、Pb2+、Cu2+、Bi3+、Zn2+ 、Hg2+ 、Cd2+等 2Cu2+2CO32-+H2O=2Cu2(OH)2CO3+CO2 碳酸盐沉淀：S氢氧化物S碳酸盐Ca2+、Sr2+、Ba2+、Ni2+、Ag+、Mn2+等(难水解) 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 硅胶 稍透明的白色固态物质，内部有很多微小的空隙，内表面积很大，有很强的吸附性能，可做吸附剂 、干燥剂和催化剂载体。8/5/202245变色硅胶干燥剂用CoCI2溶液浸泡硅酸凝胶，然后干燥活化得到 CoCI2（无水） CoCI26H2O （可再生）兰色蓝紫紫红粉红8/5/202246硅酸盐a 碱金属硅酸盐易溶，余难溶。重金属硅酸盐有特征颜色。水中花园8/5/202247b SiO2 +不同比例的碱性氧化物共熔，可得到确定组成的硅酸盐 最简单：偏硅酸盐（N

17、a2SiO3）水玻璃 正硅酸盐（Na4SiO4） 普通玻璃：Na2CO3、CaCO3和SiO2共熔得到的硅酸钠和硅酸钙的混合物。 组成为 Na2CO3CaCO34SiO2。加不同金属氧化物可得不同颜色玻璃。8/5/202248结构SiO2和硅酸盐的基本结构单元均为SiO4四面体硅氧四面体无限长单链状结构的多硅酸根8/5/202249无限长双链兼环状结构的多硅酸根8/5/202250铝硅酸盐 硅氧四面体中，如有部分硅被铝取代，则网络骨架带负电，骨架空隙中必须存在中和电荷的阳离子。此矿物即铝硅酸盐。 钠长石：Na2OAI2O36SiO2 粘土: AI2O32SiO22H2O 钠沸石：Na2OAI2

18、O33SiO22H2OCaO铝酸盐硅酸盐8/5/202251 分子筛 沸石分子筛某些笼形的天然硅酸盐和铝硅酸盐可以选择地吸附一定大小的分子，起到筛分分子的作用。 合成分子筛A型组成：Na2OAI2O32SiO25H2O 见P7538/5/202252 SnSn2+2OH-=Sn(OH)2白，两性 Sn(OH)2+2H+= Sn2+2H2O Sn(OH)2+2OH-= Sn(OH)42-Sn4+4NH3H2O-H2SnO3白,两性偏酸-锡酸,无定形体,易溶于碱和浓盐酸 Sn(OH)4+2OH-= Sn(OH)62- Sn(OH)4+6HCI=H2SnCI6+4H2OSn+HNO3(浓)-H2Sn

19、O3 白色晶态,两性偏酸，难溶于酸碱。8/5/202253亚锡酸根离子 Sn（OH）42-为强还原剂 BSn(OH)62-/Sn（OH）42- Bi3+的鉴定反应* 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，两性偏碱。 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、两性，不稳定。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 白酸性增强酸 性 增 强碱 性 增 强碱性增强Ge、Sn、Pb氢氧化物的酸碱性8/5/202256五、氢化物C-H化合物，有机讨论Si-H化合物，通式SinH2n+2(n=16)甲硅烷：SiH4结构：XCXHXsi8/5/202257性质物性：无色、无臭气体化性：热稳定性 SiH4CH4易水解 3d轨道8/5/202258SiH4制法：GeH4:无色气体，不稳定。Sn、Pb氢化物极少见。8/5/202259* 六、卤化物C,SiMX4 ; Ge,S

21、n,PbMX2,MX44 无色液体，四面体型非极性分子，难溶于水，易溶于有机溶剂。 由于分子轨道全被电子填满，所以不活泼，常温下不与酸碱反应，不水解。用途：有机溶剂，灭火剂（如：电器火灾）。8/5/2022602.SiX4SiF4 SiO2+4HF=SiF4+2H2O无色带刺激性臭味的气体，易溶于水并水解。 3SiF4+4H2O=H4SiO4+2H2SiF6（酸性H2SO4)NaOH或NaCI(过) Na2SiF6 （农业杀虫灭菌剂，木料防腐剂）Na、K、Ba的氟硅酸盐难溶于水Li、Ca的氟硅酸盐能溶于水8/5/2022613SiF4+2Na2CO3+2H2O=2Na2SiF6+H4SiO4+

22、2CO2SiCI4: Si+2CI2=SiCI4 SiO2+2C+2CI2=SiCI4+2CO 无色液体，易挥发，有强烈的刺激性。潮湿空气中因水解产生白色烟雾。 SiCI4+4H2O=H4SiO4+4HCI思考题：产物中是否会产生H2SiCI6?为什么？8/5/2022623、Sn的卤化物SnCI2 2Fe3+Sn2+=2Fe2+Sn4+ * 2Sn2+O2+4H+=2Sn4+2H2O * 2HgCI2+SnCI2=SnCI4+Hg2CI2 * Hg2CI2+SnCI2= SnCI4+2Hg鉴定Sn2+ 和Hg2+*水解：SnCI2+H2O=Sn(OH)CI+HCI思考题实验室如何配制与保存S

23、nCI2溶液？8/5/202263SnCI4 无色液体,共价化合物,溶于有机溶剂。遇水强烈水解，在潮湿空气中发烟。 SnCI4+2H2O=SnO2+4HCI SnCI4+（x+2)H2O=SnO2xH2O+4HCI在盐酸中 SnCI4+2HCI=H2SnCI6* 2HgCI2+SnCI2+2HCI=H2SnCI6+Hg2CI2* Hg2CI2+SnCI2+2HCI=H2SnCI6+2Hg 思考题：HgCI2 过量和 SnCI2过量，最终产物是否相同？8/5/2022644.Pb的卤化物 PbCI2:白色,易溶于沸水和浓盐酸 PbCI2 +2HCI=H2PbCI4PbI2: 黄色丝状有亮光 易溶

24、于沸水和KI。 PbI2+2KI=K2PbI4PbCI4:低温存在PbO2+4HCI(PbCI4)PbCI2+CI2 8/5/202265七、Sn、Pb的硫化物 SnS SnS2 PbS 颜色 暗棕 黄色 黑色 酸碱性 弱碱 弱酸 弱碱Na2S ;(NH4)2S SnS32- Na2S2 ;(NH4)2S2 SnS32- SnS32-+2H+=H2S+SnS28/5/202266PbS+4HCI（浓）=H2S+H2PbCI43PbS+8H+2NO3=3Pb2+3S+2NO+4H2OPbS+4H2O2=PbSO4+4H2O8/5/202267八、铅的一些含氧酸盐易溶盐：Pb(NO3)2 , Pb

25、(Ac)2(铅糖，有毒）难溶盐： PbSO4（白），制白色油漆 PbSO4+H2SO4 (热、浓)=Pb(HSO4)2PbSO4+2NH4Ac(饱和)=Pb(Ac)2+(NH4)2SO4PbSO4+3NaOH(过量、热)=NaPb(OH)3+Na2SO48/5/202268PbCrO4 黄(铬黄颜料的主成分)Pb2+CrO42-=PbCrO4（中性或微酸性中形成） 鉴定Pb2+或CrO42-离子能溶于NaOH及强酸PbCrO4+3NaOH=NaPb(OH)3 +Na2CrO42PbCrO4+4HNO3=2Pb(NO3)2+H2Cr2O7+H2OS(MCrO4)0 常温反应不能自发。(2) rS

26、m=133.675 Jmol-1K-1 0 由rGm= rHm-T rSm知 T升高，rGm减小，所以升温对反应有利。（3）平衡时rGm=0，T= rHm/ rSm=982K8/5/20228713.配溶液：先将SnCI22H2O溶解在浓盐酸中，然后加水稀释到所需浓度。目的是抑制水解。 SnCI2+H2O=Sn(OH)CI+HCI保存溶液：加锡粒防止氧化 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(浓、热）=SnCI2+H2 Sn+2CI2(干燥)=SnCI4 SnCI2+2FeCI3=2FeCI2+SnCI4 SnCI4+2H2