《近代化学导论》第13章-3碳和硅

教学要求：第13章-3

碳和硅1.熟悉碳和硅单质的结构和性质；2.熟悉Si与B的相似性(对角线关系)；3.掌握碳和硅的氧化物结构和性质；4.掌握碳和硅的含氧酸及盐的结构、性质；5.了解碳和硅的卤化物。教学内容：第13章-3

碳和硅一、碳单质和它们的结构二、碳的成键特征三、碳的氧化物和含氧酸及其盐四、碳的其他化合物五、单质硅六、硅的成键特征七、硅的氧化物和含氧酸及其盐八、硅的其他化合物一、碳单质的结构与性质金刚石、石墨、碳原子簇金刚石原子晶体，sp3杂化，正四面体网络结构，稳定，极硬（硬度10），高熔点，不导电，C-C键长154pm，宜做钻石，钻头，磨具。一、碳单质的结构与性质石墨，sp2杂化，六方形环状、片层结构，芳香化合物，C-C键长142pm，有复键，介于原子形晶体和分子形晶体之间的一种晶体结构；硬度1，质软润滑，导电。一、碳单质的结构与性质建筑学家Fuller的拱形建筑C60由12个正五边形和20个正六边形组成的32面体，近似球形，近似sp2杂化，未参加杂化的p轨道在球面形成大共轭π键，具有芳香性，称为富勒烯是因有双键，但不是化合物，是单质，分子结构的一种新概念。一、碳单质的结构与性质碳纳米管没有闭合成球形、沿着一维方向以管状伸展的碳纳米管，也属于富勒烯大家族。一、碳单质的结构与性质1985年9月初，在美国得克萨斯州赖斯大学，美国化学家柯尔与物理化学家斯莫利、英国化学家克罗托在进行石墨的激光气化实验中，从所得的质谱图中发现了碳元素的第三种同素异形体──C60分子，为此他们共同获得了1996年诺贝尔化学奖。柯尔（美国）斯莫利（美国）克罗托（英国）一、碳单质的结构与性质碳单质的还原性——最重要的化学性质C+CO2→2COC+ZnO

→Zn+CO冶金工业常用焦炭为还原剂，还原金属氧化物矿物以冶炼金属。3FeS2+12C+8O2→Fe3O4+12CO+6S

2Ca3(PO4)2+10C+6SiO2→6CaSiO3+10CO+P4

2C+SnO2→Sn+2CO3C+Sb2O3→2Sb+3CO二、碳的成键特征三、碳的氧化物和含氧酸及其盐1.二氧化碳、碳酸和碳酸盐★自学教材《近代化学导论》下册648～650页（1）二氧化碳、碳酸根和碳酸氢根的结构：Π46Π34三、碳的氧化物和含氧酸及其盐①碱金属碳酸盐(Li除外)及碳酸铵易溶于水，其他金属碳酸盐难溶于水；②难溶的碳酸盐如CaCO3，其碳酸氢盐如Ca(HCO3)2溶解度较大；易溶的碳酸盐如Na2CO3，其碳酸氢盐的NaHCO3溶解度较小；③可溶的碳酸盐水解显碱性：CO3+H2O→HCO3+OH2-¯¯1.二氧化碳、碳酸和碳酸盐★自学教材《近代化学导论》下册649～651页（2）碳酸盐和碳酸氢盐的溶解性和水解性：三、碳的氧化物和含氧酸及其盐1.二氧化碳、碳酸和碳酸盐★自学教材《近代化学导论》下册649～651页（2）碳酸盐和碳酸氢盐的溶解性和水解性：④氢氧化物碱性强的金属离子沉淀为碳酸盐(如Ca2+、Sr2+、Ba2+)；氢氧化物碱性较弱的金属离子沉淀为碱式碳酸盐和放出CO2(如Mg2+、Cu2+)；

两性金属离子沉淀为氢氧化物和放出CO2(如Al3+、Fe3+、Cr3+)。Ba2+

+CO3→BaCO3↓2Cu2+

+CO3→Cu2(OH)2CO3↓+CO2↑2Fe3+

+CO3→2Fe(OH)3↓+3CO2↑2三、碳的氧化物和含氧酸及其盐碳酸盐不稳定，高温下易分解：碱金属碳酸盐＞碱土金属碳酸盐＞副族元素的碳酸盐(Li除外)MCO3(s)

MO(s)

+CO2(g)△碳酸盐＞碳酸氢盐＞碳酸1.二氧化碳、碳酸和碳酸盐★自学教材《近代化学导论》下册649～650页（3）碳酸盐和碳酸氢盐的热不稳定性：三、碳的氧化物和含氧酸及其盐1.二氧化碳、碳酸和碳酸盐★自学教材《近代化学导论》下册649～650页（3）碳酸盐和碳酸氢盐的热不稳定性：●Be2+、Mg2+、Ca2+、Sr2+和Ba2+随离子半径增大，离子极化能力减弱，则碳酸盐的热稳定性增强。碳酸盐Li2CO3Na2CO3NaHCO3BeCO3分解温度/℃70085127025碳酸盐MgCO3CaCO3SrCO3BaCO3分解温度/℃54089712901360碳酸盐Ag2CO3FeCO3ZnCO3PbCO3分解温度/℃218282296300三、碳的氧化物和含氧酸及其盐1.二氧化碳、碳酸和碳酸盐★自学教材《近代化学导论》下册649～650页（3）碳酸盐和碳酸氢盐的热不稳定性：●H+没有外层电子，半径最小，具有很强的极化能力，因此碳酸氢钠的热稳定性比碳酸钠差得多。●Na+和Mg2+，或Li+和Be2+离子的极化能力随离子电荷增加和半径减小而增强，则碳酸盐的热稳定性减弱。●Ag+、Zn2+、Cd2+、Fe2+和Pb2+等离子属于18、9～17或18+2电子构型，极化能力较强，变形性也较大，因此它们的碳酸盐热稳定性较差。三、碳的氧化物和含氧酸及其盐2.一氧化碳★自学教材《近代化学导论》下册652～654页（1）一氧化碳的还原性：Fe2O3+3CO→2Fe

+3CO2PdCl2+CO+H2O→Pd↓

+2HCl+CO2CO的鉴定反应在常温下，CO能使一些化合物中的金属离子还原。例如：CO能使二氯化钯溶液变黑，反应十分灵敏，可用于检测微量CO的存在：三、碳的氧化物和含氧酸及其盐2.一氧化碳★自学教材《近代化学导论》下册652～654页（2）一氧化碳与过渡金属生成羰基配合物的价键特征反馈键四、碳的其他化合物碳的卤化物：

CCl4，CF2Cl2

（氟利昂）★自学教材《近代化学导论》下册654～656页，一般了解碳的硫化物：

CS2

（结构和简单物理性质）碳的氰化物：

CN－（结构、毒性、配合物）碳的硫氰化物：

SCN－（结构、配合物）四、碳的其他化合物离子型碳化物：CaC2

碳化钙亦称电石，占据晶格结点的是Ca2+离子和(:C≡C:)2离子，其结构为：请参阅教材相关内容CaC2

+2H2O→HC≡CH↑+Ca(OH)2CaC2的晶体结构CaO(s)+3C(s)CaC2(s)+CO(g)2000℃碳化物：C与比它电负性小的元素形成的二元化合物，按组成结构可分为原子型(SiC)、离子型(CaC2)和金属型(MC或M2C)三大类碳化物。五、单质硅

Si

是亲氧元素，在自然界硅存在形式为石英砂SiO2和硅酸盐，没有单质硅存在；Si–O–

Si

键化合物构成了几乎整个矿物界。(C–

C链构成有机界)SiO2+2CSi+2CO1800℃SiCl4+2ZnSi+2ZnCl2单质硅的制备：电子信息产业的半导体材料五、单质硅

Si

在加热下能与卤素、氮、碳等非金属作用，也能与某些金属(Mg、Ca、Fe等)作用，不溶于酸，溶于碱溶液生成硅酸盐，不歧化，放出氢气：燃烧Si

+O2SiO2赤热Si

+2H2O

(g)SiO2+2H2Si

+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2六、硅的成键特征较强的共价性，与碳（2.5）相比，原子半径变大，电负性（1.8）降低，生成复键倾向减弱，在大多数化合物中硅原子sp3杂化生成4个单键。硅有3d轨道可用于成键，可形成配位数为6的配位化合物，如[SiF6]2–，sp3d2杂化，八面体结构。★自学教材《近代化学导论》下册657页七、硅的氧化物和含氧酸及其盐1.二氧化硅SiO2、硅酸、硅胶SiO2结构与CO2不同，CO2小分子，直线形，分子晶体；SiO2以硅氧四面体为基本结构单元，共价大分子，原子晶体。Si

原子sp3杂化，以4个单键分别连接着4个氧原子，每个氧原子为两个硅氧四面体共用，硅氧四面体单元通过共用氧原子在空间重复，组成无限空间网络结构，是所有硅氧化合物的结构基础。CO2分子晶体七、硅的氧化物和含氧酸及其盐1.二氧化硅SiO2、硅酸、硅胶SiO2是硅酸的酸酐，不溶于水，溶于碱，通过可溶性硅酸盐的酸化可得到硅酸；硅酸是比碳酸还弱的二元酸。SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2Na2SiO3+H2O+

2H+H4SiO4

+2Na+H4SiO4

Ka1=2.51×1010

Ka2=1.55×1012

H2CO3

Ka1=4.31×107

Ka2=5.61×1011

七、硅的氧化物和含氧酸及其盐1.二氧化硅SiO2、硅酸、硅胶硅酸钠硅氧四面体缩合成硅酸胶体加酸静置老化用热水洗去生成的盐脱水得多孔硅胶＞100℃300℃活化用CoCl2溶液浸泡、干燥得到变色硅胶，无水蓝色，含水红色，可反复使用。七、硅的氧化物和含氧酸及其盐2.硅酸盐硅酸盐和SiO2一样，以硅氧四面体为基本结构单元，通过共用氧原子，形成多种形式的硅酸盐：七、硅的氧化物和含氧酸及其盐2.硅酸盐硅酸盐和SiO2一样，以硅氧四面体为基本结构单元，通过共用氧原子，形成多种形式的硅酸盐：七、硅的氧化物和含氧酸及其盐2.硅酸盐七、硅的氧化物和含氧酸及其盐2.硅酸盐七、硅的氧化物和含氧酸及其盐Na2SiO3溶于水成黏稠的溶液，俗称水玻璃、泡花碱，建筑上用作黏合剂，可作填充剂、发泡剂和防腐剂等。硅酸钠水解呈强碱性：2.硅酸盐Na2SiO3+2H2OH2SiO3+2NaOH七、硅的氧化物和含氧酸及其盐2.硅酸盐难溶硅酸盐在硅酸钠溶液中形成水上硅花园。七、硅的氧化物和含氧酸及其盐

一类由SiO4和AlO4四面体结构单元组成的笼形三维立体结构，具有较大的比表面积，孔径均匀，可以有选择地吸附一定大小的分子，这种作用称为分子筛作用。天然硅酸盐和铝硅酸盐称为沸石分子筛。3.合成铝硅酸盐—分子筛

人工合成的A型分子筛原料：水玻璃、铝酸钠、氢氧化钠和水，其化学式一般为：Na2O·Al2O3·2SiO2·5H2O七、硅的氧化物和含氧酸及其盐3.合成铝硅酸盐—分子筛A型分子筛的硅铝比一般为1，由8个6元环和6个4元环构成的分子