碳族元素、硅、二氧化硅(竞赛课件)

硅硅酸盐工业金刚石晶体硅石墨碳族元素在元素周期表中的位置CSiGeSnPb碳硅硼符号CSiB原子序数6145相对原子质量12.0128.0910.81价电子层结构2s22p23s23p22s22p1主要氧化态＋Ⅳ＋Ⅱ0＋Ⅳ＋Ⅳ0＋Ⅳ＋Ⅲ0共价半径/pm7711788离子半径/pmM4＋1541M3＋20第一电离能/kJ·mol－11086.5786.6800.7电子亲和能/kJ·mol－1121.9133.626.73电负性(χp)2.51.82.0碳、硅、硼的一些基本性质一、碳族元素（在周期表中位置：第ⅣA族）CSiGeSnPb相似性递变性1、最外层都有4个电子，化合价主要有+4和+2，易形成共价化合物。2、气态氢化物的通式：RH43、最高价氧化物对应的水化物通式为H2RO3或R(OH)4原子结构单质物性单质化性核电荷数增大电子层增多原子半径增大熔沸点降低单质密度增大非金属性减弱、金属性增强最高价氧化物对应水化物的酸性减弱氢化物的稳定性减弱完成下表CSiGeSnPb原子半径非金属性金属性得电子能力失电子能力单质熔沸点主要化合价由小到大由强到弱由弱到强由强到弱由弱到强由高到低+2+41、原子结构二、碳族元素碳族元素在周期表中的位置原子结构示意图相同点最外层有4个电子，在化学反应中既不易得到电子，也不易失去电子，多数元素既表现金属性，又表现非金属性。递变性从碳到铅，随着核电荷数增多，电子层数递增，原子半径增大，核对最外层电子引力减弱，原子得电子能力减弱、失去电子能力增强，元素非金属性减弱、金属性增强，单质氧化性减弱、还原性增强。CSiGeSnPb2、元素单质的各种性质：碳硅锗锡铅颜色金：无色墨：灰黑灰黑色银灰色银白色蓝白色晶体类型原子晶体原子晶体金属晶体金属晶体金属晶体熔沸点高低较低更低密度总趋势：小大导电性金：不导墨：导电半导体导体导体导体主要价态都是+2、+4价稳定价态都是+4价+2价PbO2+4HCl(浓)=PbCl2+Cl2↑+2H2O思考题2、为什么单质熔点的变化是从高→低？1、为什么碳族元素容易形成共价化合物？碳和硅的单质的微粒间的作用力是共价键，原子晶体，其碳的键长比硅的键长短，共价键稳定，故碳的单质比硅的单质熔点高；而锗、锡、铅单质的微粒间为金属键，其键能依次减弱，故其熔点降低。碳族元素位于容易失去电子和容易得到电子的主族元素之间的中间位置，既不容易量失去电子，又不容易得到电子，所以容易形成共价化合物。碳及其化合物碳的三种物质形态C60金刚石石墨335pm金刚石石墨3、碳的第三种同素异形体：足球烯(1)发现：1985年，科学家用激光束照射石墨得灰色气体，用有机溶剂萃取得n﹤200的大量簇分子，含60个碳的分子比较多。(2)合成：将几十伏的电流电压加在两根碳棒上，当两根碳棒距离很小时，就会产生电弧放电导致短路，产生的碳烟中含有大量的C60,再用有机溶剂萃取碳烟。(3)结构：笼状分子，固态时是分子晶体，每个碳原子只跟相邻的三个碳原子形成共价键，60个碳原子构成球形，共32面体，包括12个五边形，20个六边形。(4)性质：C60可被F2和H2等加成产生C60F42、C60H36等共价化合物。C60掺杂K、Rb、Cs等产生有超导性的K3C60、Rb3C60。超导起始温度达到18K。北大和科学院合作制得Rb3C60，超导起始温度高达28K，领先于世界先进水平。(5)成果：最大的足球烯单晶的直径仅为6mm，浙江大学的科学家制取直径为1.3㎝的高品质单晶，走在世界前列。1996年的诺贝尔授予罗伯特、克罗特和斯莫利等三位科学家，表彰他们有关富勒烯的发现、制备和性质研究。<钠米碳管>(1)、发现：知道了C60的制备以后，人们的注意力全部集中在观察碳灰上，而日本科学家饭岛澄男却仔细观察了放电后在阳极上产生的沉淀物，是他意外发现了钠米碳管。(2)、什么是钠米碳管？石墨有层状结构，可以看作是由原子纸一层一层堆叠而成。若将一层或几层这样的原子纸卷成圆筒形状，就是钠米碳管。中科院解思深教授制得0.5nm碳管，麻省理工学院秦禄昌博士制得最小的钠米碳管0.4nm。碳纳米管碳、CO、CO2的化学性质碳：常温下很稳定，只在高温下能发生反应通常表现还原性(1)燃烧：C＋O2(充足)====CO22C＋O2(不足)====2CO点燃高温(2)与氧化物反应：C＋H2O(g)====CO＋H2(水煤气)C＋2CuO====2Cu＋CO23C＋2Fe2O3====3CO2＋4FeC＋CO2====2CO3C＋CaO====CaC2＋CO2C＋SiO2====2CO＋Si3C＋SiO2====2CO＋SiC高温△高温高温高温高温△(3)与氧化性酸反应：C＋2H2SO4(浓)==CO2↑＋2SO2↑＋2H2OC＋4HNO3(浓)==CO2↑＋4NO2↑＋2H2O△△CO：和N2、CN－、NO＋是等电子体，结构相似，分子中也有三重键即一个σ键和两个л键。但与N2分子不同的是：CO中一个л键是配位键，其电子来自氧原子。其结构式是COCO‥··︰︰︰︰这个л配键在一定程度上抵消了因碳和氧间电负性差所造成的极性，使C原子所带正电性减弱，比较容易向其它有空轨道的原子提供电子对，所以CO分子的键能(1072kJ/mol)较N2键能(945kJ/mol)大，但又比N2活泼。CO：无色无味的气体，有剧毒，不溶于水1、体现还原性

2CO＋O2===2CO23CO＋Fe2O3===2Fe＋3CO2CO＋H2O(g)===CO2＋H2CO＋CuO===Cu＋CO2△△高温点燃为消除汽车排出废气中的CO和碳氢化合物对空气的污染，可在汽车排气口装一催化转化装置：Al2O3纤维织物为载体，Pt或Pd的化合物为催化剂，此催化剂吸附O2，使CO转化为无毒的CO2常温下，CO还能还原一些化合物：

CO＋PdCl2＋H2O=CO2＋Pd↓＋2HCl

CO＋2Ag(NH3)2OH=(NH4)2CO3＋2Ag↓＋2NH3该反应可用来检测微量CO的存在。2、络合性CO是一种很好的配体，能与一些有空轨道的金属原子或低氧化态的金属离子形成羰基配合物，如：Fe(CO)5、Ni(CO)4、Cr(CO)6等FeCOCOCOCOOCOC工业气体分析中，常用亚铜盐(CuCl)的氨水溶液或盐酸溶液来吸收混合气中的CO，就是利用CO的络合性，使其生成CuCl·CO·2H2O。这种溶液经过处理又放出CO，可重新使用。[Cu(NH3)2]Ac＋CO＋NH3[Cu(NH3CO)2]Ac醋酸二氨合铜(Ⅰ)醋酸羰基三氨合铜(Ⅰ)3、与其它非金属反应：CO＋2H2===========CH3OH

CO＋3H2===========CH4＋H2OCO＋Cl2========COCl2(碳酰氯)Cr2O3·ZnO623~~673KFe，Ni或Co523K，101kPa活性碳CO2：无色、密度比空气大的气体，微溶于水，固体CO2俗名叫“干冰”化学性质弱氧化性：CO2＋C===2COCO2＋2Mg===C＋2MgO2Na＋2CO2====Na2CO3＋CO高温点燃高温酸性氧化物(酸酐)CO2＋H2OH2CO3H＋＋HCO3－CO2＋Ca(OH)2=CaCO3↓＋H2OCO2＋CaCO3＋H2O=Ca(HCO3)2CO2＋2NH3=(NH2)2CO＋H2O硅（Si）硅（Si）硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体只有化合态，无游离态；在地壳中含量居第二位物性：化性：1、灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体2、熔、沸点高、硬度大3、晶体硅是良好的半导体常温下，硅的化学性质不活泼，除氢氟酸、氟气、强碱外不跟其他物质如：氧气、氯气、硫酸等起反应，但在加热情况下，硅也能跟一些非金属反应。(1)与氟气反应：(2)与氢氟酸反应：(3)与强碱溶液反应：(4)与氯气反应：(5)与氧气反应：Si+2F2==SiF4Si+4HF==SiF4+2H2Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2Si+O2==SiO21、常温下：化学性质：不活泼2、加热时：与某些非金属反应Si+2Cl2==SiCl4Si+2H2===SiH4高温(6)与氢气反应：3、与金属作用固态Si不太活泼，难于与液体或气体试剂瓜。与此相反，液态Si极为活泼，与金属Zn、Cd、Fe可形成简单互溶合金，也可形成二无化合物——硅化物：Cu5Si、FeSi2、FeSi、Fe3Si2、Mo3Si、Mo5Si3、MoSi2等属于非整比化合物(组成式与元素的化合价无关)，这类硅化物的硬度大、熔点高、耐酸、在高温下抗氧化性好。主要用作耐炎材料和制耐酸合金4、与酸作用Si在含氧酸中被钝化，但有HF存在时反应3Si＋4HNO3＋18HF=3H2SiF6＋4NO↑＋8H2O△rGm＝－2133kJ·mol－1四、制备工业上：SiO2粗硅SiCl4Si+C+Cl2精馏+H2高温高温高温Si+2C====2CO+Si(含杂质的粗硅)Si+2Cl2====SiCl4生成的液态SiCl4经精馏、除硼、砷等，再用H2还原SiCl4+2H2====4HCl+Si(纯度高的多晶硅)高温高温高温在实验室里，将细砂粉(SiO2)与镁粉混合加热，也可得到粗硅，反应的化学方程式为这样得到的硅不纯净，往往含有过量的镁、氧化镁及硅化镁(Mg2Si)等，这些杂质可用盐酸除去，有关反应的化学方程式为SiO2+2Mg====2MgO+Si高温MgO+2HCl==MgCl2+H2OMg2Si+4HCl==2MgCl2+SiH4Mg+2HCl==MgCl2+H25、用途：高纯硅：半导体材料。合金：变压器铁芯（含硅4%的钢有导磁性）耐酸设备（含硅15%左右的钢有耐酸性）集成电路、晶体管、硅整流器等半导体材料，还可以制成太阳能电池、硅的合金可用来制造变压器铁芯等。晶体管硅橡胶集成电路硅的化合物硅烷现已知的硅烷有SinH2n＋2(n≤8)，由于硅自相结合成链的能力比碳差，所以生成氢化物的种类和数量要少得多。主要是：SiH4、Si2H6、Si3H8、Si4H10。硅的氢化物一般不用H2与Si直接化合，简单硅烷常用金属硅化物与酸反应或用强还原剂LiAlH4还原硅的卤化物Mg2Si＋4HCl=SiH4↑＋2MgCl22Si2Cl6(l)＋3LiAlH4(s)=2Si2H6(g)＋3LiCl(s)＋3AlCl3(s)硅烷性质比甲烷活泼1、还原性比甲烷强SiH4＋2O2===SiO2＋2H2O△rHm＝－1430kJ·mol－1自燃SiH4＋2KMnO4=2MnO2↓＋K2SiO3＋H2＋H2OSiH4＋8AgNO3＋H2O＝8Ag↓＋SiO2↓＋8HNO3此反应可用于检验SiH42、稳定性比甲烷差SiH4======Si＋2H2而CH4的脱氢分解反应的温度比其高出1000K2CH4======C2H2＋3H2713K1773K3、SiH4在碱的催化作用下，剧烈发生水解SiH4＋(n＋2)H2O===SiO2·nH2O↓＋4H2

但甲烷无此反应碱硅烷比相应烷烃活泼的可能因素说明：1、H的电负性(χ=2.1)介于C(χ=2.5)和Si(χ=1.8)之间，CH4中C—H键的共用电子对靠近C，而SiH4中Si—H键的共用电子对则靠近H，使H表现出负氧化态，故硅烷还原性比烷烃强。2、Si—Si键与Si—H键的键能均比C—C键与C—H键的小，故硅烷的稳定性较烷烃差3、Si的半径比C的大，而且价层还有可利用的3d空轨道，易受亲核试剂进攻，故硅烷比烷烃易水解硅的卤化物和氟硅酸盐一、卤化物硅易与所有卤素反应，形成挥发性的无色产物SiX4，其中特别重要的是SiCl4，可用于制备超纯硅(晶体管材料)，硅胶及各种硅酯。SiX4都是共价化合物，都是非极性分子。一些性质见下表性质SiF4SiCl4SiBr4SiI4室温下状态气液液固熔点/K183.0(升华)203.2278.6393.7沸点/K187.2330.8427.2560.7△fH/kJ·mol－1－1614.9－687.0－457.3－189.5Si—X键能/kJ·mol－1540360289214键长/pm157202216244从表中可知：随相对分子质量增加而升高SiX4与CX4不同，SiX4极易水解，SiCl4在潮湿的空气中中就因水解而产生白色烟雾，水解反应剧烈且不可逆：SiCl4＋4H2O=H4SiO4＋4HCl故SiCl4可做烟雾剂SiF4水解反应是可逆的：SiF4＋4H2OH4SiO4＋HF未水解的SiF4极易与水解产物HF作用，生成酸性比硫酸还强的氟硅酸H2SiF6SiF4＋2HF=2H＋＋SiF62－和碳(Ⅳ)化合物的情况不同，在硅(Ⅳ)化合物中，含有很长硅链的化合物不是氢化物，而是卤化物。具有较高n值的SinX2n＋2同系物，是有挥发性的液体或固体。现已知道，聚氟代硅烷已能得到14个原子硅链的Si14F30，其它卤代硅烷也已至少能制出Si6Cl14及Si4Br10。对这一现象的解释：一般认为是卤化硅中存在着d—pЛ配键(由卤素原子充满电子的pЛ轨道与Si原子的3d空轨道形成)，使Si—X键得到加强。二、氟硅酸盐用纯碱溶液吸收SiF4气体，可得到白色的氟硅酸钠晶体3SiF4＋2Na2CO3＋2H2O=2Na2SiF6↓＋H4SiO4＋2CO2↑用途：①金属Li、Ca等的氟硅酸盐溶于水；Na、K、Ba的氟硅酸盐难溶于水；②除去生产磷肥时产生的有害废气SiF4，同时得到很有价值的副产物Na2SiF6，Na2SiF6可做农业杀虫剂、搪瓷乳白剂及木材防腐剂等。Na2SiF6有腐蚀性，灼热时将分解为NaF和SiF4SiF4与碱金属氟化物反应，也得到氟硅酸盐SiF4＋2KF=K2SiF6K2SiF6用于制造适用于太阳能电池的纯硅(99.97%)二氧化硅(SiO2)180º109º28´SiO二氧化硅的晶体结构示意图共价键SiO2晶体结构二氧化硅(共4个要点)1、物理性质：坚硬难熔的固体有晶体和无定形两大类。晶体二氧化硅叫石英、水晶，天然二氧化硅叫硅石、石英砂。2、化学性质：十分稳定(1)酸性氧化物：但是不溶于水，也不与水反应。(2)常温与氢氟酸、强碱反应4HF+SiO2==SiF4↑+2H2O2NaOH(浓)+SiO2==Na2SO3+H2O(所以，不能用磨口玻璃塞盛装碱性溶液，如NaOH、KOH、Na2CO3、NaSiO3等溶液。)(3)高温时：SiO2+CaO===CaSiO3高温Na2CO3+SiO2===Na2SiO3+CO2↑高温CaCO3+SiO2====CaSiO3+CO2↑高温干态下物质间的反应规律:高沸点物质（SiO2）制低沸点物质（CO2）SiO2+2C===Si+2CO↑高温Na+KCl===NaCl+K↑高温注意：SiO2＋Na2SO4====Na2SiO3＋SO3↑SiO2＋2KNO3====K2SiO3＋NO2↑＋NO↑＋O2↑高温1273K3、用途：光导纤维、光学仪器、电子仪器、工艺品（水晶、玛瑙）、石英玻璃、玻璃原料和建筑材料等。注意：硅肺病（矽肺病），长期吸入SiO2粉尘4、硅酸：SiO2是硅酸的酸酐，但其不溶于水，故不能与水直接反应得到硅酸，只能用可溶性硅酸盐与酸反应得到硅酸种类多，常以通式xSiO2·yH2O表示：名称分子式xy缩合反应正硅酸H4SiO412偏硅酸H2SiO311H4SiO4=H2SiO3＋H2O二偏硅酸H2Si2O5212H2SiO3=H2Si2O5＋H2O焦硅酸H6Si2O7232H4SiO4=H6Si2O7＋H2O三硅酸H8Si3O10343H4SiO4=H8Si3O10＋2H2O三聚偏硅酸(环状)H6Si3O9333H4SiO4=H6Si3O9＋3H2O硅酸的酸性很弱：K1=2.2×10－10，K2=2×10－12硅酸溶解度很小，用酸与可溶性硅酸盐(Na2SiO3)作用制取硅酸时，开始并没有白色沉淀生成：刚开始生成的单分子硅酸可溶于水，当这些单分子硅酸逐渐缩合为多硅酸时，生成了硅酸的胶体溶液——硅酸溶胶，当胶体溶液浓度足够大时，就得到一种白色胶冻状的、软而透明的半固体物质而析出。将硅酸凝胶充分洗涤以除去可溶性盐类，干燥脱去水分后，即成为多孔性稍透明的白色固体，称为硅胶，由于其内表面积很大，故其是很好的干燥剂、吸附剂及催化剂载体。

若将硅酸凝胶用粉红色CoCl2溶液浸泡为粉红色，加热干燥后得到一种蓝色硅胶(水合CoCl2·6H2O为粉红色，无水CoCl2为蓝色)，其再吸水后又为粉红色，故称“蓝色干胶”，当变色硅胶变为粉红色后，说明已失效，需重新烘干后再用硅酸盐1、硅酸钠SiO2＋2NaOH＝Na2SiO3＋H2OSiO2＋Na2CO3=====Na2SiO3＋CO2硅酸钠溶液呈碱性，水解产物为二硅酸盐或多硅酸盐Na2SiO3＋2H2ONaH3SiO4＋NaOHNaH3SiO4Na2H4Si2O7＋H2O或2Na2SiO3＋H2ONa2Si2O5＋2NaOH熔融(2)硅酸盐：①多数不溶于水(Na2SiO3易溶)②金属氧化物形式：Al2(Si2O5)(OH)4KAlSi3OxX=8K2O·Al2O3·6SiO2(3)水玻璃：无色粘稠的溶液，是一种矿物胶，做粘合剂、防腐剂Na2SiO3的水溶液2、天然硅酸盐：可看作是碱性氧化物和酸性氧化物组成的复杂化合物，常用通式：aMxOy·bSiO2·cH2O表示，下表中常见的硅酸盐组成：石棉CaMg3(SiO3)4CaO·3MgO·4SiO2沸石Na2(Al2Si3O10)·2H2ONa2O·Al2O3·3SiO2·2H2O云母KAl2(AlSi3O10)(OH)2K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O滑石Mg3(SiO4O10)(OH)23MgO·4SiO2·H2O高岭土Al2Si2O5(OH)4Al2O3·2SiO2·2H2O石榴石Ca3Al2(SiO4)33CaO·Al2O3·3SiO2长石KAlSi3O8K2O·Al2O3·6SiO2硅酸盐工业简介以含硅物质为原料，经加工制得硅酸盐产品的工业称为硅酸盐工业。如制造水泥、玻璃、陶瓷等产品的工业都属硅酸盐工业。硅酸盐工业的特点：(1)原料：含硅的物质、碳酸盐等。(2)反应条件：高温。(3)反应原理：复杂的物理、化学变化。(4)生成物：硅酸盐。一、水泥：1、主要原料：粘土和石灰石2、主要设备：水泥回转窑3、生产过程：生料研磨，高温煅烧得熟料，再加石膏研成粉末得普通硅酸盐水泥

辅助原料：石膏—作用是调节水泥硬化速度4、反应原理：复杂的物理、化学变化5、主要成分：硅酸三钙(3CaO•SiO2)、

硅酸二钙(2CaO•SiO2)、铝酸三钙(3CaO•Al2O3)等6、主要性能：水硬性7、主要用途：建筑、修路。

如：水泥砂浆、混凝土、钢筋混凝土水泥回转窑2自动化水泥的标号二、玻璃1、原

料：纯碱、石灰石和石英