第12章 碳族元素

12.2.1碳族元素概述12.2.2碳及其重要化合物12.2.3硅及其重要化合物12.2.4锡、铅及其重要化合物12.2.1碳族元素概述IVA:C、Si、Ge、Sn、Pb价电子层构型：ns2np2;主要氧化值：+2、+4;形成共价化合物由于惰性电子对效应明显，Ge、Sn的M（II）有较强还原性，易被氧化；Pb（IV）化合物有较强氧化性，易被还原为Pb（II）.

自然存在和丰度碳硅煤、石油、天然气白云石、石灰石动植物、CO2碳是自然界化合物种类最多的元素，达400多万种，它是有机物的骨架元素。丰度0.027%27.7%硅酸盐矿，石英矿。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。

硅是构成各种矿物的主要元素金刚石石墨金刚石石墨碳-60金刚石晶莹美丽，光彩夺目，是自然界最硬的矿石。在所有物质中，它的硬度最大。在所有单质中，它的熔点最高，达3823K。石墨很软，具有润滑性，导电导热，密度比金刚石小，熔点比金刚石仅低50K，为3773K。1996年10月7日，瑞典皇家科学院决定把1996年诺贝尔化学奖授予RobertFcurl.Jr(美国)、HaroldWKroto(英国)和RichardESmalley(美国)，以表彰他们发现C60。12.2.2碳及其重要化合物一、单质碳：三种同素异形体C-60（富勒烯）三种碳单质的分子结构图层状结构SP2杂化SP3杂化用途和性质金刚石俗称钻石，除用作装饰品外，主要用于制造钻探用的钻头和磨削工具，是重要的现代工业原料，价格十分昂贵。由于石墨能导电，具有化学惰性，耐高温，易于成型和机械加工，所以石墨被大量用来制作电极、高温热电偶、坩埚、电刷、润滑剂和铅笔芯。C60可做超级耐高温的润滑剂，被视为“分子滚珠”。把K、Cs、Tl等金属原子掺进C60分子的笼内，就能使其具有超导性能。可用于制成低耗能电机。再有C60H60这些相对分子质量很大的碳氢化合物热值极高，可做火箭的燃料。二、碳的重要化合物

结构：COCO(6+8=14e-)与N2（2×7=14e-）是等电子体,结构相似。

1、碳的氧化物

（1）一氧化碳(CO)：CO的性质a.作配位体，形成羰基配合物Fe(CO)5,Ni(CO)4,Co2(CO)8其中C是配位原子。

b.还原剂：c.剧毒：与血液中携带O2的血红蛋白结合成稳定的配合物，使其失去输送O2的能力。空气中只要有1/800体积比的CO就能使人在半小时内死亡。（2）二氧化碳(CO2)大气中的CO2仅占0.033%左右，它是控制气候的关键角色。CO2对地球温度的影响常被称作温室效应。温室效应地球从太阳辐射的100~5000nm波长范围的光吸收能量。它主要吸收400~700nm范围内的可见光。因为地球表面温度低，它所释放的热辐射是波长大于4000nm的红外辐射。这种IR辐射只能被水分子和二氧化碳所吸收。随着工业的发展和人口的增长，自19世纪开始CO2的浓度不断地升高。大气中CO2浓度增高主要源于矿物原料的燃烧，某些气象专家推测地球的平均温度将增加1~3℃。

温室气体还包括氟氯烃，甲烷，一氧化二氮，以及各种易挥发的有机化合物。 各种温室气体对全球变暖的影响（见图1）各种温室气体对全球变暖的影响CO2溶于水，大部分CO2•H2O,极小部分H2CO32、碳酸及其盐

（1）碳酸00a.热稳定性：

热稳定性与阳离子的极化能力有关，极化力越强，稳定性越差。H+的极化力大于任一金属离子。

热稳定性规律：

正盐>酸式盐>碳酸

正盐中：M2CO3>MCO3>过渡金属碳酸盐>(NH4)2CO3同一族金属的碳酸盐稳定性从上到下增加(2)碳酸盐：正盐、酸式盐

掌握三个性质：思考：下列碳酸盐中稳定性最强和最差的各是什么？CaCO3Na2CO3BaCO3ZnCO3b.溶解度：

碱金属(Li除外)碳酸盐和铵盐易溶，其余均难溶。溶解度规律：S酸式盐>S正盐

如:SCa(HCO3)2>SCaCO3

易溶的碳酸盐(如Na+、K+、NH4+的碳酸盐)溶解度反常：

S酸式盐<S正盐

Na2CO3NaHCO3K2CO3KHCO3100℃溶解度451615660(g/100gH2O)2----氢键存在，形成二聚物或多聚物易水解：Na2CO3水解显强碱性NaHCO3水解显弱碱性

氢氧化物金属离子（碱金属离子和NH4+除外）+可溶碳酸盐碳酸盐碱式碳酸盐

c.水解性?

（1）强水解性金属离子，特别是两性的，氢氧化物溶解度较小，生成氢氧化物沉淀

规律:

(3)碳酸盐和相应的氢氧化物溶解度相近，生成碱式碳酸盐（Cu2+,Mg2+,Zn2+,Pb2+）(2)金属氢氧化物溶解度比相应碳酸盐的大碳酸盐

(Ca2+、Sr2+、Ag+、Cd2+、Mn2+)12.2.3硅及其重要化合物1、单质硅2、硅烷3、硅的卤化物4、二氧化硅5、硅酸及其盐1、单质硅：有两种

无定型体：灰黑色粉末，比晶体硅活泼

晶体：原子晶体，类似于金刚石硅的制备

单晶硅：重要的半导体材料Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H23Si+4HNO3+12HF3SiF4+4NO+8H2O电炉2C＋SiO2=======Si＋2CO↑723-773KSi(粗硅)＋2Cl2=======SiCl4

SiCl4＋2H2======Si(纯)＋4HCl12000c多晶硅单晶硅

数量和稳定性远不如烷烃

最简单的硅烷：SiH4(无色气体)性质：(1)自燃：(2)强还原性：(3)水解：微量碱作催化剂(4)热稳定性差：用于高纯硅的制备2.硅烷：

(SinH2n+2n=1~6)3、硅的卤化物SiX4SiF4SiCl4SiBr4SiI4聚集态glls

分子量小大溶沸点低 高水解：SiCl4+3H2O=H2SiO3+4HClSiF4＋3H2O＝H2SiO3+4HFSiF4＋2HF＝H2SiF6（氟硅酸,强酸性）4、二氧化硅SiO2是原子晶体，基本结构单元是硅氧四面体，SiO4四面体间通过共用顶角氧原子彼此连接起来，在三维空间里多次重复这种结构，形成硅氧网格形式的SiO2晶体。原子比Si:O＝1:2。Si-O以共价单键结合。SiO2是最简式,不代表一个简单分子，而CO2代表一个简单分子。SiOOOOSiO4四面体sp3

晶体：天然SiO2晶体为石英。纯石英：水晶含有杂质的石英：玛瑙，紫晶、碧玉、烟水晶等无定型体：石英玻璃、硅藻土、蛋白石（猫眼SiO2·xH2O）石英16000c石英玻璃（热膨胀系数小，可透过可见光和紫外光，可作紫外灯管和高级光学仪器）

SiO2存在形态（原子晶体）SiO2的性质：熔点高，硬度大，不导电，不溶于水酸性氧化物，不活泼，但容易被碱和氢氟酸腐蚀：SiO2＋4HFSiF4↑＋H2OSiO2＋2NaOHNa2SiO3＋H2OSiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑熔融5.硅酸及硅酸盐硅酸：通式：xSiO2·yH2O：

xy原硅酸H4SiO412偏硅酸H2SiO311一般用偏硅酸H2SiO3代表硅酸硅酸是二元弱酸，白色胶冻状，溶解度小K10＝2×10-10K20＝1×10-12制备：刚生成的硅酸主要以H4SiO4单分子形式存在。H4SiO4单分子形式硅酸溶胶硅酸凝胶

硅胶放置加酸电解质烘干活化CoCl2浸泡-烘干变色硅胶硅胶的制备简图-H2O半透明，白色，有许多细小的孔隙，比表面积大，吸附力很强，吸附各种气体和水蒸气，作干燥剂、吸附剂的体。精密仪器的干燥剂为多硅酸,含水多,白色透明,软而富有弹性固体

硅酸盐：地壳质量的95%为硅酸盐矿。

可溶性：Na2SiO3、K2SiO3不溶性：大部分硅酸盐难溶于水，且有特征颜色（p349）水中花园SiO2＋Na2CO3Na2SiO3+CO2Na2SiO3的实际组成xNa2O·ySiO2，俗称水玻璃，水解呈碱性,也称泡花碱，用途很广，用于做粘合剂，防腐剂，软水剂，洗涤剂和肥皂的填充剂，也是制硅胶和分子筛的原料。硅酸盐熔融普通玻璃：Na2SiO3.CaSiO3.4SiO2玉或翡翠：NaAl(SiO3)212.2.4锡、铅及其重要化合物1、锡、铅的单质2、锡、铅的氧化物和氢氧化物3、锡、铅的盐类4、锡、铅的硫化物1、锡、铅的单质

锡：银白色，有三种同素异形体灰锡(α锡)>13.2℃白锡(β锡)161℃脆锡白锡长期在低温下放置会转变为粉末状的灰锡,此现象称为”锡疫”马口铁（镀Sn铁皮）焊锡（Sn-Pb合金）青铜（Cu-Sn合金）

铅：质软，层性好，延展性不好，有极高的锻接性能。能阻挡X射线。锡、铅能形成氧化数为+2、+4的化合物。

由于惰性电子对效应：稳定性：Sn(IV)>Sn(II)

Sn(II)强还原性Pb(II)>Pb(IV)

Pb(IV)强氧化性

SnO(黑)PbO（橙黄）Sn(OH)2（白）

Pb(OH)2

（白）（两性偏碱）（两性偏碱）SnO2（白）

PbO2（褐色）Sn(OH)4（白）Pb(OH)4(棕)

（两性偏酸）（两性偏酸）

酸性增强共性：难溶于水，有颜色，两性2.锡、铅的氧化物和氢氧化物碱性增强

过量OH-HNO3或HAcH+浓HNO3放置适量OH-过量OH-过量OH-适量OH-适量OH-H+重要反应：442-

Pb3O4——铅丹：鲜红(化学性质稳定，作防锈漆。）

可看作：Pb2PbO4或2PbO·PbO2

Pb2O3：橙色

可看作：PbPbO3或PbO·PbO2PbPbO3+2HNO3Pb(NO3)2+PbO2+H2O铅的氧化物：

PbO：橙黄色（用于制造铅蓄电池等）

PbO2：褐色，强氧化剂。3PbO2

Δ

Pb3O4+O2与稀硝酸反应,可证明有两种不同氧化数的Pb存在混合氧化物Sn2+,Hg2+的相互鉴定3、锡、铅的盐类

（1）、Sn(II)盐的还原性（碱性介质中更强）鉴定Bi3+（2）、Pb(IV)的氧化性（在酸性介质中）