第十六章：碳族元素

第十六章碳族元素Chapter16

TheCarbonFamilyElements16-1碳族元素概述

一、IVA：Carbon(C)

Silicon(Si)

Germanium(Ge)

Stannum(Sn)

Plumbum(Pb)。

C明显的非金属Si基本上是非金属

Ge是准金属Sn和Pb属于金属二、碳的成键特点：1、2、

易多原子均键,同素异形体多3、能和其它元素如氮、氧、硫和磷形成单键和多重键4、电负性中等，价电子数和轨道数相等，半径小。三、Si

成链是本族元素化学的主要特征1、Si-Si键能较小,链不能太长2、Si和Si之间基本上不形成pπ－pπ键，Si可以形成d－pπ键四、配位数（半径），氧化数（惰性电子对效应）五、存在：

1、碳广泛存在于生物界，动植物机体。2、Si在自然界中仅次于氧:硅酸盐矿和石英矿

高纯硅单晶体是最重要的半导体材料。3、锗：分散稀有元素。晶态锗：半导体材料。4、锡、铅是用得较早、较广泛的金属元素。锡石：SnO2，方铅矿：PbS。铅：放射性衰变的产物。§16-2碳及其化合物一、TheSimpleSubstance

1、同素异形体:金刚石、石墨、碳纤维、富勒烯、碳纳米管等2、金刚石

立方金刚石六方金刚石抗压强度高，耐磨性能好，硬度高，熔点是所有单质中最高的，绝缘体，抗腐蚀、抗辐射，高对称性和高体折射率稳定性：立方〉立方3、石墨

六方石墨（α-石墨）三方石墨（β-石墨）4、碳纤维以sp杂化方式相互链接而成的纤维状碳材料每个C原子sp杂化，然后有两套离域键

强度大、密度小、耐腐蚀、耐高温、导电固体润滑剂铅笔芯高温电极坩埚模具石墨插层化合物5、富勒烯：又称为足球烯:C28、C30、C50、C60、C76、C80、C90、C94……、C240、C540

(1)结构：12个五边形、20个六边形、32面体碳原子以sp3、sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子相连(2)properties：

a.面心立方密堆积，分子晶体b.芳香性，C60Fn(超级润滑剂)c.超原子分子，超导性

d.有金属光泽，易溶于苯（紫红）。特别稳定6、碳纳米管

多层碳纳米管或单层碳纳米管储氢抗拉强度和韧性在目前所有的材料中是最高的无定型碳：内部原子排列可从三种晶态碳的单质结构来理解7、几种同素异形体的关系：熵Scarbin＞Sgraphite＞SdiamonddC-C(nm):金刚石＞石墨＞苯＞乙烯＞碳纤维稳定性：线型碳>石墨>金刚石>富勒烯C608、高温，高压二、碳化物（carbide）

1、通常指金属或非金属与碳组成的二元化合物2、分类：元素的属性：金属碳化物和非金属碳化物

键型：离子型、共价型、金属型a.离子型：如CaC2、Be2C、Al4C3b.共价型：如碳化硅、碳化硼等原子晶体c.金属型：过渡金属碳化物

金属光泽、导电，以及熔点高、硬度大TiC、WC、TaC、NbC硬质合金三、碳酸及碳酸盐

1.碳酸

(1)二元弱酸

(2)不稳定,只存在于水溶液中。2.碳酸盐

正盐:NH4+、IA（除Li)及Tl+

盐易溶，其它难溶；(1)溶解性

酸式盐，大多数易溶难溶碳酸盐:其相应酸式盐比正盐的溶解度大

易溶碳酸盐:其相应酸式盐比正盐溶解度小

怎么解释？（2）热稳定性固体碳酸盐分解为金属氧化物和CO2气体分解温度—离子极化

（3）水解性

Na2CO3：纯碱（4)可溶性金属盐与碳酸盐的反应产物3、硫代碳酸盐和氮代碳酸盐（1）Structure：（2）properties

(i)硫代碳酸盐(ii)H2CS3：高折射率油状物水中缓慢分解：易分解成H2S和CS2(iii)氮代碳酸盐

H2CN2：易溶于水、alcohol和ether，显示弱酸性

互变异构

氨基腈化物(iv)性质：四、CO

（1）制备：甲酸脱水。

（2）结构式：

（3）还原性：

（4）CO比N2活泼，如可以吸收CO（5）配位性：能与一些有空轨道的金属原子或离子形成配合物Fe（CO)5、Ni(CO)4和Cr(CO)6

（6）CO与其它非金属的作用

（7）CO与碱的作用

1、卤化物（CHal4）

（1）preparation：

（2）properties：

热力学可行，从F到I，稳定性降低

2、卤氧化碳，也称为碳酰卤比CHal4活泼，易水解

光气的制备：

剧毒五、其他含碳化合物

3、CS2

（1）preparation

（2）properties

易挥发、易燃的无色的有机溶剂水解：

§16-3硅及其化合物一、TheSimpleSubstance

1．Properties

（1）立方晶系，类似于金刚石，结合力不如金刚石强。有金属光泽。单晶硅是良好的半导体材料。（2）加热时与许多非金属单质及某些金属反应

（3）氧化性酸中钝化,溶于HF－HNO3的混合酸

（4）

（5）

2．Preparation:

(2)提纯:

(1)制备:

(3)超高纯:区域熔融

二、二氧化硅(硅石)

1、形态

（1）无定形:硅藻土

（2）晶体:石英

a.纯石英（无色透明）叫水晶硅烷法

西门子法:b.不纯石英(有色):猫眼石碧玉烟水晶玛瑙鸡血石翡翠：钠铝硅酸盐矿物祖母绿：铍铝的硅酸盐矿物Be3Al2Si6O18

2、性质:

①原子晶体，熔点高，硬度大

②不与一般酸作用,但与氢氟酸反应

实际溶解产物是不同组成的SiF4＋H2SiF6

③与碱反应：

强碱不能长时间放在玻璃瓶中3、石英玻璃

石英高温下熔化成粘稠液体，急速冷却①1400℃不软化

②热账系数小

③可透可见光和紫外光,用于制高级化学器皿和光学仪器。

Si-Si226Si-H292.6Si-C305Si-Cl402Si-O464Si-F598(kJ/mol)三、硅酸及其盐

1、硅酸

通式xSiO2·yH2O偏硅酸H2SiO3（x＝1，y＝1）正硅酸H4SiO4（x＝2,y＝1）焦硅酸H6Si2O7（x＝2，y＝3）

制备：

单分子硅酸(溶于水)

多硅酸(难溶)硅酸溶胶或硅酸凝胶硅胶：干燥剂、吸附剂和催化剂载体2、硅酸盐

(1)溶解性：

除IA硅酸盐可溶外，其它皆难溶。

水玻璃、泡花碱重金属硅酸盐难溶于水,且有特征颜色:CuSiO3CoSiO3MnSiO3NiSiO3Fe2(SiO3)3ZnSiO3Al2(SiO3)3蓝绿色紫色浅红色翠绿色棕红色白色无色透明(2)水解性

鉴定SiO32-

（3）硅酸盐结构

[SiO4]硅氧四面体这个基本单元彼此共用顶角氧联接形成的各种硅氧四面体骨干

阳离子散布在其中单个[SiO4]四面体

两个[SiO4]以角氧相连岛状

[SiO4]以两角氧相连成环状或长链状结构

Si︰O=1︰4

Si︰O=1︰3.5Si︰O=1︰3[SiO4]以角氧构造成双链

Si︰O=4︰11[SiO4]分别以三角氧和其它三个[SiO4]相连成层状结构Si︰O=2︰5[SiO4]分别以四个氧和其他四个[SiO4]相连成骨架状结构Si︰O=1︰2由于Al也能形成AlO4四面体，Al可以局部代替硅而成为铝硅酸盐（4）分子筛

天然的或人工合成的沸石型的水合铝硅酸盐。具有多孔的笼形骨架结构

四、硅烷

SinH2n

+2(silane)n可高达15

1．preparation：

2、properties

(1)强还原剂

用KMnO4来鉴别在纯水中硅烷(2)hydrolysis

3、用途

氯硅烷类及烷基氯硅烷类的骨架结构，硅的外延生长、多晶硅、氧化硅、氮化硅等的原料，太阳能电池，光导纤维，有色玻璃制造，化学气相淀积五、其他含硅化合物

1、硅化物（silicides）

(1)IA、IIA族硅化物：Ca2Si、CaSi、CaSi2不稳定，与水反应(2)副族元素硅化物

Mo3Si、Mo5Si3、MoSi、MoSi2高熔、沸点，不溶于HF和王水，仅溶于HF－HNO3混合液或者在碱液中。导电

WSi2（2165℃），Ti5Si3（2120℃），V5Si3（2150℃）：高温材料

2．SiHal4，Si3N4，SiC，SiS2

(1)structure：正四面体结构单元：SiHal4、

SiS4、SiN4、SiC4

(2)properties

a．与碱反应

b．Hydrolysis

(3)SiHal4的制备

§16-4锗分族一、单质

1、物理性质

（1）锗为银白色的脆性金属，有一定的硬度。而铅是暗灰色，重而软的金属

（2）锡有三种同素异性体-灰锡、白锡和脆锡。2、化学性质

（1）与酸的反应

Ge不与非氧化性酸作用,与氧化性酸反应生成Ge(IV)

Pb与任何浓度的硝酸反应都得到Pb(NO3)2

β-锡酸(xSnO2·yH2O)

（2）与碱反应

（3）与氧的反应

高温下都能反应，常温下只有Pb能（4）与其它非金属的反应

锗分族金属能同卤素和硫生成卤化物和硫化物（5）与水的反应

锗、锡不与水反应，铅有空气存在的条件下反应二、氧化物及其水合物

1、氧化物

MO2都是共价型、两性偏酸性，MO两性偏碱性Pb2O3(PbO·PbO2)（黄色）Pb3O4(2PbO·PbO2)（红色）不溶于水PbO2的氧化性

（鉴定Mn2+)

2、氢氧化物

三、卤化物

MHal4和MHal2

1、MHal4具有共价化合物的特征，熔点低，易挥发或升华。MHal2为离子型化合物，熔点较高。

2、水解性

3、卤配阴离子

4、PbCl4不稳定-惰性电子对效应从上到下MHal2越来越稳定，而MHal4越来越不稳定α-锡酸

α-锡酸溶解于浓HCl，KOH，而β-锡酸不溶四、硫化物

1、

2、制备：3、