第15章 碳族元素（课件）- 《无机化学》同步教学（吉林大学版）

2024/1/14 1 第十五章 碳族元素 基本要求 1．掌握碳、硅的单质及其重要化合物的结构、 性质、 制备和用途 2．了解硅酸和硅酸盐的结构与特性。 3．掌握非金属单质的结构特点。 Chapter 15 The Carbon Family Elements Carbon (C) Silicon (Si) Germanium (Ge) Stannum (Sn) Plumbum (Pb) 2024/1/14 2 15.1.1 碳族元素通性 碳可以sp3，sp2，sp等形式形成共价键(表15-1)，C-C，C-H，C-O键能较高，碳的氧化数在有机化合物中总是4，在无机化合物中则多数是4。 硅的化合物比碳的化合物少得多。Si-Si键比C-C键弱，但Si-O键比C-O键强，硅的化合物中Si-O键占有相当大比例。主要氧化态是+4。 在锗、锡、铅中，随着原子序数增大，稳定氧化态逐渐由+4变为+2。这是由于ns2电子对随n增大逐渐稳定的结果。 2024/1/14 3 15.2.1 碳族元素在自然界中的分布 碳：金刚石、石墨；煤、石油、天然气；碳酸盐； CO2 ； C- C链化合物形成了由动物和植物构成的有机界 。 硅：硅元素在质量上占地壳25.7%,为1/4，其丰度仅次于占 49.5%的氧元素。以 SiO2和各种硅酸盐形式存在，Si-O- Si 链化合物及其它元素在一起构成整个矿物界。 锗：硫银锗矿 4Ag2SGeS2 ，硫铅锗矿2PbSGeS2 。 锡：锡石 SnO2，我国锡蕴藏量是最丰富国家之一，云南旧锡 矿举世闻名。 铅：方铅矿 PbS，白铅矿 PbCO3 。 2024/1/14 4 锡石SnO2 方铅矿 PbS 2024/1/14 5 15.2.2 碳族元素的单质 2024/1/14 6 1. 碳单质的同素异形体 金刚石晶体透明、折光。所有矿物质中，硬度最大。所有单质中，熔点最高(3823K)。室温下，金刚石对所有化学试剂都显惰性，空气中加热到1100K左右能燃烧成CO2。除作装饰品外，主要用于制造钻探用的钻头和磨削工具。 石墨质软，灰黑色，密度较金刚石小，熔点比金刚石低50K，具有润滑性，导电导热性好。石墨的化学性质较金刚石活泼。被大量用于电极、坩埚、电刷、润滑剂、铅笔等。 木炭、焦碳、碳黑具有石墨结构，特殊方法制备的多孔性碳黑有较大吸附能力，称之为活性炭，用于脱色和选择性分离中，作催化剂的载体等。 碳原子簇，C60具有球形结构，60个碳原子组成32面体(12个正五边形和20个正六边形)，C60也称富勒烯，足球烯。 2024/1/14 7 石墨(sp2杂化) 金刚石(sp3杂化) 碳纤维 足球烯，富勒烯，C60 (sp2杂化) 2024/1/14 8 (i) C60 分子具有球形的芳香性，可以合成C60Fn，作为超级润滑剂。 (ii) C60 笼内可以填入金属原子而形成超原子分子，作为新型催化剂或催化剂载体，具有超导性，掺K 的C60，Tc = 18K，Rb3C60 Tc = 29K，它们是三维超导体。 (iii) C60 晶体有金属光泽，其微晶体粉末呈黄色，易溶于苯，其苯溶液呈紫红色。C60 分子特别稳定，进行化学反应时，C60 始终是一个整体。 2024/1/14 9 2. 硅、锗、锡、铅 高纯硅（杂质少于10-6）是很好半导体。单质硅与强氧化剂和强碱溶液作用。 高纯锗也是良好半导体材料。 锡具有低熔点和抗腐蚀性，用作各种合金及罐头盒。锡有三种同素异形体，即灰锡、白锡和脆锡： 灰锡（α型） 白锡（β型） 脆锡（γ型） Sn + 2HCl → SnCl2 + H2↑ 3Sn + 8HNO3 → 3Sn(NO3)2 + 2NO↑+ 4H2O Sn+4HNO3 →H2SnO3+ 4NO↑+H2O Sn+2OH-+2H2O→Sn(OH)42- + H2↑ 2024/1/14 10 新切的铅容易变成暗灰色，生成一层致密碱式碳酸盐保护层。在合金中，铅既可调节合金硬度又不降低合金的熔点。铅板和铅砖用于X-射线和放射性试验中对射线的防护。 Pb + 2HCl → PbCl2 + H2↑ Pb + 4HNO3 → Pb(NO3)2 + 2NO2↑+ 2H2O 2024/1/14 11 15.2.3 氧化物 1、结构： CO(6+8=14e-)与N2、CN-、NO+互为等电子体。结构相似： 一. 一氧化碳 ∴CO电偶极