無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)課件碳族元素

1、本節(jié)要求： 1. 熟悉C、Si元素及其化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性質(zhì) 2. 熟悉碳的主要化合物(CO、CO2、碳酸、碳酸鹽) 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性質(zhì)； 3. 熟悉Sn2+的還原性、Pb2+的溶解性、PbO2和NaBiO3的氧化性及其它們氫氧化物的酸堿性規(guī)律。碳族元素包括：碳C、硅Si、鍺Ge、錫Sn、鉛Pb碳族元素的價(jià)層電子構(gòu)型：A ns2np213.2 碳族元素-P555-582石墨硅(矽)石墨硅(矽)Si錫鉛是一種重金屬，有毒(慢性中毒，尤其對(duì)小孩嚴(yán)重，輕則智力低下、重則弱智)。鉆 石玻 璃地磚魚缸水晶石英鹽黑曜石紫晶縞瑪瑙瑪瑙水泥瓷人面魚紋陶盆（陜西半坡出土）石 英 玻 璃 坩 堝氮化硅陶瓷制品光導(dǎo)纖

2、維 太陽(yáng)能汽車 相似性遞變性原子半徑增大熔沸點(diǎn)逐漸降低密度逐漸增大氫化物穩(wěn)定性逐漸減弱最高氧化物對(duì)應(yīng)水化物的酸性逐漸減弱非金屬性減弱、金屬性增強(qiáng)最外層都有4個(gè)電子原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)單質(zhì)物性化性一. 碳族元素性質(zhì)規(guī)律的概述 此外，從上到下+4價(jià)化合物穩(wěn)定性降低，而+2價(jià)化合物的穩(wěn)定性增強(qiáng)(分別從CO2、PbCl2的穩(wěn)定性來(lái)記憶惰性電子對(duì)效應(yīng))。碳族元素及其單質(zhì)的一些重要性質(zhì)元素名稱元素符號(hào)原子半徑(nm)主要化合價(jià)單質(zhì)的性質(zhì) 顏色、狀態(tài) 密度( gcm-3) 熔點(diǎn) () 沸點(diǎn) ()碳C0.077+2,+4金剛石： 無(wú)色固體石墨： 灰黑色固體 3.51 2.25355036523697(升華) 48

3、27 4827硅Si0.117+2,+4晶體硅： 灰黑色固體 2.32 2.34 1410 2355鍺Ge0.122+2,+4 銀灰色固體 5.35937.4 2830錫Sn0.141+2,+4 銀白色固體 7.28231.9 2260鉛Pb0.175+2,+4 藍(lán)白色固體 11.34327.5 1740二、碳單質(zhì)及其主要化合物1. 碳單質(zhì) 金剛石、石墨、C60(同素異形體) 金剛石與石墨物理性質(zhì)差別大的原因主要是它們的結(jié)構(gòu)不同：金剛石是原子晶體; 石墨是層狀晶體(混合晶體) 古代的“藥金”外觀與金相似，被認(rèn)為是金子。 冶煉方法如下：將碳酸鋅、赤銅（Cu2O）、木炭混合加熱至800得金光閃閃的

4、“藥金”。 （1）“藥金”的主要成分是Zn, Cu （2）有關(guān)冶煉的化學(xué)方程式是ZnCO3 = ZnO + CO2、C + 2Cu2O = 4Cu + CO2 C + 2ZnO = 2Zn + CO2沒(méi)有碳就不會(huì)有生命10928金剛石- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

5、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 120共價(jià)鍵范德華力石 墨C60對(duì)C60的發(fā)現(xiàn)的三位化學(xué)家獲得了1996年諾貝

6、爾化學(xué)獎(jiǎng)。足球分子C60晶體結(jié)構(gòu)碳的同素異形體比較 同素異形體金剛石石墨C60(富勒烯)晶體結(jié)構(gòu)正四面體，空間網(wǎng)狀的原子晶體平面層狀六邊形結(jié)構(gòu)，層間以范德華力結(jié)合32面體，具有12個(gè)五邊形，20個(gè)六邊形，類似足球形狀主要性質(zhì)熔、沸點(diǎn)高，硬度大，難溶，不導(dǎo)電熔點(diǎn)高，質(zhì)軟有滑膩感，良導(dǎo)體 熔點(diǎn)較低主要用途鉆具、裝飾品潤(rùn)滑劑、電極、鉛筆芯、耐火材料形成的化合物有超導(dǎo)性。有些可作高溫潤(rùn)滑劑、耐熱和防火材料2、碳的主要化合物：CO： (i)制備 HCOOH + H2SO4(濃)；碳的不完全燃燒。 (ii)結(jié)構(gòu) 三重鍵，一個(gè)鍵、二個(gè)鍵(其中一個(gè)是 配鍵 ) (iii)化學(xué)性質(zhì) 還原性、配位性/加合性。可與

7、許多過(guò)渡金屬原子或離子形成羰基配合物，如Fe(CO)5(可解釋CO中毒，其中C是配位原子)CO2： (i)作用 產(chǎn)生溫室效應(yīng)(一方面有利于植物的生長(zhǎng)；另一方面又使地球溫度上升)；易液化(分子間作用力大)可用在人工降雨和制冷；不助燃可作滅火劑(不能用來(lái)滅燃燒的鎂)。 (ii)結(jié)構(gòu) 二重鍵，二個(gè)鍵、二個(gè)大鍵 ： (iii)化學(xué)性質(zhì) 不活潑，與水反應(yīng)，具有酸性氧化物的性質(zhì)。一氧化碳與二氧化碳的比較 一氧化碳 二氧化碳物理性質(zhì)無(wú)色、無(wú)味、有毒、難溶于水無(wú)色、略帶酸味、能溶于水、固態(tài)稱干冰化學(xué)性質(zhì)1、可燃性1、不能燃燒、不助燃2、還原性2、氧化性3、不成鹽氧化物3、酸性氧化物實(shí)驗(yàn)室制法 略CaCO3+2

8、HCl=CaCl2+CO2 +H2O工業(yè)制法 高溫 C+H2OCO+H2 高溫 CaCO3CaO+CO2H2CO3和碳酸鹽： CO2溶于水后，大部分以水合分子的形式存在，所以溶于水生成碳酸的量少，濃度小；碳酸為二元弱酸，二級(jí)解離常數(shù)小(10-4、10-7)。碳酸鹽有兩種，它們的特性有： 1. 碳酸鹽除堿金屬和銨外，一般難溶于水。而難溶的碳酸鹽所對(duì)應(yīng)的酸式鹽溶解度較大；反之，易溶的碳酸鹽所對(duì)應(yīng)的酸式鹽溶解度較?。ㄔ蚴菤滏I在作怪，如下圖）。 2. 可溶性的碳酸鹽作為沉淀劑與金屬離子作用生成難溶物質(zhì)時(shí)，產(chǎn)物是正鹽、堿式碳酸鹽還是氫氧化物， 要根據(jù)難溶物質(zhì)的溶解度確定。（或根據(jù)同類沉淀的溶度積常數(shù)K

9、sp來(lái)決定）如：Ca2+、Mg2+、Cr3+ 、Cu2+與CO3 2 3. 碳酸鹽的熱穩(wěn)定性較差，它們的差別可用極化理論解釋(如堿土金屬的碳酸鹽)，金屬離子極化力越大，穩(wěn)定性越差。穩(wěn)定性的順序?yàn)椋禾妓猁}酸式鹽碳酸 Mg 2+ + CO3 2 + H2O Mg(OH)2 (s) (Cr 3+) Cr(OH)3 (s)碳酸正鹽與酸式鹽的比較 正 鹽 酸式鹽水溶性 鉀鈉銨鹽易溶于水、其它難溶都溶于水熱穩(wěn)定性K2CO3、Na2CO3受熱難分解CaCO3、(NH4)2CO3受熱易分解2NaHCO3Na2CO3+CO2+H2O與酸反應(yīng)CO32- +2H+ CO2+H2OCaCO3+ 2H+ Ca2+CO2

10、+H2OHCO3- +H+ CO2+H2O與堿反應(yīng)Na2CO3+Ca(OH)2 CaCO3 +2NaOHNaHCO3+NaOH Na2CO3+H2O轉(zhuǎn)化關(guān)系 Na2CO3+CO2+H2O= 2NaHCO3 2NaHCO3 Na2CO3+CO2 +H2O三. 硅單質(zhì)及其主要化合物：硅單質(zhì)大規(guī)模集成電路太陽(yáng)能電池瑪瑙硅的分布與存在存在：沒(méi)有游離態(tài)，只有化合態(tài)分布：自然界中分布廣泛，在地殼中居第二位，僅次于氧。是構(gòu)成礦物和巖石的主要成分。硅有晶體硅和無(wú)定形硅兩種。晶體硅是灰黑色、有金屬光澤、硬而脆的固體；硅的結(jié)構(gòu)類似于金剛石，難溶于水、熔點(diǎn)和沸點(diǎn)都很高，硬度大；導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，主要用于半

11、導(dǎo)體材料中。1. 硅(silicon)單質(zhì)硅的物理性質(zhì)Si10928晶體硅結(jié)構(gòu)晶體硅硅的化學(xué)性質(zhì) 常溫下，化學(xué)性質(zhì)不活潑，除氟氣、氫氟酸和強(qiáng)堿外，硅不跟其他物質(zhì)（如氧氣、氯氣、硫酸、硝酸等）起反應(yīng)。在加熱條件下，能跟一些非金屬反應(yīng)。Si O2 SiO2Si 2H2 SiH4（不穩(wěn)定）高溫Si2NaOH H2O Na2SiO3 2H2Si 4HF SiF4 2H2 硅的工業(yè)制法 SiO2 2C Si（粗硅）2CO高溫 1、在工業(yè)上，用碳在高溫下還原二氧化硅的方法制得粗硅：與氯反應(yīng)：Si 2Cl2 SiCl4(溫度為400500)高溫SiCl4 2H2 Si 4HCl 生成的SiCl4液體通過(guò)精餾

12、，除去其中的硼、砷等雜質(zhì)。然后用氫氣還原：硅的用途 硅是一種重要的非金屬單質(zhì)，用途非常廣泛: 作為良好的半導(dǎo)體材料，硅可用來(lái)制造集成電路、晶體管、硅整流器等半導(dǎo)體器件， 還可以制成太陽(yáng)能電池 可制成有良好導(dǎo)磁性、耐酸性的合金。2. 硅的主要化合物二氧化硅SiO2: (i)又稱為硅石，是一種巨型分子，也有晶體和無(wú)定形兩種。自然界的晶體硅又稱為石英、水晶；無(wú)定形的SiO2在自然界中有硅藻土、燧石等。 (ii)石英是以SiO4為單元的空間原子晶體，所以分子式并不能代表其結(jié)構(gòu)，同時(shí)每個(gè)氧原子與兩個(gè)硅原子結(jié)合。因此它是硅原子與氧原子按1 ：2的原子個(gè)數(shù)比組成的具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體。乳石英石英電子表、石

13、英鐘瑪 瑙水晶制品(iii)SiO2化學(xué)性質(zhì)主要為：弱氧化性 是酸性氧化物，可跟強(qiáng)堿溶液或熔融條件下反 應(yīng) (如NaOH、Na2CO3)。與氟化氫反應(yīng)(腐蝕玻璃)與鹽反應(yīng)（固體）生成硅酸鹽SiO2 2OHSiO32H2OSiO2 + 4HF =SiF4 + 2H2O高溫SiO2 CaO CaSiO3高溫SiO22C Si 2COSiO2 + CaCO3 CaSiO3 + CO2 高溫(實(shí)驗(yàn)室里盛放堿液的試劑瓶常用橡皮塞，而不用玻璃塞)(氫氟酸用塑料瓶裝，不能用玻璃瓶裝)二氧化硅與二氧化碳的比較二氧化碳CO2二氧化硅SiO2物質(zhì)分類與堿性氧化物反應(yīng)與堿反應(yīng)與水反應(yīng)均屬于酸性氧化物CO2 CaOC

14、aCO3CaOSiO2 CaSiO3高溫CO2 2NaOH Na2CO3+H2OSiO2 2NaOH Na2SiO3+H2OCO2 H2OH2CO3不反應(yīng)Si與B的單質(zhì)和化合物性質(zhì)相似(對(duì)角線規(guī)則)二氧化硅的物理性質(zhì)和用途物理性質(zhì)：硬度大、熔點(diǎn)高、難溶于水用途：制光導(dǎo)纖維、電子工業(yè)重要部件、光學(xué)儀器、耐高溫化學(xué)儀器。利用石英晶體制造石英電子表、石英鐘等。 江蘇省東海縣素有“水晶之鄉(xiāng)”之稱。1958年在該縣發(fā)現(xiàn)我國(guó)最大的“水晶王”，質(zhì)量達(dá)3.5t。1983年1月又在該縣南溜村2m深的地下挖出一塊質(zhì)量為3t，高為1.4m的水晶，同時(shí)出土的還有一塊質(zhì)量為400kg的水晶體。 (i)硅酸H2SiO3

15、： 二元弱酸(10-10,10-12),酸性比碳酸弱。 硅酸容易聚合成膠狀沉淀，所以其組成比較復(fù)雜，通常用xSiO2yH2O表示。 膠狀硅酸被除去大部分水可以制的工業(yè)上應(yīng)用廣泛的硅膠，硅膠表面積大，吸附能力強(qiáng)，可用作干燥劑和催化劑的載體。 (ii) 硅酸鹽： 大部分難溶于水(除常見的K2SiO3、Na2SiO3即水玻璃)，一般具有特征顏色。硅酸與硅酸鹽：水中花園正長(zhǎng)石(KAlSi3O8)(a) SiO44- (b) Si2O76- (c) Si4O128- (d) Si6O1812- 天然硅酸鹽都難溶，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但基本結(jié)構(gòu)單元都是四面體骨架SiO4硅酸鈉：Na2SiO3可以寫成 Na2O Si

16、O2高嶺石：Al2(Si2O5)(OH)4鈣長(zhǎng)石：CaAl2SiO6Al2O3 2SiO22H2OCaO Al2O3 SiO2特殊玻璃： 鋼化玻璃、光學(xué)玻璃、 化學(xué)玻璃、有色玻璃、 變色玻璃、電加溫玻璃、鉀玻璃、 微晶玻璃、 石英玻璃 通常用二氧化硅和金屬氧化物的形式表示。主要用于建筑材料，實(shí)驗(yàn)室常見的有分子篩與沸石（鋁硅酸鹽）。見打的閱讀材料。-H2OSiNa2SiO3Na2SiO3SiO2SiF4H4SiO4H2SiO3NaOHO2HFCaOCaSiO3NaOHNaOHHClCO2HClCF2HF石灰石、粘 土復(fù)雜的物理化學(xué)變化3CaO.SiO2、2CaO.SiO2、3CaO.Al2O3具

17、有水硬性，熱膨脹系數(shù)幾跟鐵一樣普通水泥、礦渣硅酸鹽水泥、沸石巖水泥等石灰石、純堿、石英CaCO3 + SiO2= CaSiO3 + CO2Na2CO3 + SiO2=Na2SiO3 + CO2Na2SiO3、 CaSiO3、SiO2沒(méi)有一定的熔點(diǎn)，能在一定的溫度范圍內(nèi)軟化普通玻璃、硼酸玻璃、鉛玻璃、有色玻璃、鋼化玻璃無(wú)機(jī)非金屬材料材料金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料傳統(tǒng)非金屬材料新型非金屬材料 新型無(wú)機(jī)非金屬材料：超導(dǎo)材料、光導(dǎo)纖維、高溫結(jié)構(gòu)材料硅酸鹽材料：水泥、玻璃、陶瓷陶瓷：土器、瓷器、炻器四、 錫鉛的主要化合物-P680-6851. 亞錫Sn2+還原性和鑒定：利用下列反應(yīng)和現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行

18、Sn2+、Hg2+的相互鑒定Sn 2+ + 2Fe 3+ Sn 4+ + 2Fe 2+ 白色黑色黑色 SnCl4 H2OH2SnO3+HCl (強(qiáng)烈)Sn+Cl2(過(guò))HClS2 SnS2Na2SnS3Na2SH+SnS2 +H2S SnCl62+H2S HClH2SnCl6 2、Sn2+與 Sn()的互相轉(zhuǎn)化 H+Sn2+Sn4+O2SnSS22SnS32SnS2+H2SH2O,ClHCl+Sn(OH)ClFe3+Sn4+Fe2+OHSn(OH)2OHSn(OH)3Bi3+Bi+Sn(OH)6 2 HgCl2Hg2Cl2+ Sn4+Sn2+Hg+ Sn4+3. Sn2+的反應(yīng)：4、Pb(IV

19、) 氧化高鉛PbO2 (棕黑) 的氧化性Pb3O4 紅色鉛丹(2PbOPbO2)Pb3O4 + 2HNO3 = Pb(NO3)2 + PbO2 + H2OK2CrO4PbCrO45.鉛Pb2+的鑒定和Pb2+鹽的難溶鹽少數(shù)可溶：Pb(NO3)2, Pb(Ac)2Pb2+ Pb(OH) 3- PbCl2(白) PbSO4(白) PbI2(黃) PbCrO4 (黃) PbCl42- PbHSO4 PbI42- Pb2+Cr2O72-濃HCl濃H2SO4I-HNO3OH-PbCrO4 + HNO3 Pb2+ + Cr2O72+ NO3沉淀互相轉(zhuǎn)化:Pb(NO3)2Na2SO4PbSO4(白)KIPbI2 (黃)Na2CO3PbCO3 (白) PbS PbCl2 、PbI2 溶于熱水PbCl2 + HCl = H2PbCl4 PbI2 + KI = K2PbI46. 錫Sn2+、鉛Pb2+ 鹽的水解 亞錫很容易水解，配置溶液需在較濃的酸中溶解，否則補(bǔ)充的方程式：NaBiO3 + Mn2