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明顯的非金屬Si基本上是非金屬

Ge是準金屬Sn和Pb屬于金屬二、碳的成鍵特點：1、2、

易多原子均鍵,同素異形體多3、能和其它元素如氮、氧、硫和磷形成單鍵和多重鍵4、電負性中等，價電子數(shù)和軌道數(shù)相等，半徑小。三、Si

成鏈是本族元素化學的主要特征1、Si-Si鍵能較小,鏈不能太長2、Si和Si之間基本上不形成pπ－pπ鍵，Si可以形成d－pπ鍵四、配位數(shù)（半徑），氧化數(shù)（惰性電子對效應）五、存在：

1、碳廣泛存在于生物界，動植物機體。2、Si在自然界中僅次于氧:硅酸鹽礦和石英礦

高純硅單晶體是最重要的半導體材料。3、鍺：分散稀有元素。晶態(tài)鍺：半導體材料。4、錫、鉛是用得較早、較廣泛的金屬元素。錫石：SnO2，方鉛礦：PbS。鉛：放射性衰變的產(chǎn)物?！?6-2碳及其化合物一、TheSimpleSubstance

1、同素異形體:金剛石、石墨、碳纖維、富勒烯、碳納米管等2、金剛石

立方金剛石六方金剛石抗壓強度高，耐磨性能好，硬度高，熔點是所有單質(zhì)中最高的，絕緣體，抗腐蝕、抗輻射，高對稱性和高體折射率穩(wěn)定性：立方〉立方3、石墨

六方石墨（α-石墨）三方石墨（β-石墨）4、碳纖維以sp雜化方式相互鏈接而成的纖維狀碳材料每個C原子sp雜化，然后有兩套離域鍵

強度大、密度小、耐腐蝕、耐高溫、導電固體潤滑劑鉛筆芯高溫電極坩堝模具石墨插層化合物5、富勒烯：又稱為足球烯:C28、C30、C50、C60、C76、C80、C90、C94……、C240、C540

(1)結(jié)構(gòu)：12個五邊形、20個六邊形、32面體碳原子以sp3、sp2雜化軌道與相鄰的三個碳原子相連(2)properties：

a.面心立方密堆積，分子晶體b.芳香性，C60Fn(超級潤滑劑)c.超原子分子，超導性

d.有金屬光澤，易溶于苯（紫紅）。特別穩(wěn)定6、碳納米管

多層碳納米管或單層碳納米管儲氫抗拉強度和韌性在目前所有的材料中是最高的無定型碳：內(nèi)部原子排列可從三種晶態(tài)碳的單質(zhì)結(jié)構(gòu)來理解7、幾種同素異形體的關系：熵Scarbin＞Sgraphite＞SdiamonddC-C(nm):金剛石＞石墨＞苯＞乙烯＞碳纖維穩(wěn)定性：線型碳>石墨>金剛石>富勒烯C608、高溫，高壓二、碳化物（carbide）

1、通常指金屬或非金屬與碳組成的二元化合物2、分類：元素的屬性：金屬碳化物和非金屬碳化物

鍵型：離子型、共價型、金屬型a.離子型：如CaC2、Be2C、Al4C3b.共價型：如碳化硅、碳化硼等原子晶體c.金屬型：過渡金屬碳化物

金屬光澤、導電，以及熔點高、硬度大TiC、WC、TaC、NbC硬質(zhì)合金三、碳酸及碳酸鹽

1.碳酸

(1)二元弱酸

(2)不穩(wěn)定,只存在于水溶液中。2.碳酸鹽

正鹽:NH4+、IA（除Li)及Tl+

鹽易溶，其它難溶；(1)溶解性

酸式鹽，大多數(shù)易溶難溶碳酸鹽:其相應酸式鹽比正鹽的溶解度大

易溶碳酸鹽:其相應酸式鹽比正鹽溶解度小

怎么解釋？（2）熱穩(wěn)定性固體碳酸鹽分解為金屬氧化物和CO2氣體分解溫度—離子極化

（3）水解性

Na2CO3：純堿（4)可溶性金屬鹽與碳酸鹽的反應產(chǎn)物3、硫代碳酸鹽和氮代碳酸鹽（1）Structure：（2）properties

(i)硫代碳酸鹽(ii)H2CS3：高折射率油狀物水中緩慢分解：易分解成H2S和CS2(iii)氮代碳酸鹽

H2CN2：易溶于水、alcohol和ether，顯示弱酸性

互變異構(gòu)

氨基腈化物(iv)性質(zhì)：四、CO

（1）制備：甲酸脫水。

（2）結(jié)構(gòu)式：

（3）還原性：

（4）CO比N2活潑，如可以吸收CO（5）配位性：能與一些有空軌道的金屬原子或離子形成配合物Fe（CO)5、Ni(CO)4和Cr(CO)6

（6）CO與其它非金屬的作用

（7）CO與堿的作用

1、鹵化物（CHal4）

（1）preparation：

（2）properties：

熱力學可行，從F到I，穩(wěn)定性降低

2、鹵氧化碳，也稱為碳酰鹵比CHal4活潑，易水解

光氣的制備：

劇毒五、其他含碳化合物

3、CS2

（1）preparation

（2）properties

易揮發(fā)、易燃的無色的有機溶劑水解：

§16-3硅及其化合物一、TheSimpleSubstance

1．Properties

（1）立方晶系，類似于金剛石，結(jié)合力不如金剛石強。有金屬光澤。單晶硅是良好的半導體材料。（2）加熱時與許多非金屬單質(zhì)及某些金屬反應

（3）氧化性酸中鈍化,溶于HF－HNO3的混合酸

（4）

（5）

2．Preparation:

(2)提純:

(1)制備:

(3)超高純:區(qū)域熔融

二、二氧化硅(硅石)

1、形態(tài)

（1）無定形:硅藻土

（2）晶體:石英

a.純石英（無色透明）叫水晶硅烷法

西門子法:b.不純石英(有色):貓眼石碧玉煙水晶瑪瑙雞血石翡翠：鈉鋁硅酸鹽礦物祖母綠：鈹鋁的硅酸鹽礦物Be3Al2Si6O18

2、性質(zhì):

①原子晶體，熔點高，硬度大

②不與一般酸作用,但與氫氟酸反應

實際溶解產(chǎn)物是不同組成的SiF4＋H2SiF6

③與堿反應：

強堿不能長時間放在玻璃瓶中3、石英玻璃

石英高溫下熔化成粘稠液體，急速冷卻①1400℃不軟化

②熱賬系數(shù)小

③可透可見光和紫外光,用于制高級化學器皿和光學儀器。

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

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）

制備：

單分子硅酸(溶于水)

多硅酸(難溶)硅酸溶膠或硅酸凝膠硅膠：干燥劑、吸附劑和催化劑載體2、硅酸鹽

(1)溶解性：

除IA硅酸鹽可溶外，其它皆難溶。

水玻璃、泡花堿重金屬硅酸鹽難溶于水,且有特征顏色:CuSiO3CoSiO3MnSiO3NiSiO3Fe2(SiO3)3ZnSiO3Al2(SiO3)3藍綠色紫色淺紅色翠綠色棕紅色白色無色透明(2)水解性

鑒定SiO32-

（3）硅酸鹽結(jié)構(gòu)

[SiO4]硅氧四面體這個基本單元彼此共用頂角氧聯(lián)接形成的各種硅氧四面體骨干

陽離子散布在其中單個[SiO4]四面體

兩個[SiO4]以角氧相連島狀

[SiO4]以兩角氧相連成環(huán)狀或長鏈狀結(jié)構(gòu)

Si︰O=1︰4

Si︰O=1︰3.5Si︰O=1︰3[SiO4]以角氧構(gòu)造成雙鏈

Si︰O=4︰11[SiO4]分別以三角氧和其它三個[SiO4]相連成層狀結(jié)構(gòu)Si︰O=2︰5[SiO4]分別以四個氧和其他四個[SiO4]相連成骨架狀結(jié)構(gòu)Si︰O=1︰2由于Al也能形成AlO4四面體，Al可以局部代替硅而成為鋁硅酸鹽（4）分子篩

天然的或人工合成的沸石型的水合鋁硅酸鹽。具有多孔的籠形骨架結(jié)構(gòu)

四、硅烷

SinH2n

+2(silane)n可高達15

1．preparation：

2、properties

(1)強還原劑

用KMnO4來鑒別在純水中硅烷(2)hydrolysis

3、用途

氯硅烷類及烷基氯硅烷類的骨架結(jié)構(gòu)，硅的外延生長、多晶硅、氧化硅、氮化硅等的原料，太陽能電池，光導纖維，有色玻璃制造，化學氣相淀積五、其他含硅化合物

1、硅化物（silicides）

(1)IA、IIA族硅化物：Ca2Si、CaSi、CaSi2不穩(wěn)定，與水反應(2)副族元素硅化物

Mo3Si、Mo5Si3、MoSi、MoSi2高熔、沸點，不溶于HF和王水，僅溶于HF－HNO3混合液或者在堿液中。導電

WSi2（2165℃），Ti5Si3（2120℃），V5Si3（2150℃）：高溫材料

2．SiHal4，Si3N4，SiC，SiS2

(1)structure：正四面體結(jié)構(gòu)單元：SiHal4、

SiS4、SiN4、SiC4

(2)properties

a．與堿反應

b．Hydrolysis

(3)SiHal4的制備

§16-4鍺分族一、單質(zhì)

1、物理性質(zhì)

（1）鍺為銀白色的脆性金屬，有一定的硬度。而鉛是暗灰色，重而軟的金屬

（2）錫有三種同素異性體-灰錫、白錫和脆錫。2、化學性質(zhì)

（1）與酸的反應

Ge不與非氧化性酸作用,與氧化性酸反應生成Ge(IV)

Pb與任何濃度的硝酸反應都得到Pb(NO3)2

β-錫酸(xSnO2·yH2O)

（2）與堿反應

（3）與氧的反應

高溫下都能反應，常溫下只有Pb能（4）與其它非金屬的反應

鍺分族金屬能同鹵素和硫生成鹵化物和硫化物（5）與水的反應

鍺、錫不與水反應，鉛有空氣存在的條件下反應二、氧化物及其水合物

1、氧化物

MO2都是共價型、兩性偏酸性，MO兩性偏堿性Pb2O3(PbO·PbO2)（黃色）Pb3O4(2PbO·PbO2)（紅色）不溶于水PbO2的氧化性

（鑒定Mn2+)

2、氫氧化物

三、鹵化物

MHal4和MHal2

1、MHal4具有共價化合物的特征，熔點低，易揮發(fā)或升華。MHal2為離子型化合物，熔點較高。

2、水解性

3、鹵配陰離子

4、PbCl4不穩(wěn)定-惰性電子對效應從上到下MHal2越來越穩(wěn)定，而MHal4越來越不穩(wěn)定α-錫酸

α-錫酸溶解于濃HCl，KOH，而β-錫酸不溶四、硫化物

1、

2、制備：3、