第13章p區(qū)元素1碳族

第13章P區(qū)元素（一）硼族和碳族13.3

碳族元素（IVA族）C

Si

Ge

Sn

Pb12-2-1

碳族元素概述0ⅢAⅣAⅤAⅥAⅦAHe氦2B

硼C

碳N

氮O

氧F

氟Ne氖3Al

鋁Si

硅P

磷S

硫Cl

氯Ar

氬4Ga

鎵Ge

鍺As砷Se

硒Br

溴Kr

氪5In

銦Sn

錫Sb銻Te

碲I

碘Xe氙6Tl

鉈Pb

鉛Bi

鉍Po

釙At

砹Rn

氡13-3-1

碳族元素概述稱為碳族元素ⅣA原子序數(shù)碳(C)

硅(Si)

鍺(Ge)

錫(Sn)

鉛(Pb)6

14

32 50

8222價層電子構(gòu)型

2s

2p 3s

3p 4s

4p 5s

5p 6s

6p主要氧化數(shù)

0、+2 0、+2 0、(+2) 0、+2 0、++4

+4

+4

+4

+4原子半徑/pm

77

117

122

141

175離子

r(M4+)/pm

16

40

53

69

78半徑

r(M2+)/pm

-

-

73

118

119I1/(kJ·mol-1)

1402

1012

947

834

703χ

3.0

2.1

2.0

1.9

1.9灰要以錫石(SnO2)存在白色金屬、質(zhì)軟、延展性好、無毒、耐腐蝕素異形體：灰錫白錫(最穩(wěn)定)脆錫體類型

金剛石

金屬型錫(α-Sn)

>13℃白錫(β

-Sn)>161℃脆錫(γ-Sn)<-13℃白錫變?yōu)榉勰罨义a，此現(xiàn)象叫“錫疫”。電負性(

p)2

2

2

2

2

2

2

2

2鉛主要以方鉛礦常以硫化物伴生在常

以硫化物伴生在(PbS)形式存在是很軟的重金屬，強度不高其它

金屬硫化物礦中其它金屬硫化物礦中它能擋住X射線，可制造鉛玻璃是暗灰色、重而軟的金屬是暗灰色、重而軟的金屬導(dǎo)體材料。電池等。主

分布廣銀

在地殼上的含量僅同

主要以硅酸鹽礦和石晶鉛圍裙晶等態(tài)防鍺護是用重品要和的防材料、電纜包皮及鉛含量不多，分布廣，是地球上化合物種類最多的元素之—，

英是生物界的主要元素。半X蓄含量不多，分布廣，是地球上化合物種類次于氧最多的元素之—，

礦存在。、射線的屏蔽是生物界的主要元素。常溫下錫表面上有一層保護膜，在空氣和水中穩(wěn)定，可防腐蝕。馬口鐵(鍍錫鐵)是食品罐頭材料。制造焊錫、青銅等。原子半徑/pm

77

117

122

141

175離子

r(M4+)/pm

16

40

53

69

78半徑

r(M2+)/pm

-

-

73

118

119I1/(kJ·mol-1)

1402

1012

947

834

703ⅣA碳(C)硅(Si)鍺(Ge)錫(Sn)鉛(Pb)原子序數(shù)614325082價層電子構(gòu)型2s22p23s23p24s24p25s25p26s26p2主要氧化數(shù)0、+20、+20、(+2)0、+20、+2+4+4+4+4+4主要化合物

+4

+2、+4

+2(4)的氧化數(shù)高氧化數(shù)化合物穩(wěn)定性減小低氧化數(shù)化合物穩(wěn)定性增大即惰性電子對效應(yīng)明顯電負性(p)3.02.12.01.91.96

14

32

50

822

2

2

2

2

2

2

2

2

20、+2 0、+2 0、(+2) 0、+2 0、+2+4

+4

+4

+4

+4ⅣA碳(C)硅(Si)鍺(Ge)錫(Sn)鉛(Pb)原子序數(shù)典型非金屬準金屬典型金屬價層電子構(gòu)型2s

2p3s

3p4s

4p5s

5p6s

6p主要氧化數(shù)非金屬性減弱，金屬性增強原子半徑/pm77117122141175離子半徑r(M4+)/pm1640536978r(M2+)/pm--73118119I1/(kJ·mol-1)14021012947834703電負性(p)3.02.12.01.91.91.碳的同素異形體金剛石 石墨富勒烯碳原子簇（如C60）13-3-2

碳及其重要化合物碳的同素異形體原子晶體熔點高、硬度大室溫下性質(zhì)惰性薄膜可制作手術(shù)刀、集成電路、散熱芯片及各種敏感器件。金剛石俗稱鉆石，可作裝飾品。工業(yè)上用作鉆頭、刀具、精密軸承等。其名稱來源于希臘文“Adamas”，意為堅硬無敵。碳的同素異形體層狀結(jié)構(gòu)有金屬光澤質(zhì)軟、能導(dǎo)電可作電極、坩堝、潤滑劑、鉛筆芯等。通常情況下，石墨比金剛石穩(wěn)定。在工業(yè)上可采用靜態(tài)加壓法由石墨合成金剛石。石墨碳的同素異形體C60的分子結(jié)構(gòu)由60個碳原子組成的32面體的空心球結(jié)構(gòu)富勒烯碳原子簇C60比較穩(wěn)定將堿金屬摻入C60晶體中,可制造超導(dǎo)材料。富勒烯碳原子簇可作高溫潤滑劑、耐熱和防火材料。在酶抑制、抗病毒、DNA切割、光動力醫(yī)療法等有廣泛應(yīng)用前景。12-2-2

碳及其重要化合物2.碳酸CO2溶于水即形成碳酸CO2

+

H2O

H2CO3大部分CO2以水合分子形式存在僅存在于水溶液中，至今尚未制得純碳酸。二元弱酸H2CO3HCO3-HCO3

+H-

+CO3

+

H2-

+K

a(1)

=4.5×10-7K

a(2)=4.7×10-113.碳酸鹽:正鹽和酸式碳酸鹽如CaCO3(難溶）

Ca(HCO3)2(易溶)(1)溶解性鐘乳石、石筍的形成自碳然酸界鹽—石—灰除石N等H在4+、C堿O金2、屬H(2LOi除作外用)下鹽，CaCO3+C一O般2+難H溶2O?！鶦a(HCO3)2碳(酸難氫溶鹽)——一般易溶。(易溶)隨難著溶自碳然酸條鹽對件應(yīng)的的變碳化酸，氫鹽易溶上述反應(yīng)逆向重新析出CaCO3溶洞碳酸鹽——正鹽和酸式碳酸鹽(1)溶解性易溶碳酸鹽對應(yīng)的碳酸氫鹽溶解向碳酸濃鹽碳—酸—鈉除溶N液H4中+、通堿入金C屬O(2L致i除飽外和)鹽，可一析般出難N溶aHCO3碳N酸a

氫CO鹽—+C—O一般+H易O溶→2NaHCO2

3

2

2

3難(易溶溶碳酸)

鹽對應(yīng)的碳酸氫鹽(溶易解溶.度小)如CaCO3(難溶如）

Ca(HCO3)2(難溶)因為HCO3-之間易形成氫鍵：HCO3-可形成二聚離子。度較小.碳酸鹽——水溶液呈堿性(2)水解性堿式碳酸鹽反應(yīng)物度

金屬氫氧化物>對應(yīng)碳酸鹽 碳酸鹽2+Ba

+CO2-3

3解金屬氫氧化物≈對如應(yīng)碳酸鹽2F碳e3酸++氫3C鹽O—2—-+3水H溶O液→呈2微Fe堿(O性H)

+3CO3

2

3

2如→BaCO332

222

3322AC可lu3溶+2++性+32碳CCOO酸鹽22--++與H3金HO屬→O離C→子u

2作(AO用Hl()有OC三HO種)沉++33淀CCO形O式2

2322Mg2++3CO

2-+H

O→Mg

(OH)

CO2

2

生3+3CO成物2溶金屬氫2A氧g+化+C物O3<2對-如→應(yīng)碳酸Ag鹽2CO氫3

氧化物2.熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性差，易分解一M般C規(guī)O律→MO+CO3

2(2)碳酸鹽>3碳酸氫鹽2

>碳3酸(1)M堿H金C屬O鹽>→堿土M金C屬O鹽+>過H渡O金+C屬O鹽>銨鹽2

23.熱穩(wěn)定性解釋——利用CO32-離子極化概念在CO32-中，C采取sp2雜化，CO32-呈平面三角形。2.熱穩(wěn)定性3.熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性差，易分解—般規(guī)律H+極化力強，反極化作用大(1)堿金屬鹽>堿土金屬鹽>過渡金屬鹽>銨鹽

(2)碳酸鹽>碳酸氫鹽>碳酸解釋——根據(jù)離子極化概念1.當無外電場時，CO32-中三個O2-被C4+極化而變形。2.金屬離子相當于外電場，對臨近的一個

O2-產(chǎn)生反極化作用.當反極化作用強烈,可導(dǎo)致CO32-破裂，碳酸鹽分解。3.金屬離子的極化力越強，其反極化作用越強，碳酸鹽越不穩(wěn)定。金屬離子極化力增大+

_+_+_+_+_+_+__+_+Mn+r(Mn+)/pmMn+電子構(gòu)型

2

8(1)堿金屬碳酸鹽穩(wěn)定，難分解Li+

Na+

M電g2荷+C少a2+

,S半r2+徑Ba大2+60

95

658電99子1構(gòu)13

型135極化力小反8

極8化作8

用8小分解溫度/℃

1100

1800 40碳2

8酸14鹽10穩(wěn)981定2773.熱穩(wěn)定性金屬離子極化力增大，碳酸鹽穩(wěn)定下降。+

__++_+_+_+_+__+_+Mn+Li+Na+Mg2+Ca2+Sr2+Ba2+r(Mn+)/pm60956599113135Mn+電子構(gòu)型288888分解溫度/℃1100180040281410981277(2)碳酸鹽:堿土金屬比堿金屬不穩(wěn)定金屬離子極化力增大+

_++_+

+__+同—周期_+電荷半徑_+反極化作用_+穩(wěn)定性堿金屬_∨_∧

∧∨堿土金屬Mn+Li+

Na+

Mg2+

Ca2+

Sr2+

Ba2+r(Mn+)/pm

60

95

65

99

113

135Mn+電子構(gòu)型

2分解溫度/℃

1100

1800

402 814

10981277(3)

堿土金屬碳酸鹽從Mg到Ba穩(wěn)定性增強8

半徑8

,反8

極化8作用8+

_+_+_+_+_+_+__+_+金屬離子極化力增大，碳酸鹽穩(wěn)定下降。Mn+Fe2+Cd2+Pb2+Ag+r(Mn+)/pm7497120126Mn+電子構(gòu)型9

171818+218分解溫度/℃282360315218(4)

過渡金屬碳酸鹽穩(wěn)定性較差+

__+__+_+_+_+

+

+_+_過渡金屬離子具有非8電子構(gòu)型極化力強,反極化作用強過渡金屬離子具有非8電子構(gòu)型,極化金力屬離強子極,化反力極增大化，碳作酸用鹽穩(wěn)強定下降。CO2溶解于水生成碳酸，它是弱酸，僅存在于水溶液中，碳酸鹽是相當多的一類物質(zhì)。碳酸根的結(jié)構(gòu)OCOOOH2-OCHOO

HO-正鹽

酸式鹽

碳酸∏46熱穩(wěn)定性：正鹽>酸式鹽>酸OC∏3413.3.3

硅及其重要化合物1.

單質(zhì)硅分為晶體硅和無定形硅。晶體硅：結(jié)構(gòu)類似于金剛石，熔點、沸點高，硬而脆。無定形硅：灰黑色粉末，硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑。與強堿、HF酸反應(yīng)。硅是最重要的半導(dǎo)體材料，純度要達9個9。化學(xué)性質(zhì)１、與非金屬反應(yīng)Si+F2==SiF4△Si+2X2＝SiX4(X=Cl,Br)△Si＋O2＝SiO21573K3Si＋2N2＝==Si3N4Si在含氧酸中被鈍化，但與氫氟酸及其混合酸反應(yīng)，生成SiF4或H2SiF6:3Si+4HNO3+18HF＝3H2SiF6+4NO↑+8H2O2、與酸反應(yīng)常溫下Si只能與

F2反應(yīng)，在F2中燃燒，生成SiF43、與堿反應(yīng)無定形硅能與強堿反應(yīng)放出氫氣：Si＋2NaOH＋H2O＝Na2SiO3＋2H2↑4、與金屬反應(yīng)與鈣、鎂、銅、鐵等化合生成硅化物：高溫Si＋2Mg========Mg2Si2.鹵化物通式為SiX4,均為無色常溫

SiF4

SiCl4

SiBr4

SiI4氣體

液體

液體

固體制取2CaF2+SiO2+2H2SO42CaSO4+SiF4

+2H2O?硫酸與螢石和石英砂的混合物作用2.鹵化物4氣體

液體

液體

固體性質(zhì)與HF作用

2HF+SiF4

→

H2[SiF6]純氟硅酸不存在,在水溶液中穩(wěn)定氟硅酸的酸性與硫酸相近通式為重SiX要,鹽均(N為a無2[S色iF6])是農(nóng)業(yè)殺蟲、滅菌劑、木材防腐劑常可溫用于S制iF4造抗SiC酸l4水S泥iB、r4搪S瓷iI等42.鹵化物通式為SiX4,均為無色SiBr4SiI4氣體

液體

液體

固體制取1.加熱硅與氯

Si

+

Cl2

?

SiCl42.將二氧化硅、氯、碳直接加熱SiO2+2C+2Cl2

?

SiCl4+2CO常溫

SiF4

SiCl4性質(zhì)1.刺激性無色液體2.易水解，在潮濕空氣中產(chǎn)生濃煙SiCl4+3H2O

→

H2SiO3+4HCl若NH3與SiCl4同時蒸發(fā)，因生成NH4Cl，煙霧更濃，用于做煙幕彈。3.二氧化硅(硅石)水晶——無色透明的純石英紫水晶(含少量Mn)碧玉煙水晶瑪瑙雞血石蛋白石(貓眼石)有兩種形態(tài)如無定形硅藻土晶體石英2.二氧化硅(硅石)有兩種形態(tài)

無定形晶體石英在1600℃時熔化成粘稠液體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變?yōu)椴灰?guī)則狀態(tài)，若急劇冷卻，因粘度大不易再結(jié)晶而形成石英玻璃。如

硅藻土

石英石英玻璃具有許多特性1.熱膨脹系數(shù)小，驟冷驟熱不宜破碎。2.能透過可見光和紫外光，可制造高級化學(xué)器皿和光學(xué)儀器。3.制光導(dǎo)纖維2.二氧化硅(硅石)有兩種形態(tài)如無定形硅藻土晶體石英4

2a2CO3

Na2SiO3+與一般酸不起反應(yīng)，與氫氟酸反應(yīng)SiO2

+

4HF

→

SiF +

H

O說明可用HF在玻璃上刻字！與氫氧化鈉或純堿共熔SiO2

+2NaOH

Na2SiO3+2H2OSiO2

+

N

CO2說明不能用磨口玻璃瓶盛堿！3.硅酸形式很多，組成常以xSiO2·yH2O表示隨形成條件而異硅酸名稱化學(xué)式xy備

注正硅酸H4SiO412偏硅酸H2SiO311二偏硅酸H2Si2O521x≥2多硅酸三偏硅酸H4Si3O832焦硅酸H6Si2O723通常以H2SiO3表示硅酸溶解度小SiO3

+

2H2-

+→

H2SiO3二元弱酸H2SiO3

HSiO3

+H

K

a(1)=2.5×10-

+

-10HSiO3

SiO3

+

H

K

a(2)=1.6×10-

2-

+

-12開始生成可溶于水的單硅酸，以后逐步縮合脫水成硅酸溶膠。OH

OHOH

Si

OH+OH

SiOHOH

OHHO

Si

O

SiOH+H2OOH

OH

OH

OH3.硅酸溶液溶膠懸浮液顆粒大小/nm<1.01

–100>1003.

硅酸在稀硅酸溶膠中加入電解質(zhì)或凝膠在適當濃度硅酸鹽溶液中加酸硅酸凝膠為多硅酸，含大量的水，軟而透明，有彈性。12-2-4

硅及其重要化合物硅膠脫去凝膠中大部分水,得硅酸干膠(硅膠)硅膠為稍透明白色固體。硅膠有很強的吸附能力,可作吸附劑、干燥劑、催化劑的載體。變色硅膠——含氯化鈷的硅膠吸水烘烤、脫水含

無水CoCl2

[Co(H2O)6]2+3.硅酸鹽SiO2+

M2O

→

M2SiO3SiO2+

2M2O

→

M4SiO4過渡金屬硅酸鹽難溶于水,并具有特征顏色可制作水中花園。CuSiO3

藍綠色

MnSiO3淺紅色NiSiO3

翠綠色

Al2(SiO3)3無色透明CoSiO3

紫色

Fe2(SiO3)3紅棕色制?。篠iO2與堿性氧化物共熔。性質(zhì)：1.除堿金屬硅酸鹽外，一般難溶過渡金屬硅酸鹽難溶于水,并具有特征顏色，可制作水中花園。CuSiO3

藍綠色NiSiO3

翠綠色CoSiO3

紫色MnSiO3淺紅色Al2(SiO3)3無色透明Fe2(SiO3)3紅棕色3.硅酸鹽制?。篠iO2與堿性氧化物共熔性質(zhì)：1.除堿金屬硅酸鹽外，一般難溶

2.硅酸鈉強烈水解,水溶液呈堿性硅酸鈉水溶液俗稱水玻璃,又稱“泡花堿”添加劑，還可作粘合劑、密封膠等。2NH3

+2H2OSiO32-的鑒定——加入NH4ClS市iO售32-水+2玻N璃H4為++粘2H稠2O狀→液H體2S，iO實3

為+2是NH多3硅·H2O酸鈉。用途廣泛，紡織、造紙、肥皂的硅酸鹽玻璃、水泥、陶瓷都含有硅酸鹽普通玻璃組成：Na2SiO3·CaSiO3·4SiO2加入不同的氧化物可呈現(xiàn)不同顏色加入氧化物玻璃顏色氧化鈷藍色氧化鈰淺紅色Fe2O3黃色市場出售的玉(即翡翠)為:NaAl(SiO3)2市場出售的玉(即翡翠)為:NaAl(SiO3)2天然硅酸鹽種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。高嶺土泡沸石正長石白云母石棉滑石天然硅酸鹽晶體的基本結(jié)構(gòu)單元是：SiO它們的SiO4四面體的排列方式各不不同。OOO（1）硅氧四面體共用兩個頂點，可連接成長鏈：這種鏈狀硅酸根之間，通過陽離子相互結(jié)合成束，即成纖維狀硅酸鹽，如石棉。通式[

Si

n

O

3n

+1

]

(2n

+

2

)

－4－（2）

SiO4

共三個頂點相聯(lián)，可形成片狀（層狀）結(jié)構(gòu)，層與層之間通過陽離子約束，得片層狀硅酸鹽。如云母

KMg3

(

OH

)2

Si3

AlO10金云母

H4K2Mg6Al2Si6O24分子篩泡沸石是一種天然分子篩。_分子篩——起“篩選”作用能讓氣體或液體混合物中直徑比孔徑小的分子通過，直徑大的留在外面。分子篩的通式：Mx/n[(AlO2)x(SiO)y]·mH2OM——金屬陽離子,一般為Na+、K+、Na+n——金屬陽離子電荷數(shù)x/n——金屬陽離子個數(shù)分子篩人工合成分子篩以氫氧化鈉、鋁酸鈉、水玻璃為原料型號組成4A型Na12[Al12Si12O48]·27H2O13X型Na86[Al86Si106O384]·264H2OY型Na56[Al56Si136O384]·250H2O絲光沸石型Na8[Al8Si40O96]·24H2O絲XA型光和多沸Y用石型于型：氣：用體耐于的酸石干、油燥耐產(chǎn)、熱品吸，的收催和化凈裂化化分、離可在催高化溫加、氫強、酸催介化質(zhì)劑中的使載用體12-2-5

錫、鉛重要化合物13-3-5

錫、鉛重要化合物1.氧化物和氫氧化物+2 SnO(黑色) PbO(黃或黃紅色)氧化數(shù)+4 SnO2(白色

) PbO2(棕黑色

)混合氧化物Pb3O4

(鉛丹,防銹漆)鮮紅色相當于Pb2[PbO4]或

2PbO·PbO2Pb2O3

橙色Pb2[PbO4]+4HNO3

→

Pb(NO3)2+PbO2

+2H2OPbPbO3+2HNO3→

Pb(NO3)2+PbO2+H2OPbPbO3PbO·PbO22.氧化物和氫氧化物氧化數(shù)SnO(黑色)+2

Sn(OH)2(白色)兩性偏堿PbO(黃或黃紅色)Pb(OH)2(白色)兩性偏堿SnO2(白色

)

PbO2(棕黑色

)+4

Sn(OH)4(白色)

Pb(OH)4(棕色)兩性偏酸 兩性偏酸酸性增強堿性減弱、Sn(OH)2+2H+

→

Sn2+

+2H2OSn(OH)2+2OH-

→

[Sn(OH)4]2-Pb(OH)2+2H+

→

Pb2+

+2H2OPb(OH)2+2OH-

→

[Pb(OH)4]2-酸性減弱、堿性增強2.氧化物和氫氧化物酸性增強堿性減弱、)SnO(黑色)

PbO(黃或黃紅色+2

Sn(OH)2(白色)

Pb(OH)2(白色)氧化數(shù)

SnO2(白色

)

PbO2(棕黑色

)+4

Sn(OH)4(白色)

Pb(OH)4(棕色)兩性偏酸 兩性偏酸-H2OSn(OH)4正錫酸H2SnO3偏錫酸兩性偏堿-H2SnO3兩性偏堿-H2SnO3制取

Na2SnO3+HCl性質(zhì) 無定形粉末Sn+濃HNO3白色粉末溶于過量濃HCl和堿難溶于酸和堿酸性減弱、堿性增強2.鹽類1.錫(Ⅱ)在堿性、酸性介質(zhì)中均有的還原性堿性介質(zhì)：(黑色)此為鑒定鉍鹽的方法2Bi3++6OH-+3[Sn(OH)4]2-→2Bi

+3[Sn(OH)6]2-+

SnCl4酸性介質(zhì)：2HgCl2+SnCl2

→

Hg2Cl2(白色)Hg2Cl2

+SnCl2

→

2Hg +

SnCl4(黑色)SnCl2過量鑒定Sn2+的方法2Mn2++5PbO2+4H+→2MnO4-+5Pb2++2H2O(紫紅色)bO2+

4HCl(濃)

→

PbCl2

+Cl2

+

2H2O(白色)錫(Ⅱ)在堿性、酸性介質(zhì)中均有的還原性Pb(IV)的氧化性:PbO2是強氧化劑★錫(Ⅱ)易水解；SnCl4劇烈水解，在潮濕空氣中冒白煙。2P

SnCl2+

H2O

→

Sn(OH)Cl