無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)課件 14章 碳族元素

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1、14-1 碳單質(zhì)及其化合物碳單質(zhì)及其化合物 Carbon and its compounds 14-2 硅單質(zhì)硅單質(zhì)及其化合物及其化合物 Silicon and its compounds 14-3 鍺、錫、鉛鍺、錫、鉛 Germanium,Stannum and Plumbum p區(qū)及碳族元素在周期表中的位置14-0 概述概述 第第 14 族元素又稱碳族元素，包括碳、硅、鍺、錫、鉛五種元素。族元素又稱碳族元素，包括碳、硅、鍺、錫、鉛五種元素。碳和硅在自然界分布很廣，硅在地殼中的含量?jī)H次于氧，其豐度在所有碳和硅在自然界分布很廣，硅在地殼中的含量?jī)H次于氧，其豐度在所有元素中居第二位。除碳、硅外，

2、其他碳族元素比較稀少，但錫和鉛礦藏元素中居第二位。除碳、硅外，其他碳族元素比較稀少，但錫和鉛礦藏富集，易提煉，并有廣泛的應(yīng)用。富集，易提煉，并有廣泛的應(yīng)用。在碳族元素中，碳和硅是非金屬元素，硅雖然也呈現(xiàn)較弱的金屬性，在碳族元素中，碳和硅是非金屬元素，硅雖然也呈現(xiàn)較弱的金屬性，但仍以非金屬性為主；鍺、錫、鉛是金屬元素，其中鍺在某些情況下也但仍以非金屬性為主；鍺、錫、鉛是金屬元素，其中鍺在某些情況下也表現(xiàn)出非金屬性。表現(xiàn)出非金屬性。碳族元素的價(jià)層電子組態(tài)為碳族元素的價(jià)層電子組態(tài)為 ns2np2，因此它們能生成氧化值，因此它們能生成氧化值+4 和和+2 的化合物，碳還能生成氧化值為的化合物，碳還能生

3、成氧化值為-4-4 的化合物。碳族元素的最高氧化的化合物。碳族元素的最高氧化值的化合物主要是共價(jià)型的。第二周期的碳元素形成化合物時(shí)，值的化合物主要是共價(jià)型的。第二周期的碳元素形成化合物時(shí)，碳原碳原子的配位數(shù)不超過(guò)子的配位數(shù)不超過(guò) 4，而其他碳族元素除形成配位數(shù)為，而其他碳族元素除形成配位數(shù)為 4 的化合物外，的化合物外，還能形成配位數(shù)為還能形成配位數(shù)為 6 的配位個(gè)體的配位個(gè)體。在碳族元素中，隨著原子序數(shù)的增大，最高氧化值的化合物的穩(wěn)在碳族元素中，隨著原子序數(shù)的增大，最高氧化值的化合物的穩(wěn)定性降低，惰性電子對(duì)效應(yīng)表現(xiàn)得比較明顯。定性降低，惰性電子對(duì)效應(yīng)表現(xiàn)得比較明顯。碳碳硅硅鍺鍺錫錫鉛鉛元素符

4、號(hào)元素符號(hào)CSiGeSnPb原子序數(shù)原子序數(shù)614325082價(jià)層電子組態(tài)價(jià)層電子組態(tài)2s22p23s23p24s24p25s25p26s26p2共價(jià)半徑共價(jià)半徑/pm77117122141175沸點(diǎn)沸點(diǎn)/43293265283026021749熔點(diǎn)熔點(diǎn)/35501412937232327電負(fù)性電負(fù)性2.51.81.81.81.8Ei,1/(kJmol-1)1039793767715722Eea/(kJmol-1)122137116116100E(/)/V)/V0.15391.458E(M2+/M/M)/V)/V-0.1410-0.1266氧化值氧化值-4,+4-4,+4+2,+4+2,+4+

5、2,+4碳族元素的一般性質(zhì)CSiGeSnPb14-1 碳單質(zhì)及其化合物碳單質(zhì)及其化合物 Carbon and its compounds14-1-1 碳元素單質(zhì)碳元素單質(zhì) 1 1 碳的同素異形體碳的同素異形體 （1）金剛石）金剛石 金剛石是原子晶體，每個(gè)碳原子都以金剛石是原子晶體，每個(gè)碳原子都以 sp3 雜化軌道與另外四個(gè)碳原子雜化軌道與另外四個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵，構(gòu)成正四面體。由于形成共價(jià)鍵，構(gòu)成正四面體。由于 CC 鍵的鍵能很大，鍵的鍵能很大，C 的價(jià)電子又都的價(jià)電子又都參與形成共價(jià)鍵，所以金剛石不僅硬度大、熔點(diǎn)極高，而且不導(dǎo)電。參與形成共價(jià)鍵，所以金剛石不僅硬度大、熔點(diǎn)極高，而且不導(dǎo)電。金

6、剛石的結(jié)構(gòu)金剛石的結(jié)構(gòu) （2）石墨）石墨 石墨具有層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)每個(gè)碳原子都以石墨具有層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)每個(gè)碳原子都以 sp2 雜化軌道與鄰近的三雜化軌道與鄰近的三個(gè)碳原子形成共價(jià)單鍵，構(gòu)成六角平面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)又個(gè)碳原子形成共價(jià)單鍵，構(gòu)成六角平面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)又連成片狀結(jié)構(gòu)。同一層中的每個(gè)碳原子均剩余一個(gè)未參加雜化的連成片狀結(jié)構(gòu)。同一層中的每個(gè)碳原子均剩余一個(gè)未參加雜化的 2p 軌軌道，其中有一個(gè)未成對(duì)電子，同層中碳原子的道，其中有一個(gè)未成對(duì)電子，同層中碳原子的 2p 軌道相互重疊，形成軌道相互重疊，形成一個(gè)垂直于平面層的由一個(gè)垂直于平面層的由 Ne 個(gè)原子個(gè)原子 Ne 個(gè)電

7、子形成的大個(gè)電子形成的大鍵。大鍵。大鍵的電鍵的電子可以在整個(gè)平面層中流動(dòng)，所以石墨具有層向的良好導(dǎo)電性和導(dǎo)熱子可以在整個(gè)平面層中流動(dòng)，所以石墨具有層向的良好導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。石墨的層與層之間距離較大，層與層之間的作用力是范德華力，性。石墨的層與層之間距離較大，層與層之間的作用力是范德華力，容易沿著與層平行的方向滑動(dòng)、裂解，因此石墨質(zhì)軟且具有潤(rùn)滑性。容易沿著與層平行的方向滑動(dòng)、裂解，因此石墨質(zhì)軟且具有潤(rùn)滑性。石墨的結(jié)構(gòu)石墨的結(jié)構(gòu) （3）碳原子簇）碳原子簇 由由 N 個(gè)碳原子組成的個(gè)碳原子組成的 CN 分子分子(N 0,反應(yīng)反應(yīng)2CO+O2=2CO2 rS 1173KSi(粗粗)+2Cl2 SiCl

8、4，Si(粗粗)+3HCl SiHCl3+H2673-773 K553-573 KSiCl4+2H2 Si(純純)+4HCl，SiHCl3+0.5 H2 Si(純純)+3HCl1273K粗餾提純粗餾提純區(qū)域融熔區(qū)域融熔單晶硅單晶硅自自 燃：燃：SiH4+O2 SiO2+H2O強(qiáng)還原性：強(qiáng)還原性：SiH4+2 KMnO4 2 MnO2+K2SiO3+H2O+H2(g)水水 解：解：SiH4+(n+2)H2O SiO2 nH2O+4H2(g)熱穩(wěn)定性差：熱穩(wěn)定性差：SiH4 Si+2 H25002 2 硅烷的性質(zhì)硅烷的性質(zhì) 3 3 用途用途 14-2-4 硅的鹵化物硅的鹵化物 SiX4 性質(zhì)性質(zhì)(

9、水解水解)SiF4+4H2O H4SiO4+4H3O+2 SiF62-(比比 H2SO4 酸性還強(qiáng)酸性還強(qiáng))SiCl4+4H2O H4SiO4+4HCl(產(chǎn)生白色酸霧產(chǎn)生白色酸霧)SiF4+2HF H2SiF6 制備制備 SiO2+4 HF SiF4+2 H2OSi+2 Cl2 SiCl4SiO2+2 C+2 Cl2 SiCl4+2 CO 物性物性SiF4 SiCl4 SiBr4 SiI4聚集態(tài)聚集態(tài) g l l s分子量分子量 小小 大大溶沸點(diǎn)溶沸點(diǎn) 低低 高高14-3 鍺、錫、鉛鍺、錫、鉛 Germanium,Stannum and Plumbum14-3-1 鍺、錫、鉛單質(zhì)鍺、錫、鉛單質(zhì)

10、 鍺常與許多硫化物礦共生。此外，以鍺常與許多硫化物礦共生。此外，以 GeO2 的形式富集在煙道灰中。的形式富集在煙道灰中。鍺礦石用硫酸和硝酸的混合酸處理后，轉(zhuǎn)化為鍺礦石用硫酸和硝酸的混合酸處理后，轉(zhuǎn)化為 GeO2，然后溶解于鹽酸中，然后溶解于鹽酸中生成生成GeCl4，經(jīng)水解生成純，經(jīng)水解生成純 GeO2，再用，再用 H2 還原，得到金屬鍺。還原，得到金屬鍺。P-451 鍺是一種灰白色的金屬，比較脆硬，其晶體結(jié)構(gòu)也是金剛石類型。鍺是一種灰白色的金屬，比較脆硬，其晶體結(jié)構(gòu)也是金剛石類型。高純度的硅和鍺是良好的半導(dǎo)體材料，在電子工業(yè)上用于制造各種半高純度的硅和鍺是良好的半導(dǎo)體材料，在電子工業(yè)上用于制

11、造各種半導(dǎo)體元件。導(dǎo)體元件。鉛主要以硫化物和碳酸鹽的形式存在，從方鉛礦制備單質(zhì)鉛是先將礦鉛主要以硫化物和碳酸鹽的形式存在，從方鉛礦制備單質(zhì)鉛是先將礦石焙燒轉(zhuǎn)化為相應(yīng)氧化物，然后用炭還原得到鉛。石焙燒轉(zhuǎn)化為相應(yīng)氧化物，然后用炭還原得到鉛。P-452 低溫下白錫轉(zhuǎn)變?yōu)榉勰畹幕义a低溫下白錫轉(zhuǎn)變?yōu)榉勰畹幕义a的速率加快，錫制品長(zhǎng)期放置在低的速率加快，錫制品長(zhǎng)期放置在低溫下會(huì)自行毀壞溫下會(huì)自行毀壞錫疫。錫疫。鉛是很軟的重金屬，硬度不高。鉛能擋住鉛是很軟的重金屬，硬度不高。鉛能擋住 X 射線，在用射線，在用 X 射線診斷射線診斷疾病時(shí)常用作防護(hù)屏。疾病時(shí)常用作防護(hù)屏。他們的熔點(diǎn)都較低，它們常用于制造合金

12、。此外，鉛可用作電纜的他們的熔點(diǎn)都較低，它們常用于制造合金。此外，鉛可用作電纜的包皮、鉛蓄電池的電極、核反應(yīng)堆的防護(hù)屏等。包皮、鉛蓄電池的電極、核反應(yīng)堆的防護(hù)屏等。錫、錫、在常溫下表面形成一層保護(hù)膜，因此在空氣和水中都比較穩(wěn)在常溫下表面形成一層保護(hù)膜，因此在空氣和水中都比較穩(wěn)定，有抗腐蝕性。馬口鐵就是表面鍍錫的薄鐵皮。定，有抗腐蝕性。馬口鐵就是表面鍍錫的薄鐵皮。24Sn(OH)14-3-2 鍺、錫、鉛化合物鍺、錫、鉛化合物 24Sn(OH)1 1 鍺、錫、鉛的氧化物鍺、錫、鉛的氧化物 3Pb(OH)4MnO 2 2 鍺、錫、鉛的含氧酸或氫氧化物鍺、錫、鉛的含氧酸或氫氧化物 222HGeO HS

13、nO HPbO4MnO2HMO3 3 鍺、錫、鉛的鹵化物鍺、錫、鉛的鹵化物 4MnO3 3 鍺、錫、鉛的鹵化物鍺、錫、鉛的鹵化物 b還原性（鑒定還原性（鑒定Sn2+）SnCl2+2HgCl2 SnCl4+Hg2Cl2（白）（白）Hg2Cl2+SnCl2 SnCl4+2Hg（黑）（黑）(2)GeCl4、SnCl4也強(qiáng)烈水解也強(qiáng)烈水解 GeCl4+2H2O GeO2+4HCl SnCl4+4H2O Sn(OH)4+4HCl 在鹽酸中：在鹽酸中：SnCl4+2HCl H2SnCl6 (3)PbCl2在冷水中溶解度小，但在熱水中溶解度大，在鹽酸中溶解在冷水中溶解度小，但在熱水中溶解度大，在鹽酸中溶解度增大，度增大，因?yàn)橐驗(yàn)?PbCl2+2Cl (4)PbCl4在低溫下穩(wěn)定，在常溫下即分解：在低溫下穩(wěn)定，在常溫下即分解：PbCl4 PbCl2+Cl2 PbF4 m.p.=600 PbCl4 m.p.=1524PbCl 4 4 鍺、錫、鉛的硫化物鍺、錫、鉛的硫化物 24SnCl23SnS+H23SnS 作業(yè)：作業(yè)：3 3，9 9，1313，1818，2020，2121