第15章碳族元素 无机化学ppt课件.ppt

第 15 章 碳族元素,15-1 碳族元素通性,15-2 碳族元素单质及其化合物,15-3 无机化合物的水解性,15 1 碳族元素通性,一、概述,碳 C 单质 石墨，金刚石，C60，C70 无机化合物 CO2，白云石 MgCa(CO3)2，石灰石、大理石、方解石 CaCO3 有机化合物 动植物体，煤，石油，天然气 碳元素是构成有机物骨架的元素,二、自然界分布,硅 Si 以 SiOSi 键存在，丰度排第 2 位 存在于水晶、石英、SiO2 和其它硅酸盐矿物中 硅元素是构成无机物骨架的元素,锗 Ge 锗石矿 Cu2SFeSGeS2 锡 Sn 锡石矿 SnO2,云南个旧称为锡都 铅 Pb 方铅矿 PbS,152 碳单质及其化合物,1 碳的同素异形体,一、碳元素的单质,（1）金刚石 原子晶体，硬度最大，熔点（3823 K）最高的单质，化学性质很稳定。,碳原子 sp3 等性杂化，无离域 电子，不导电。,金刚石的晶体结构,15 2-1 单质,（2）石墨 硬度较小，熔点较高，表现出一定程度的化学活性。碳原子以 sp2 杂化，形成片层结构。,每个碳原子的未参与杂化的 p 电子，形成大 键。这些离域电子使得石墨具有良好导电性。层间的分子间力很弱，所以层间易于滑动，故石墨质软具有润滑性。可制作电极、热电偶、坩锅、铅笔芯等。,（3）碳原子簇 C60 室温下为分子晶体，具有较高的化学活性。60 个碳原子构成近似于球形的 32 面体，即由 12 个正五边形和 20 个正六边形组成，相当于截角正 20 面体。,每个碳原子以 sp2 杂化轨道和相邻三个碳原子相连，未参加杂化的 p 轨道在 C60 的球面形成大 键。,C60 分子(富勒烯)的结构,1985 年，C60 的发现是人类对碳认识的新阶段，是科学上的重要发现。美国科学家 Curl 和 Smalley 教授及英国科学家 Kroto 教授为此获得 1996 年诺贝尔化学奖。,2 碳单质的还原性,根据 rGm=rHm T rSm，作 rGm 随温度 T 的变化 曲线，是斜率为-rSm 的直线。,当 T T2 时，产物为 CO2，而不是 CO。,1 单质硅的性质,晶体硅呈灰黑色，高熔点，高硬度。硅的所有价电子参与 键的形成，在平常状态下不导电。当高纯硅中掺杂少于百万分之一的磷原子时，成键后就有了多余的电子；若杂质是硼原子，成键后就有了空轨道。高纯硅是良好的半导体材料。,二、单质硅,2 单质硅的制取,用区域熔融法进一步提纯得到生产半导体用的高纯硅。,三、锗、锡、铅单质,1 物理性质：锗 银白色，硬金属，熔点高，高纯锗是一种良好的半导体材料。铅 暗灰色，软金属，密度大，熔点低。锡 有三种同素异形体：白锡是银白略带蓝色的金属，有延展性，可以制成器皿。低温小心锡疫。,（4）与非金属的反应,与氧气作用：PbO，GeO2，SnO2,与卤素作用：PbCl2，GeCl4，SnCl4,与硫作用：PbS，GeS，GeS2，SnS，SnS2,1 一氧化碳,15-2-2 碳族元素的化合物,一、碳的氧化物,（2）工业制备：将空气和水蒸气交替通入红热炭层，通入空气时：2 C+O2=2 CO rHm=-221.04 kJmol-1 得到的气体的体积组成为：CO：CO2：N2=25：4：70（发生炉煤气）,通入水蒸气时的反应：C+H2O=CO+H2 rHm=131.30 kJmol-1 得到的混合气体的体积组成为：CO：CO2：H2=40：5：50（水煤气）,思考题：为什么制水煤气要将空气和水蒸气交替通入红热炭层？,提示：因为通入水蒸气时，体系吸收热量，温度降低，交替通入氧气才可以维持反应体系的温度。,（3）CO 的分子轨道式：,一个 键 两个 键(含一个配位键),（4）性质 1）在高温下，CO 能与许多过渡金属反应生成金属羰基配位化合物，例如 Fe(CO)5。,3）剧毒,2 二氧化碳,CO2 为非极性分子，分子结构为直线形 C 原子为 sp 等性杂化，2 个 键，两个 C、O 之间的化学键有一定的三键性质。,2 二氧化碳,工业上 CO2 用于制备纯碱、小苏打、碳酸氢氨、啤酒、饮料、干冰。,在常压下，干冰不经熔化，于 194.5 K 时直接升华气化，因此常用来做制冷剂和人工造雨。,着火的镁条在 CO2 气中能继续燃烧，所以 CO2 不助燃也是相对的。,二、硅的氧化物,1 二氧化硅,（1）结构：Si 采用 sp3 杂化轨道与氧形成硅氧四面体,化学键 轮廓线 氧原子 硅原子 氧原子 和硅原子,（2）形态：无定形硅藻土 晶体石英 纯石英（无色透明）叫水晶。不纯石英(有色):如紫水晶、烟水晶、碧玉、玛瑙、鸡血石、猫眼石等。普通砂粒是混有杂质的石英细粒。,（3）用途：石英玻璃（石英于 1700 熔化，急冷后形成，用来制备光学仪器和高级化学器皿）,硅胶的制备：,硅胶的组成属于 SiO2，但体系内部的硅氧四面体杂乱无序。300 C 活化后，可作为吸附剂。,浸透过 CoCl2 的硅胶为变色硅胶，根据由蓝变红判断硅胶的吸水程度。,思考题：酸性溶液中能和 PbO2 共存的物质是:(A)Cr2(SO4)3(B)MnSO4(C)Na2S(D)MnO2,答案：(D)MnO2,在碳酸根离子中，中心碳原子采用 sp2 等性杂化，与 3 个氧原子分别成 键，确定了平面三角形离子。,一、碳酸和碳酸盐,碳酸分子和碳酸根负离子的结构示意图,1523 碳族元素的含氧酸及其盐,碳酸 H2CO3 是二元弱酸，其解离平衡常数 如下:H2CO3 H+HCO3 4.46107 HCO3 H+CO32 4.681011 碳酸的盐类有两种碳酸盐和碳酸氢盐。,碱金属的碳酸盐，碳酸铵易溶于水，但 Li 和其它的金属的碳酸盐难溶于水。,CaCO3 等难溶的碳酸盐，其对应的碳酸氢盐 Ca(HCO3)2 等的溶解度则较大。,易溶的 Na2CO3 和(NH4)2CO3 等，其对应的碳酸氢盐 NaHCO3 和 NH4HCO3 的溶解度却相对较小。,溶解性：,热稳定性：（1）H2CO3 MHCO3 M2CO3,（2）同一族金属的碳酸盐稳定性从上到下增加 BeCO3 MgCO3 CaCO3 SrCO3 BaCO3分解 T/100 540 900 1290 1360,（3）过渡金属碳酸盐稳定性差 CaCO3 PbCO3 ZnCO3 FeCO3 分解 T/900 315 350 282 价电子构型 8e(18+2)e 18e(9-17)e,解释：离子极化,二、硅酸和硅酸盐,硅酸溶解度小，是二元弱酸：K1 3.01010，K2 21012,硅酸（x SiO2 y H2O)x=1，y=1，H2SiO3 偏硅酸 x=1，y=2，H4SiO4 正硅酸 x=2，y=1，H2Si2O5 二偏硅酸 x=2，y=3，H6Si2O7 焦硅酸,1、溶解性：除IA硅酸盐可溶外，其它皆难溶。常用的为可溶 Na2SiO3,Na2SiO3又称为水玻璃、泡花碱。长期贮放NaOH、Na2CO3的瓶子不用玻璃塞，而用橡胶塞。,3、硅酸盐结构：（1）单聚硅酸根 单个的硅氧四面体，例如自然界中的橄榄石 Mg2SiO4。,（2）二聚硅酸根 两个硅氧四面体通过共用一个氧原子连结起来，例如自然界中的钪硅石 Sc2Si2O7。,（3）链聚硅酸根：许多硅氧四面体连结成无限长的链，相邻两个硅氧四面体共用 1 个氧原子。阴离子硅酸根链之间分布着带正电的金属离子，靠静电引力使链结合在一起，这类硅酸盐具有纤维状结构，如石棉。,Si n O 3n+1(2n+2),蓝石棉,温石棉,（4）片状聚硅酸根：每一个硅氧四面体通过共用 3 个氧原子分别与邻近 3 个硅氧四面体连结，形成片层状结构，片层之间靠金属离子的静电引力结合在一起，如云母。,（5）网络状聚硅酸根：硅氧四面休间通过共用 4 个氧原子而组成各种三维网络结构。如果在某个硅氧四面体中有铝原子代替了硅原子，形成的铝硅酸根网络骨架中就带了负电荷，因此在骨架的空隙中必须有平衡骨架负电荷的阳离子存在。如用作催化剂或催化剂载体的沸石分子筛。,4 分子筛合成铝硅酸盐,自然界中存在的某些硅酸盐和铝硅酸盐具有笼形三维结构，可以有选择地吸附一定大小的分子，称为沸石分子筛。优点：分子筛的选择性远远高于活性炭等吸附剂。,三、锗、锡、铅的含氧酸或氢氧化物 1、酸碱性,2、Sn2+的还原性：在酸碱中，还原能力都比较强2 HgCl2+SnCl2+2 HCl Hg 2Cl2(白)+H2SnCl6Hg2Cl2+SnCl2 H2SnCl6+2 Hg(黑)（这两个反应用于鉴定 Sn2+）3 HSnO2+2 Bi 3+9 OH 3 Sn(OH)62+2 Bi(黑)+H2O（鉴定 Bi3+）,碱性条件下，还原性更强,1524 氢化物、卤化物、硫化物,一、硅的氢化物 化学式：SinH2n+2，最有代表性的是甲硅烷 SiH4。1 硅烷的制法,2 硅烷的性质,二、硅的卤化物,三、锗、锡、铅的卤化物,卤化物可以分成 MX2和 MX4 两大类。四碘化铅和四溴化铅不能稳定存在。,四、锗、锡、铅的硫化物,（1）颜色、溶解性、酸碱性+2+4 SnS(灰褐)SnS2(黄)PbS(黑)碱性 酸性 以上硫化物均难溶于水和非氧化性稀酸，而 GeS 和 GeS2 在水中有一定的溶解度。,（2）与 NaOH 和碱性硫化物反应:3 SnS2+6 NaOH 2 Na2SnO3+Na2SnS3+3 H2O GeS2(白)+Na2S Na2GeS3(硫代锗酸钠)SnS2(黄)+Na2S Na2SnS3 SnS2+(NH4)2S(NH4)2SnS3,153 无机化合物的水解性,一、影响共价化合物水解因素,1、内因：,离子的电荷和半径,金属离子或阴离子具有高电荷和较小的离子半径，它们对水分子有较强的极化作用，因此容易发生水解，反之，不易水解。,电子层结构,Zn2+，Cd2+和Hg2+等离子是18e-离子，易水解它们有较高的有效核电荷，极化作用较强；Ca2+，Sr2+和Ba2+等离子是8e-离子，不易水解较低的有效核电荷和较大的离子半径，极化作用较弱。,空轨道：发生水解需要水分子进攻，形成中间体，中心原子有无空轨道在这一步很重要。,2、外因 温度：因为水解反应是吸热过程，因而升高温度，有利于水解。溶液的酸碱性：对于单水解的盐而言，控制溶液的酸碱性，可拟制或促使盐的水解。,NF3 不水解NCl3水解 NCl3+3H2O=NH3+3HClO,二、水解产物类型,1、碱式盐：Sn2+、Bi3+(无机盐类),2、氢氧化物：Al3+、Mg2+等（金属盐类）,3、含氧酸非金属卤化物,4、配合和聚合,三、无机物水解的规律1.随着正，负离子的极化作用增强，水解反应加剧；2.温度对水解反应的影响很大；3.水解产物生成碱式盐，氢氧化物，含水氧化物 和酸的顺序与正离子的极化作用增强顺序一致；4.水解反应常伴有其它反应，常见的是氧化还原 和聚合反应。,作业：p765,5,8,13,18,19,