碳族元素
碳族元素
(二)碳的氧化物（CO2和CO）
1、CO2（1）物性：无色无味，密度比空气 大的气体，能溶于水，固体CO2称“干冰” （2）化学性质：a、具有酸性氧化物的通性 b、弱氧化性：CO2＋C＝2CO 点燃 CO2＋2Mg==2MgO+C （3）制取：工业上煅烧石灰石 : 高温 CaCO3==CaO+CO2 实验室：CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2+H2O 固体＋液体－气（不加热）可启普发生器及 简易装置
练习：某无色溶液可能由Na2CO3 、MgCl2 、 NaHCO3 、BaCl2 中的一种或几种混合而成.往 溶液中加入烧碱溶液出现白色沉淀 ，加入稀 H2SO4 也出现白色沉淀，并放出气体，据此分 析，下述组合判断中正确的是 （ B ） ① 肯 定 有 BaCl2 ② 肯 定 有 MgCl2 ③ 肯 定 有 NaHCO3 ④肯定有Na2CO3 或NaHCO3 ⑤肯定 无MgCl2 A、① ② ⑤ B、① ③ C、② ④ D、① ③ ⑤
从左到右酸性减弱、碱性增强
CH4 SiH4
－
－
－
从左到右稳定性减弱
3、单质的物理性质（见P148）
思考1：根据元素周期律的知识，Pb的金属性比Sn强， 而在金属活动性顺序表中，Sn的活动性却比Pb强，这 是否矛盾？
不矛盾。在金属活动性顺序表中，是指金属单质在水溶液中失 去电子的能力；而元素周期表中指元素原子失电子能力强弱。
碳族元素性质递变规律
元素符号 原子半径的变化 金属性、非金属 性变化 最高正价 最高价氧化物化 学式 对应水化物化学 式及酸碱性强弱 氢化物化学式及 稳定性
C
Si
Ge
Sn
Pb
从左到右逐渐增加
碳族元素知识点总结
碳族元素知识点总结碳族元素是元素周期表中的第14组元素，包括碳(C)、硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)和铅(Pb)。
碳族元素具有许多重要的化学和物理性质，对于我们的日常生活和工业发展具有重要意义。
以下是关于碳族元素的几个主要知识点的总结：1.原子结构和电子配置：碳族元素位于周期表的p区，外层电子结构为ns2np2、碳原子的电子配置为1s2 2s2 2p2、在碳族元素中，碳和硅是典型的非金属，锗是半金属，锡是过渡金属，铅是主族金属。
2.原子半径和离子半径：碳族元素的原子半径有增大的趋势。
这是因为随着原子序数的增加，电子层的数量也增加，电子屏蔽效应增强，从而使得原子半径增加。
在同一族元素中，离子半径随着正电荷数的增加而减小。
3.化学反应性：碳族元素的化学反应性有较大差异。
碳和硅都是非金属，具有较高的电负性。
它们能够形成多种化合价的化合物，如碳的四价化合物和硅的四价和六价化合物。
锡和铅具有特殊的价态行为，可以形成多种化合价的化合物。
锡和铅通常表现出二郎功能。
4.晶体结构和物理性质：碳族元素的晶体结构和物理性质有明显的变化。
碳以钻石、石墨和富勒烯等多种晶体结构存在。
钻石具有非常高的硬度，石墨具有良好的导电性和润滑性，富勒烯则具有独特的球形结构。
硅具有金刚石样的晶体结构，可以形成多种晶体相。
锡和铅以金属晶体结构存在，具有良好的导电性和可塑性。
5.化合物和应用：碳族元素形成了众多的化合物，具有重要的应用价值。
最重要的化合物是碳的氧化物，如二氧化碳和一氧化碳。
二氧化碳在大气中起到重要的温室效应，一氧化碳是一种有毒气体。
锗和硅的氧化物是重要的半导体材料。
锡和铅的氧化物具有良好的导电性和光学性能，常用于制备导电玻璃和陶瓷材料。
此外，锡和铅还广泛用于合金制备和防腐剂。
6.生物学意义：碳族元素在生物学中具有重要的意义。
生命体中含有大量的碳和硅。
碳是有机物的组成要素，是地球上生物多样性的基础。
硅在植物细胞壁和一些动物骨骼中起到结构支持的作用。
第十四章-碳族
主要 氧化数
+4,(+2) +4,(+2) +4, +2 +4, +2 +4, +2
原子序数 6
14 32 50 82
C，Si IV>>II
+4
+2 Ge，Sn IV > II
Pb
II>>IV
第十四章 碳族元素
碳的特性
§14.1 通性
由于碳的原子半径最小，电负性最大，电离 能也最高，故共价键 C－C 键能非常大，又没有d 轨道。所以碳与本族其它元素之间的差异较大， 其主要表现为：
第十四章 碳族元素
在 C60 中碳原子 为 sp2 杂化，未参加 杂化的一个 p 轨道在 C60 球壳外围和内腔 形成大π键。
§14.2 单质及化合物
12个五边形 20个六边形
第十四章 碳族元素
§14.2 单质及化合物
其结构与建筑学家富勒.布 基明斯特为1967年为蒙特利尔 设计的世博会建筑物相同， 故名叫富勒烯。人们在C60的 大量合成方法建立后两年内 发现了它的数十个反应，其 中许多与烯烃的金属有机化 学相类似。C60象一些配体那 样在富电子铂配合物中以两 个碳原子与金属键合。
（1）它的配位数仅限于4
（2）碳的成键能力最强
（3）原子间能形成多重键
碳原子在化合物中的成键特征: sp3, sp2, sp
键
键能
键
键能
C-C
346
C-H
411
Si-Si
222
Si-H
318
Ge-Ge
167
C-O
358
Sn-Sn
155
第15章碳族元素
第15章碳族元素碳族元素§15-1 碳族元素的通性价电⼦层结构：ns2np2氧化态：C：从+4到-4，但原⼦间的键数在有机物中总是4，在⽆机物中多是4。
主要氧化数为+4，+2Si：主要氧化态为+4Ge：+4，+2Sn：+4，+2Pb：+4，+2Pb4+有较强的氧化性，Ge2+易歧化2Ge2++2H2O=Ge+GeO2+4H+元素电势图见P728§15-2 碳族元素的单质及其化合物⼀、碳族元素在⾃然界中的分布⼆、碳族元素的单质1、碳的同素异形体2、冶⾦⼯业中的碳的还原反应2C+O2=2CO (a) Δr S m o>0, T↑, Δr G m o↓C+O 2=CO 2 (b) Δr S m o 略⼤于0,随 T ↑, Δr G m o 略有下降2CO+O 2=2CO 2 (c) Δr S m o <0,T ↑, Δr G m o ↑O yΔr S m o<0, T ↑,Δr G m o ↑由P734的⾦属氧化物被C 还原的吉布斯⾃由能-温度图，根据两线相交情况可判断C 还原⾦属氧化物的温度条件及C 的氧化产物为CO 或CO 23、⾦刚⽯的⼈⼯合成 Δr G m o /K J .m o l -1、硅、锗、锡、铅Si: 原⼦晶体；m.p.=1683K，灰⿊⾊，有⾦属外貌，脆、硬，半导体。
低温下不与⽔、空⽓及酸作⽤，但与强氧化剂及强碱作⽤。
Si+O2Δ SiO2Si+2X2Δ SiX4Si+2OH-+H2O=SiO32-+2H2↑Ge: 灰⽩⾊脆性⾦属，具有⾦刚⽯型结构，m.p.=1210K，半导体。
两性⾦属Ge+O2973K GeO2Ge+2Cl2400K GeCl4Ge+4HNO3+6HF=H2[GeF6]+4NO2↑+H2O Ge+4H2SO4(浓) 363K Ge(SO4)2+2SO2↑+4H2OGe+4HNO3(浓)=GeO2.H2O↓+4NO2↑+H2 OGe+2NaOH(熔融)+H2O=Na2GeO3+2H2↑Sn:灰锡286K⽩锡434K脆锡（α型）（β型）（γ型）⾦刚⽯型⽴⽅晶体四⽅晶系正交晶系⽩锡：银⽩带蓝⾊的⾦属，有延展性，m.p.=505K灰锡：粉末状两性⾦属Sn在冷的稀HCl中溶解缓慢，但迅速溶于热的浓HCl中：Sn+2HCl=SnCl2+H2↑Sn+4H2SO4(浓) ΔSn(SO4)2+2SO2↑+4H2O3Sn+8HNO3(冷、稀)=3Sn(NO3)2+2NO↑+4H2OSn+4HNO3(浓)=H2SnO3(β-锡酸)+4NO2↑+H2OSn+2OH-+2H2O=Sn(OH)42-+H2↑Sn+2Cl2(⼲燥)=SnCl4Pb: 软，强度较低，密度⼤，m.p.=601K 在空⽓中易与O2、H2O、CO2作⽤⽣成碱式碳酸盐保护层。
碳族元素
碳族元素一、碳族元素碳族元素位于元素周期表第IV A 族,包括碳(C)、硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、铅(Pb)五种元素.最外层电子数均为4个,易形成共价化合物,主要化合价为+2、+4价.碳族元素比同周期的氮族元素的金属性强.由碳→硅→锗→锡→铅,核电核数递增,电子层数增多,原子半径增大,元素单质的非金属性递减,金属性增强;C 、Si 的氢化物RH 4稳定性逐渐减弱,而Ge 、Sn 、Pb 不存在严栺意义上的氢化物.最高价氧化物的水化物酸性递减,碱性增强,酸性H 2CO 3>H 2SiO 3,碱性Ge(OH)4<Sn(OH)4<Pb(OH)4,且后三者均有两性;Pb 以+2价的化合态较为稳定,其他4种元素通常状态下以+4价的化合态较为稳定.锗是一种灰白色的脆性金属,它的晶体结构是金刚石型,熔点为1210 K.在化学性质上,它略比硅活泼些.在400 K 左右,就能被氯化成GeCl 4.若锗呈细粉状,则瞬间燃烧.它能溶于浓H 2SO 4和浓HNO 3中,但不溶于NaOH 溶液中,除非有H 2O 2存在,高纯锗是一种良好的半导体材料.二、碳及其化合物(一)碳的同素异形体不活泼 比金刚石稍活泼 石墨比金刚石稳定碳,表面积大,吸附能力强,称为活性炭.C 60是一种以新的单质形态存在的碳,由60个碳原子构成的分子,形似足球,故又称为足球烯或富勒烯.(二)碳的化学性质1.与非金属反应2C+O 22CO(O 2不足) C+O 2CO 2(O 2充足)C+H 2CH 42.与氧化物反应C+H 2OCO+H 2C+2CuO =====△2Cu +CO 2↑2C+Fe 2O 33Fe+2CO 2↑3.与某些强氧化性酸反应C+2H 2SO 4(浓)=====△CO 2↑+2SO 2↑+2H 2OC+4HNO 3(浓)=====△CO 2↑+4NO 2↑+2H 2O(三)碳的氧化物1.一氧化碳(CO)CO 是无色、无味、剧毒气体;熔点-196℃,沸点-191.5℃;难溶于水,通常1体积水约溶解0.02体积的CO;密度比空气略小;可燃,在高温下有较强的还原性.CO 是一种配体,能与一些有空轨道的金属原子或离子形成配合物.例如同VI B 、VII B 、VIII 族的过渡金属形成 羰基配合物:Fe(CO)5、Ni(CO)4和Cr(CO)6等.(1)CO 是较好的还原剂它在高温下可以从许多金属氧化物中夺取氧,使金属还原,如Fe 2O 3、CuO 或PbO.CO 还能使一些化合物中的金 点燃点燃属离子还原.如:3CO+Fe 2O 32Fe+3CO 2CO+CuO =====△Cu +CO 2CO+H 2O+PdCl 2=Pd↓+2HCl+CO 2(该反应可以作为CO 的检验,反应十分灵敏)以上这些反应都可以用于检测微量CO 的存在.(2)CO 与其他非金属的作用 与卤素反应:CO 与F 2、Cl 2、Br 2反应可得到碳酰卤化物,如CO+Cl 2−−→−光照COCl 2 碳酰氯又名“光气”.目前工业上是用活性炭作催化剂,在200℃时,等体积的一氧化碳和氯气作用制取.碳酰氯在室温时为带有甜味的无色气体,沸点为8.2℃,熔点为-118℃,相对密度1.432,易溶于苯以及甲苯.碳酰氯毒性很强,对人和动物的黏膜以及呼吸道有强烈刺激的作用,具有窒息性,侵入组织则产生盐酸.在第一次世界大战时曾被用作毒气.碳酰氯具有酰氯的一般特性,可収生水解、醇解、氨解等反应,是一种比较活泼的试剂,是有机合成上的一个重要原料.(3)CO 与碱的作用CO 显非常微弱的酸性,在473 K 以及1.01×103kPa 压力下能与粉末状的NaOH 反应生成甲酸钠:CO+NaOH −−−−−→−⨯kPa 1001.1,3活性炭HCOONa2.二氧化碳(CO 2)CO 2是无色无味的气体,比空气重,能溶于水(1:1),易液化,固体CO 2俗称“干冰”,属于分子晶体,能升华,汽化时吸热,常作制冷剂.CO 2一般情况下不能燃烧,也不能助燃,但在与C 、Mg 等物质的反应中体现出氧化性.如 CO 2+2Mg 2MgO+C CO 2是碳酸的酸酐,具有酸酐的通性.与水反应:CO 2+H 2O H 2CO 3与碱的反应:CO 2(不足)+2NaOH=Na 2CO 3+H 2OCO 2(足)+NaOH=NaHCO 3与碱性氧化物反应:CO 2+Na 2O=Na 2CO 3与盐反应:CO 2+Na 2CO 3+H 2O=2NaHCO 3实验室常用石灰石(CaCO 3)与稀盐酸或稀硝酸反应制取CO 2,反应方程式如下:CaCO 3+2HCl=CaCl 2+CO 2+H 2O CaCO 3+2HNO 3=Ca(NO 3)2+CO 2+H 2O知识拓展:碳的其他化合物(1)碳为-4价的化合物(CH 4、Al 4C 3、TiC 、ZrC 、Mo 2C 、W 2C 等)水解性(或与水反应):Al 4C 3+12H 2O=4Al(OH)3↓+3CH 4↑ CaC 2+2H 2O=Ca(OH)2+C 2H 2↑20%HfC 和80%TaC 组成的合金是已知物质中熔点最高的(4400℃).(2)CS 2CS 2是易挥収、易燃的无色有机溶剂,明显水解:CS 2+2H 2O=CO 2↑+2H 2S↑与碱性硫化物的反应:CS 2+Na 2S=Na 2CS 3(四)碳酸(H 2CO 3)和碳酸盐1.碳酸碳酸是CO 2的水溶液,只存在稀溶液中,很不稳定,是一种二元弱酸,具有酸的通性.碳酸的酸性比H 2S 、HClO 、苯酚的酸性强,比CH 3COOH 弱.2.碳酸盐的特征铵盐和碱金属的碳酸盐易溶于水,但其酸式盐的溶解度较低.在饱和Na 2CO 3溶液中通入CO 2会有NaHCO 3晶体析出:CO 2+Na 2CO 3+H 2O=2NaHCO 3↓;而其他金属离子的碳酸盐难溶于水,但其酸式盐却有较大的溶解度. 地表层中的CaCO 3和MgCO 3在CO 2和水的长期侵蚀下部分转变为Ca(HCO 3)2和Mg(HCO 3)2而溶解,所以天然水中含有Ca 2+、HCO 3-等离子.由于长期的自然分解,又会析出沉淀即反应如下:Ca(HCO 3)2=====△CaCO 3↓+CO 2↑+H 2O Mg(HCO 3)2=====△MgCO 3↓+CO 2↑+H 2O通过以上反应表明了自然界中钟乳石和石笋的形成原因.易溶于水的碳酸盐,其水溶液显碱性:CO 32-+H 2O HCO 3-+OH -碱金属的碳酸盐加热难以分解,其他金属的碳酸盐高温下分解为金属氧化物和CO 2.3.碳酸氢盐的特征碳酸氢盐都溶于水.一般来说,HCO 3-的水解程度大于其电离程度,所以其水溶液呈碱性:HCO 3-+H 2O H 2CO 3+OH -因为CO 32-的水解程度大于HCO 3-的水解程度,所以相同浓度的Na 2CO 3溶液的碱性大于NaHCO 3溶液的碱性.碳酸氢盐受热不稳定,存在下面的热稳定性规律:CO 2>>相应的碳酸盐>酸式碳酸盐>碳酸 点燃4.金属离子与可溶性碳酸盐的反应特点碳酸盐的重要特点是CO 32-易水解,向CO 32-加入金属离子,有三种情况:(1)金属M 电荷高,极易水解:Al 3+、Fe 3+、Cr 3+加入CO 32-,収生双水解反应,相互促迚,产物为M(OH)3+CO 2↑.(2)金属M 可以水解,其氢氧化物的溶解度与碳酸盐差不多,结果形成碱式盐沉淀,如Be 2+、Mg 2+、Cu 2+. Mg(OH)2的溶解度S=2.4×10-4 g,MgCO 3的溶解度S=3.2×10-3g,则Mg 2+与CO 32-的反应为2Mg 2++CO 32-+H 2O=CO 2↑+Mg 2(OH)2CO 3↓.(3)碳酸盐溶解度较小,M 离子水解程度不大,则生成碳酸盐沉淀,如Ca 2+、Sr 2+、Ba 2+.Ba 2++CO 32-=BaCO 3↓三、硅及其化合物(一)硅硅是自然界中分布很广的一种元素,在地壳中,它的含量仅次于氧.单质硅存在同素异形体,有晶体硅和无定形硅.1.物理性质单质硅的晶体是原子晶体,具有四面体型空间网状结构.晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体,熔沸点高,硬度大,是一种良好的半导体材料.硅只能以化合物形式存在于自然界中,主要存在形式为SiO 2以及硅酸盐、铝硅酸盐等.2.化学性质硅原子最外层电子数为4,不易得到电子也不易失去电子,通常形成共价化合物.常温下,单质硅的化学性质不活泼,只与F 2、HF 和强碱溶液収生反应:Si+2F 2=SiF 4 Si+4HF=SiF 4↑+2H 2↑加热条件下,Si 能同O 2、Cl 2、Br 2、C 化合,但难与H 2直接化合生成SiH 4,且SiH 4很不稳定,在空气中自燃.Si+2X 2=====△SiX 4(X=Cl 、Br 、I)Si+O 2=====△SiO 2(研细的Si 能在O 2中燃烧)硅在高温下与水蒸气反应:Si+H 2O(g)H 2SiO 3+2H 2硅在具有氧化性的酸中収生钝化,它可以溶于HF —HNO 3的混合酸中:3Si+4HNO 3+18HF=4NO↑+8H 2O+3H 2SiF 6 知识拓展:硅的制备SiCl 4+Zn=Si+2ZnCl 2SiO 2和C 混合,在电炉中加热:SiO 2 + 2CSi + 2CO↑ SiO 2+CaC 2=Si+Ca+2CO↑硅烷的分解:SiH 4=====△Si+2H 2↑用作半导体的超纯硅,需用区域熔融的方法提纯.(二)二氧化硅(SiO 2)和硅酸二氧化硅又叫硅石,是石英和水晶的主要成分.SiO 2是原子晶体,且Si —O 键键能很大,因此具有很高的熔沸点,硬度大,不溶于水,不导电.纯净的SiO 2晶体叫做水晶,它是六方柱状的透明晶体,是较贵重的宝石.水晶或石英在受压时能产生一定的电场,这种现象被称为“压电效应”.这种“压电效应”被应用在电子工业以及钟表工业和超声技术上. SiO 2是酸性氧化物,但由于Si 的+4价是其最稳定的价态,故SiO 2只能在高温下収生一些反应.与碱的反应:SiO 2＋2NaOH=Na 2SiO 3＋H 2O与碱性氧化物反应:SiO 2＋CaO CaSiO 3弱氧化性:SiO 2 + 2C Si + 2CO↑与氢氟酸反应:4HF(g)+SiO 2=SiF 4+2H 2O(腐蚀玻璃) 6HF(aq)+SiO 2=H 2SiF 6+2H 2O与某些盐的反应:SiO 2+Na 2CO 3Na 2SiO 3+CO 2↑SiO 2用于制备光导纤维、光学仪器、精密仪器轴承、化学仪器等.硅酸是SiO 2对应的水化物,为白色粉末状固体,不溶于水,酸性比碳酸弱,在水溶液中是H 4SiO 4(原硅酸)白色沉淀,失水后为H 2SiO 3.可溶性硅酸盐与H 2O 和CO 2生成H 2SiO 3:Na 2SiO 3＋CO 2＋H 2O===Na 2CO 3＋H 2SiO 3↓易错提示:1.认为Na 2SiO 3＋CO 2＋H 2O===Na 2CO 3＋H 2SiO 3↓与SiO 2+Na 2CO 3Na 2SiO 3+CO 2↑两个方程式有矛盾:原因是没有注意到两个反应的条件不同:第一个反应符合一般复分解反应収生的条件,即用较强酸制取较弱的酸;第二个反应由于生成气体CO 2,可以用平衡的观点加以解释,由于CO 2随反应的迚行不断逸出,使上述平衡正向移动,所以反应得以迚行.2.为何碱性溶液可盛装在玻璃瓶中,而不能使用玻璃塞:原因在于SiO 2是普通玻璃的成分之一,其为酸性氧化物,它可与碱性溶液反应,但反应受外界条件(如温度、浓度、接触面积等)影响.瓶口处沾附的氢氧化钠溶液易挥収水分,使其浓度增大,同时因瓶塞是磨口的,表面凹凸不平增大了与碱性溶液的接触面积,反应易迚行,且生成的硅酸钠是一种矿物胶,时间一长可使瓶塞与瓶体黏合在一起;而瓶内瓶壁光滑,氢氧化钠溶液与瓶体接触面积小,反映量微小.(三)硅化物I A 、II A 族硅化物:Ca 2Si 、CaSi 、CaSi 2等,不稳定,与水反应.副族元素硅化物:Mo 3Si 、Mo 5Si 3、MoSi 、MoSi 2等,熔沸点较高,不溶于氢氟酸和王水,仅仅溶于HF —HNO 3的混合酸或碱液中.SiCl 4、SiO 2、Si 3N 4、SiC 和SiH 4为正四面体结构单元.SiF 4的制备:4HF(g)+SiO 2=SiF 4+2H 2OSiCl 4的制备:SiO 2+2C+2Cl 2=2CO+SiCl 4SiH 4在纯水和微酸性溶液中不水解,但用微量碱作催化剂时,迅速水解:SiH 4+(n +2)H 2O −−→−-OH SiO 2∙n H 2O+4H 2↑(四)无机非金属材料1.传统硅酸盐材料以含有硅物质为原料经加热制成硅酸盐产品的工业叫做硅酸盐工业.如水泥、玻璃、陶瓷产品的生产.(1)水泥水泥主要作为建筑材料,其生产的原料、设备、流程以及产品主要成分如下:主要原料:石灰石、黏土、石膏(辅助原料,用于调节水泥的水硬性).主要设备:回转窑.生产流程:原料(石灰石、黏土一定配比)→粉碎成生料→回转窑中高温烧结→熟料→粉碎加辅助材料得到成品水泥.主要成分:硅酸三钙(3CaO∙SiO 2)、硅酸二钙(2CaO∙SiO 2)、铝酸三钙(3CaO∙Al 2O 3).主要特性:水硬性.(2)玻璃玻璃用途广泛,通常用作建筑材料、光学材料等.普通玻璃的生产是硅酸盐工业的重要组成部分.其主要原料、设备、反应原料、产品成分和种类如下:主要原料:石英、纯碱、石灰石等.主要设备:玻璃熔炉等.反应原理:SiO 2+Na 2CO 3Na 2SiO 3+CO 2↑SiO 2+CaCO 3CaSiO 3+CO 2↑主要成分:Na 2SiO 3、CaSiO 3、SiO 2.玻璃种类:普通玻璃、石英玻璃、玻璃纤维、钢化玻璃等.(3)传统陶瓷传统陶瓷主要以黏土为原料,制备流程通常是:混合→成型→干燥→烧结→冷却.陶瓷根据原料和烧成温度通常可分为:土器(如砖、瓦等)、陶器(较瓷器要求低、较粗糙)、炻器(介于陶器与瓷器之间,如水缸、砂锅)、瓷器(瓷器较陶器瓷体白净、质地致密)等.陶瓷具有抗氧化性好、耐酸碱腐蚀、耐高温、绝缘性好等特性.2.新型无机非金属材料新型无机非金属材料主要指半导体、超硬耐高温材料、収光材料、超导材料等.新型无机非金属材料具有耐高温、超硬性,常用来制作轴承、永久模具等;具有优越的电学性能,常用来制作绝缘体、半导体、导体、超导体等;具有良好的光学性能,可用于通讯、信息处理以及医疗等;具有生物功能,用于生物体替代组织或器官,如骨骼、血管等.新型陶瓷主要有高温结构陶瓷、半导体陶瓷、生物陶瓷等.高温结构陶瓷,如氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷,均具有熔点高、硬度大等优点;半导体陶瓷有氧化锡陶瓷;生物陶瓷有氧化铝、磷酸钙陶瓷等.这些新型陶瓷材料除具有传统陶瓷的耐腐蚀性、耐高温的性能外增添了质硬等许多优良个性.从高纯度的SiO 2或石英玻璃熔融体中,拉出直径约100µm 的细丝,称为石英玻璃纤维,这种纤维称为光导纤维.光纤通信是一种新技术,它将光信号在光导纤维中迚行全反射传播,取代了电信号在铜线中的传播,达到两地通信的目的.光纤通信优点:信息传输量大,每根光缆可同时通过10亿路电话;原料来源广;质量轻,每千米27 g;不怕腐蚀,铺设方便;抗电磁干扰,保密性好.知识拓展:传统无机非金属材料的特征:(1)抗腐蚀、耐高温(2)质脆、经不起热冲击新型无机非金属材料的特征:(1)耐高温、高强度(2)具有光学特征(3)具有电学特征(4)具有生物功能。
碳族元素
铅(Pb)
碳族元素及单质的一些性质
原子半径 nm 主要 化合价 颜色、状态 密度 g/cm3 熔点 ℃ 沸点 ℃
0.077
+2,+4
金刚石：无色固体 石墨：灰黑色固体 晶体硅：灰黑色 固体
3.51 2.25 2.32 ~2.34
3550 3652
4827 4827
0.117
+2,+4
1410
2355
0.122
+2,+4
银灰色固体
5.35
937.4
2830
0.141
+2,+4
银白色固体
7.28
231.9
2260
0.175
+2,+4
蓝白色固体
11.34
327.5
1740
碳族元素性质的特殊性
碳(C)、硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)的+4价化合物是稳定 的, 如CO2、SiO2、GeO2、SnO2的氧化性较弱
Si
Ge Sn Pb
SiH4
GeH4 SnH4
(SiO)
GeO SnO PbO
SiO2
GeO2 SnO2 PbO2
元素符号
C 6
Si 14
Ge 32
Sn 50
Pb 82
原子序数
原子半径的变化趋势
随着原子序数的递增，原子半径增大
金属性与非金属性的变化 金属性逐渐增强，非金属性减弱 趋势 最高正价
最高价氧化物化学式 +4 +4 +4 +4 +4
CO2
SiO2
GeO2
SnO2 PbO2
十五章碳族元素
2 碳旳还原性
冶金工业上，用碳还原金属氧化物制备金属，如：
MnO + C —— Mn + CO
(1)
上述反应 (1) 能够看成由下面两个反应 (2) 和 (3) 相减得到
2 C (s) + O2 (g) —— 2 CO (g)
(2)
2 Mn + O2
—— 2 MnO
(3)
我们关心反应 (1) 需要在什么温度下才干进行，就必须讨论
(c) 2 C(s) + O2(g) —— 2 CO (g) △rSm = 178 J∙k－1∙mol－1
为何给出 △rSm？ 将反应旳 △rGm 对温度 T 作图，
△rGm = △rHm － T△rSm，其斜率是 －△rSm 。
△rGm / kJ·mol－1
(a)
－200
－400
(b)
－600
－800
子，故称离子型碳化物。
离子型碳化物易水解。
Mg2C3 + 4 H2O —— 2 Mg(OH)2 + HC C CH3 形成炔
Al4C3 旳构造为
Al Al
C
C
C
Al Al
Al4C3 + 12 H2O ——— 4 Al (OH)3 + 3 CH4
2°间充型碳化物 重过渡金属原子半径大，在晶格中充填碳原子，形成间充型 碳化物。它们仍保持金属光泽，其硬度和熔点比原来旳金属还
[ CO32－ ] 也少了，致使 Ksp 大旳 MgCO3 不能沉淀。
CuCO3 和 HgCO3 还未制得 。
4 碳酸盐旳热分解
Na2CO3 ——— Na2O + CO2
( 850 ℃ )
无机化学第十五章碳族元素
05 碳族元素生物效应及环境 影响评价
碳族元素在生物体内作用机制
1
碳族元素在生物体内主要以有机化合物的形式存 在，如蛋白质、脂肪、碳水化合物等，是构成生 命体的基本要素。
2
碳族元素参与生物体内多种代谢过程，如葡萄糖 代谢、脂肪代谢等，对维持生物体正常生理功能 具有重要作用。
3
一些碳族元素如硅、锗等还具有特殊的生物活性， 对生物体的生长、发育和免疫等方面产生影响。
特点
碳族元素具有相似的最外层电子 构型，主要呈现+2、+4价态；随 着原子序数的增加，金属性逐渐 增强，非金属性逐渐减弱。
碳族元素在周期表中位置
01
碳和硅位于第二周期和第三周期 ，锗、锡、铅则位于第四周期及 其以后。
02
碳族元素在周期表中的位置反映 了它们的电子构型和化学性质的 递变规律。
碳族元素重要性及应用
锗、锡、铅单质性质简介
锗
锗是一种化学元素，具有半导体性质。它在电子工业中有一定的应 用，如制造高频器件等。
锡
锡是一种银白色、柔软的金属，具有良好的延展性和可塑性。它广 泛用于制造合金、焊料、涂料等。
铅
铅是一种蓝灰色、质软的金属，密度大，熔点低。它具有一定的耐腐 蚀性，可用于制造蓄电池、电缆等。但铅对人体有害，应注意防护。
配位化合物形成与稳定性
配位化合物概念
01
碳族元素可与多种配体形成配位化合物，如与氨、水、卤素离
子等形成的配合物。
配位化合物稳定性
02
碳族元素配位化合物的稳定性受多种因素影响，如中心原子电
荷、配体性质、空间构型等。
配位化合物应用
03
碳族元素配位化合物在催化、材料科学、生物医药等领域具有
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第十四章 碳族元素Chapter 14 The Carbon Family ElementsCarbon (C) Silicon (Si) Germanium (Ge) Stannum (Sn) Plumbum (Pb)§14-1 碳及其化合物 Carbon and its Compounds一、General Properties1．根据σ键的数目，碳可采取sp 、sp 2、sp 3杂化，其最大配位数为42．由于碳—碳单键的键能特别大，所以C －C 键非常稳定,具有形成均键(homochains)的倾向C －C N －N O －O F －F E (kJ·mol -1) 374 250 210 159 实 例H 3C －CH 3H 2N －NH 2HO －OH从碳到氮的单键键能的突减，是由于N 2分子中氮原子之间非键电子对排斥的缘故。
二、The Simple Substance1．在第二周期中，氟、氧和氮都以双原子分子存在：F 2、O 2和N 2；而碳存在多聚物，其理由为：O 2和N 2的多重键要比σ单键（均键）强得多如： ,E (kJ·mol -1) 494 ＞ 210 + 210 , 946 ＞ 250 + 250而：E (kJ·mol -1) 627 ＜ 374 + 374即C2分子中的多重键比均链中的两个σ单键之和小，所以碳往往形成多原子均键，虽然在星际空间存在有C 2(g)分子。
2．Allotropes: diamond 、graphite 、fullerene (C 60、C 70)、carbin (carbon fibers) (1) 熵 S carbin ＞S graphite ＞S diamond(2) d C-C (nm): diamond ＞ graphite ＞ benzene ＞ ethylene ＞ carbin ＞ acethylene (3) C graphite → C diamond ∆r H m ＞0，∆r S m ＜0根据平衡，需要高压Pa 100.1106109⨯-⨯，(because of the insignificantreduction of volume)，升高温度不利于平衡的移动，但为了达到该过程可以接受的速率，反应温度大约在2000℃，近来已发明一种低压生产金刚石的方法：把金刚石晶种（seed ）放在气态碳氢化合物（甲烷methane ，ethane ）中，温度升高到1000℃，可以得到金刚石粉末或者crystal whiskers(4) C 60由12个正五边形和20个正六边形组成，每个碳原子以sp 3、sp 2杂化轨道与相邻的三个碳原子相连，使∠CCC 小于120︒而大于109︒28'，形成曲面，剩余的p 轨道在C 60球壳的外围和内腔形成球面π键，从而具有芳香性。
O N N N N N C C C C C O O O欧拉方程：面数(F) + 顶点数(V) = 棱数(E) + 2a．structure：根据欧拉定理，通过12个正五边形和数个正六边形的连接可以形成封闭的多面体结构：C60为第一个五边形间互不相邻的封闭笼状结构，C70为第二个五边形间互不相邻的封闭笼状结构，两个五边形相邻的最小碳笼为C50，三个五边形相邻的最小碳笼为C28，不存在六边形的最小碳笼为C20。
b．properties：科学家认为C60将是21世纪的重要材料(i) C60分子具有球形的芳香性，可以合成C60F n，作为超级润滑剂。
(ii) C60笼内可以填入金属原子而形成超原子分子，作为新型催化剂或催化剂载体，具有超导性，掺K的C60，T c = 18K，Rb3C60T c = 29K，它们是三维超导体。
(iii) C60晶体有金属光泽，其微晶体粉末呈黄色，易溶于苯，其苯溶液呈紫红色。
C60分子特别稳定，进行化学反应时，C60始终是一个整体。
三、The Compounds1．[ - 4 ]O.S. covalent CH4, ionic-covalent Al4C3, metallic MC、M2C、M3C 水解性（或与水反应）：Al4C3 + 12H2O4Al(OH)3 + 3CH4↑CaC2 + 2H2O Ca(OH)2 + C2H2↑20% HfC和80%TaC合金是已知物质中熔点最高的（m.p. = 4400℃）2．[ + 4 ]O.S.(1) CHal4a．preparation：CS2 + 2Cl2CCl4 + S2Cl2b．properties：hydrolysis CHal4 + 2H2O(g)CO2(g) + 4HHal(g)从热力学上看是可行的：CF（∆r G m = -150kJ·mol-1），CCl4（∆r G m = -250kJ·mol-1）它们之所以不能水解是由于在通常条件下缺乏动力学因素，碳的配位数已饱和，不能与水分子结合。
从CF4→CI4随着键长的增大,键的强度减弱，稳定性减弱，活泼性增强(2) COHal2（卤氧化碳，也称为碳酰卤 carbonyl halides）：所有的COHal2比CHal4的化学性质活泼，特别是它们易水解：COCl2 + H2O CO2 + 2HCl 它们都有极性，都是平面三角形。
COCl2 (光气 phosgene) 是剧毒的光气的制备：CO + Cl2COCl2(3) CS2（carbon disulfide）a．preparation(i) C + 2S900℃CS2CS2 + 2H2S(ii) 4S(g) + CH4(g)600℃Al2O3或硅胶b．propertiesCS2是易挥发、易燃的无色的有机溶剂明显水解：CS2 + 2H2O CO2 + 2H2S与碱性硫化物反应：Na2S + CS2Na2CS3(4) -23CO 、-23CS 、-22CNa ．structure ：642 ] [∏- 642 ] [∏- [N ＝C ＝N]2- 2个43∏sp 2杂化 sp 2杂化 sp 杂化 b ．properties(i) 碳酸盐：正盐中除碱金属（不包括Li +）、铵及Tl + 盐外，都难溶于水，许多金属的酸式盐的溶解度大于正盐，但3NaHCO S ＜32CO Na S 。
解释：这是由于在NaHCO 3溶液中-3HCO 从氢键相连成二聚离子，降低了它们的溶解度： --−→−23][HCO 2热稳定性：H 2CO 3＜MHCO 3＜M 2CO 2 (ii) 硫代碳酸盐（thiocarbonate ）22CS S K +32H 32CS H CS K −→−+H 2CS 3是高折射率油状物，易分解成H 2S 和CS 2H 2CS 3的水溶液为弱酸，在水中缓慢分解： H 2CS 3 + 3H 2OH 2CO 3 + 3H 2S(iii) 氨基腈化物（cyanamide ）-22CN （氮代碳酸盐)CaC 2 + N 2～1100℃CaCN 2 + CH 2CN 2（Hydrogen dinitride carbonate ）是无色晶体，易溶于水、alcohol 和ether ，显示弱酸性，在有机溶剂中可能存在互变异构（tautomerism ）平衡：H N C N HHN HC NH 2CN 2在水中缓慢分解：H 2CN 2 + 3H 2O H 2CO 3 + 2NH 3 CaCN 2 + 3H 2OCaCO 3 + 2NH 322223l 3H CN ()(H CN )−−−→聚合3．[ +2 ]O.S. HCOOH浓H 2SO 4CO + H 2OCO （carbon monoxide ）结构式：O ，使μ减小 μ = 0.112DCO + PdCl 2 + H 2OPd + CO 2 + 2HCl+23)Cu(NH 可以吸收CO ，所以CO 比N 2活泼O C OH OC O HOOCNCN CN NH 2NH 2H 2N§14-2 硅及其化合物 Silicon and its Compounds一、General Properties1．由于Si 的原子半径大、电离能低、电子亲合能和极化率高，因此Si 在化学性质上与碳有许多不同之处。
例如Si 和Si 之间基本上不形成p π－p π键，换言之，Si 的sp 或sp 2杂化不稳定。
2．由于Si 原子的价轨道存在3d 空轨道，所以Si 原子的最大配位数可以达到6，可以形成d －p π键，例如N(SiH 3)3中N 原子采取sp 2杂化，分子为平面三角形。
这是由于N 原子上的孤对电子对占有Si 原子的3d 空轨道，形成d －p π键所致。
显然N(CH 3)3与N(SiH 3)3的碱性也不同，前者的Lewis 碱性大于后者。
3．Si 在自然界中占第二位，仅次于氧。
About half the earth’s crust consists of silica (SiO 2)and silicate, aluminosilicate rocks.二、The Simple Substance1．Properties(1) 在通常情况下，硅非常惰性，但加热时与许多非金属单质化合，还能与某些金属反应⎪⎩⎪⎨⎧−−−−−→−−−−−−→−⎪⎭⎪⎬⎫−−−−−←−−−−−←︒︒︒︒2O C 6004Cl C 400N C 100043C C 2000SiO SiCl Si N Si SiC 322 2Mg + Si Mg 2Si(2) 硅遇到氧化性的酸发生钝化性(passivation),它可溶于HF －HNO 3的混合酸中3Si + 4HNO 3 + 18HF3H 2SiF 6 + 4NO + 8H 2O硅与氢氟酸反应：Si + 4HFSiF 4 + 2H 2，SiF 4 + 2HFH 2SiF 6(3) 硅溶于碱并放出H 2：Si + 2KOH + H 2O K 2SiO 3 + 2H 2↑ (4) 硅在高温下与水蒸气反应：Si + 2H 2O(g) H 2SiO 3 + 2H 22．Preparation: (1) SiCl 4 + 2ZnSi + 2ZnCl 2(2)SiO 2和C 混合，在电炉中加热：SiO 2(s) + 2C(s)电炉Si(s) + 2CO(g)↑(3) SiO 2 + CaC 2Si + Ca + 2CO (4) 硅烷的分解：SiH4Si + 2H 2用作半导体用的超纯硅（super pure silicon ），需用区域熔融（zone melting ）的方法提纯。
三、The Compounds1．[ - 4 ] O.S. 硅化物（silicides ）(1) IA 、IIA 族硅化物：Ca 2Si 、CaSi 、CaSi 2不稳定，与水反应(2) 副族元素硅化物：Mo 3Si 、Mo 5Si 3、MoSi 、MoSi 2（2050℃）高熔、沸点，不溶于HF 和王水，仅溶于HF －HNO 3混合液或者在碱液中WSi 2（2165℃），Ti 5Si 3（2120℃），V 5Si 3（2150℃），f 元素的硅化物在反应堆中吸收中子。