无机化学-12-2 碳族元素-考研试题文档资料系列.ppt
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1、第十二章第十二章 氮族氮族、碳族和硼族元素碳族和硼族元素无机化学多媒体电子教案无机化学多媒体电子教案第二节第二节 碳族元素碳族元素12-2-1 碳族元素概述碳族元素概述0AAAAA He 氦氦2 B 硼硼 C 碳碳 N 氮氮 O 氧氧 F 氟氟 Ne 氖氖3 Al 铝铝 Si 硅硅 P 磷磷 S 硫硫 Cl 氯氯 Ar 氩氩4 Ga 镓镓 Ge 锗锗 As 砷砷 Se 硒硒 Br 溴溴 Kr 氪氪5 In 铟铟 Sn 锡锡 Sb 锑锑 Te 碲碲 I 碘碘 Xe 氙氙6 Tl 铊铊 Pb 铅铅 Bi 铋铋 Po At 砹砹Rn 氡氡12-2-1 12-2-1 碳族元素概述碳族元素概述称为碳族元
2、素称为碳族元素A碳碳(C) 硅硅(Si) 锗锗(Ge) 锡锡(Sn) 铅铅(Pb)原子序数原子序数614325082价层电子构型价层电子构型 2s22p23s23p24s24p25s25p26s26p2主要氧化数主要氧化数0、+2 +40、+2 +40、(+2) +40、+2 +40、+2 +4原子半径原子半径/pm77117122141175离离子子半半径径r(M4+)/pm1640536978r(M2+)/pm-73118119I1/(kJmol-1)1086786763709716电负性电负性( )2.51.81.81.81.9 p 含量不多,分布广,含量不多,分布广, 是地球上化合物种
3、类是地球上化合物种类 最多的元素之一,最多的元素之一, 是生物界的主要元素是生物界的主要元素 分布广,在地壳上的含量分布广,在地壳上的含量 仅次于氧,主要以硅酸盐矿仅次于氧,主要以硅酸盐矿 和石英矿存在和石英矿存在 常以硫化物伴生在其它金常以硫化物伴生在其它金 属硫化物矿中,是暗灰色、属硫化物矿中,是暗灰色、 重而软的金属,晶态锗是重重而软的金属,晶态锗是重 要的半导体材料要的半导体材料 常温下表面上有一层保护膜,常温下表面上有一层保护膜,在空气和水中稳定,可防腐蚀,在空气和水中稳定,可防腐蚀, 马口铁马口铁( (镀锡铁镀锡铁) )是食品罐头材料是食品罐头材料 铅主要以方铅矿铅主要以方铅矿(P
4、bS)形式存形式存 在,是很软的重金属,强度不高在,是很软的重金属,强度不高 它能挡住它能挡住X射线,可制造铅玻璃、射线,可制造铅玻璃、 铅围裙等防护用品和防铅围裙等防护用品和防X X射线的屏射线的屏 蔽材料、电缆包皮及铅蓄电池等蔽材料、电缆包皮及铅蓄电池等 主要以锡石主要以锡石(SnO2) 存在,为银白色存在,为银白色金属金属、质软质软、延展性好延展性好、无毒无毒、耐腐蚀耐腐蚀。同素异形体:灰锡同素异形体:灰锡、白锡白锡、脆锡脆锡 晶体类型:金刚石晶体类型:金刚石、 金属型金属型灰锡灰锡( -Sn) 白锡白锡( -Sn) 脆锡脆锡( -Sn) 白锡变为粉末状灰锡,此现象叫白锡变为粉末状灰锡,
5、此现象叫“锡疫锡疫” 13 161-48A碳碳(C) 硅硅(Si) 锗锗(Ge) 锡锡(Sn) 铅铅(Pb)原子序数原子序数614325082价层电子构型价层电子构型 2s22p23s23p24s24p25s25p26s26p2主要氧化数主要氧化数0、+2 +40、+2 +40、(+2) +40、+2 +40、+2 +4原子半径原子半径/pm77117122141175离离子子半半径径r(M4+)/pm1640536978r(M2+)/pm-73118119I1/(kJmol-1)1086786763709716电负性电负性( )2.51.81.81.81.9 p主要化合物主要化合物 +4 +
6、2、+4 +2 的氧化数的氧化数 (+4) 高氧化数化合物稳定性减小高氧化数化合物稳定性减小 低氧化数化合物稳定性增大低氧化数化合物稳定性增大 即即A碳碳(C) 硅硅(Si) 锗锗(Ge) 锡锡(Sn) 铅铅(Pb)原子序数原子序数614325082价层电子构型价层电子构型 2s22p23s23p24s24p25s25p26s26p2主要氧化数主要氧化数0、+2 +40、+2 +40、(+2) +40、+2 +40、+2 +4原子半径原子半径/pm77117122141175离离子子半半径径r(M4+)/pm1640536978r(M2+)/pm-73118119I1/(kJmol-1)108
7、6786763709716电负性电负性( )2.51.81.81.81.9 p非金属性减弱,金属性增非金属性减弱,金属性增强强典型非金属典型非金属 准金属准金属 典型金属典型金属12-2-2碳及其重要化合物碳的同素异形体碳的同素异形体金刚石金刚石石墨石墨富勒烯碳原子簇富勒烯碳原子簇 (如(如C60) 12-2-2 12-2-2 碳及其重要化合物碳及其重要化合物碳的同素异形体碳的同素异形体熔点高、硬度大熔点高、硬度大室温下惰性室温下惰性工业上用作钻头工业上用作钻头、刀具刀具、精密轴承等精密轴承等俗称钻石,可作俗称钻石,可作装饰品装饰品薄膜可制作手术刀、薄膜可制作手术刀、集成电路、散热芯集成电路、
8、散热芯片及各种敏感器件片及各种敏感器件金刚石金刚石碳的同素异形体碳的同素异形体有金属光泽有金属光泽质软、能导电质软、能导电通常情况下,石墨通常情况下,石墨比金刚石稳定比金刚石稳定可作电极、坩埚、可作电极、坩埚、润滑剂润滑剂、铅笔芯等铅笔芯等在工业上可采用静在工业上可采用静态加压法由石墨合态加压法由石墨合成金刚石成金刚石石墨石墨碳的同素异形体碳的同素异形体由由6060个碳原子个碳原子组成的组成的3232面体面体的空心球结构的空心球结构C60比较稳定。比较稳定。富勒烯碳原子簇可作富勒烯碳原子簇可作高温润滑剂、耐热和高温润滑剂、耐热和防火材料。防火材料。富勒烯碳原子簇富勒烯碳原子簇将碱金属掺入将碱金
9、属掺入C60晶体晶体中中, ,可制造超导材料。可制造超导材料。在酶抑制在酶抑制、抗病毒抗病毒、DNADNA切割切割、光动力医疗法等光动力医疗法等方面有广泛应用前景方面有广泛应用前景12-2-2 12-2-2 碳及其重要化合物碳及其重要化合物碳酸碳酸CO2溶于水即形成碳酸溶于水即形成碳酸仅存在于水溶液中,至今尚未制仅存在于水溶液中,至今尚未制得纯碳酸得纯碳酸二元弱酸二元弱酸CO2 + H2O H2CO3大部分大部分CO2以水合分子形式存在以水合分子形式存在H2CO3 HCO3 + +H+ + K K =4=4.5 51010-7-7* *a(1)HCO3 CO3 + + H+ + K K =4=
10、4.7 71010-11-11a(2)-2-碳酸盐碳酸盐难溶碳酸盐对应的碳酸氢盐易溶难溶碳酸盐对应的碳酸氢盐易溶如如 CaCO3(难溶)难溶) Ca(HCO3)2(易溶易溶)(1)(1)溶解性溶解性12-2-2 12-2-2 碳及其重要化合物碳及其重要化合物碳酸盐碳酸盐除除NH4 、碱金属碱金属(Li(Li除外除外) )盐,盐, 一般难溶一般难溶碳酸氢盐碳酸氢盐一般易溶一般易溶+钟乳石、石笋的形成钟乳石、石笋的形成自然界石灰石等在自然界石灰石等在CO2、H2O作用下作用下 CaCO3+ CO2+H2O Ca(HCO3)2 (难溶难溶) (易溶易溶)随着自然条件的变化,随着自然条件的变化, 上述
11、反应逆向重新析出上述反应逆向重新析出CaCO3碳酸盐碳酸盐难溶碳酸盐对应的碳酸氢盐易溶难溶碳酸盐对应的碳酸氢盐易溶如如 CaCO3(难溶)难溶) Ca(HCO3)2(难溶难溶)(1)(1)溶解性溶解性易溶碳酸盐对应的碳酸氢盐溶解度较小易溶碳酸盐对应的碳酸氢盐溶解度较小12-2-2 12-2-2 碳及其重要化合物碳及其重要化合物碳酸盐碳酸盐除除NH4 、碱金属碱金属(Li(Li除外除外) )盐,盐, 一般难溶一般难溶碳酸氢盐碳酸氢盐一般易溶一般易溶+向浓碳酸钠溶液中通入向浓碳酸钠溶液中通入CO2至饱和至饱和可析出可析出NaHCO3 Na2CO3+ CO2+H2O 2NaHCO3 (易溶易溶) (
12、溶解度小溶解度小)如如碳酸盐碳酸盐碳酸盐碳酸盐水溶液呈碱性水溶液呈碱性碳酸氢盐碳酸氢盐水溶液呈微碱性水溶液呈微碱性(2)(2)水解性水解性可溶性碳酸盐可作沉淀剂可溶性碳酸盐可作沉淀剂, ,分离某些离子分离某些离子碳酸盐碳酸盐碱式碳酸盐碱式碳酸盐氢氧化物氢氧化物生成物生成物反应物反应物金属氢氧化物金属氢氧化物对应碳酸盐对应碳酸盐金属氢氧化物金属氢氧化物 对应碳酸盐对应碳酸盐BaBa2+2+ CO+ CO3 3 BaCO BaCO3 3 2Ag2Ag+ + CO+ CO3 3 Ag Ag2 2COCO3 3如如2-2-2Cu2Cu2+2+ + 2CO2CO3 3 +H+H2 2OCuOCu2 2(
13、OHOH)2 2COCO3 3 + + COCO2 22Mg2Mg2+2+ + 2CO2CO3 3 +H+H2 2OMgOMg2 2(OHOH)2 2COCO3 3 + + COCO2 2如如2-2-2Fe2Fe3+3+ 3CO+ 3CO3 3 +3H+3H2 2O2Fe(OH)O2Fe(OH)3 3 +3CO+3CO2 22Al2Al3+3+ 3CO+ 3CO3 3 +3H+3H2 2O2Al(OH)O2Al(OH)3 3 +3CO+3CO2 22-2-如如解释解释根据离子极化概念根据离子极化概念2.2.热稳定性热稳定性1.碱金属盐碱金属盐 碱土金属盐碱土金属盐 过渡金属盐过渡金属盐 铵盐铵
14、盐2.碳酸盐碳酸盐 碳酸氢盐碳酸氢盐 碳酸碳酸一般规律一般规律: :热稳定性热稳定性热稳定性差,易分解热稳定性差,易分解 MCO3 MO + CO22MHCO3 M2CO3 + H2O+CO2(3)(3)热稳定性热稳定性金属离子极化力增大金属离子极化力增大+_+_+_+_+_+_+_+_+_解释解释根据离子极化概念根据离子极化概念2.2.热稳定性热稳定性(1 1)碱金属盐碱金属盐 碱土金属盐碱土金属盐 过渡金属盐过渡金属盐 铵盐铵盐(2 2)碳酸盐碳酸盐 碳酸氢盐碳酸氢盐 碳酸碳酸一般规律一般规律热稳定性差,易分解热稳定性差,易分解 MCO3 MO + CO2MHCO3 M2CO3 + H2O
15、+CO2H H+ +极化力强,反极化作用大极化力强,反极化作用大3.3.热稳定性热稳定性金属离子极化力增大金属离子极化力增大+_+_+_+_+_+_+_+_+_1.1.当无外电场时,当无外电场时,CO3 中三个中三个O2-被被C4+极极 化而变形化而变形2.2.金属离子相当于外电场,对邻近的一个金属离子相当于外电场,对邻近的一个 O2-产生反极化作用产生反极化作用. .当反极化作用强烈当反极化作用强烈, , 可导致可导致CO3 破裂,碳酸盐分解破裂,碳酸盐分解3.3.金属离子的极化力越强,其反极化作用金属离子的极化力越强,其反极化作用 越强,碳酸盐越不稳定越强,碳酸盐越不稳定2-2-Mn+Li
16、+Na+Mg2+Ca2+Sr2+Ba2+r(Mn+)/pm60956599113 135Mn+电子构型电子构型288888分解温度分解温度/11001800 402 814 109812771. 1. 碱金属碳酸盐稳定,难分解碱金属碳酸盐稳定,难分解电荷少电荷少, ,半径大半径大8 8电子构型电子构型极化力小极化力小反极化作用小反极化作用小碳酸盐稳定碳酸盐稳定(3)(3)热稳定性热稳定性金属离子极化力增大金属离子极化力增大+_+_+_+_+_+_+_+_+_Mn+Li+Na+Mg2+Ca2+Sr2+Ba2+r(Mn+)/pm60956599113 135Mn+电子构型电子构型288888分解温
17、度分解温度/11001800 402 814 109812772.2.碳酸盐碳酸盐: :碱土金属比碱金属不稳定碱土金属比碱金属不稳定金属离子极化力增大金属离子极化力增大+_+_+_+_+_+_+_+_+_同同一一周周期期电荷电荷 半径半径 反极化作用反极化作用 稳定性稳定性碱金属碱金属 碱土金属碱土金属(3)(3)热稳定性热稳定性Mn+Li+Na+Mg2+Ca2+Sr2+Ba2+r(Mn+)/pm60956599113 135Mn+电子构型电子构型288888分解温度分解温度/11001800 402 814 109812773. 碱土金属碳酸盐从碱土金属碳酸盐从Mg到到Ba稳定性增强稳定性增
18、强半径半径 , ,反极化作用反极化作用金属离子极化力增大金属离子极化力增大+_+_+_+_+_+_+_+_+_Mn+Fe2+Cd2+Pb2+Ag+r(Mn+)/pm7497120126Mn+电子构型电子构型 9 171818+218分解温度分解温度/2823603152184. 过渡金属碳酸盐稳定性较差过渡金属碳酸盐稳定性较差金属离子极化力增大金属离子极化力增大+_+_+_+_+_+_+_+_+_过渡金属离子具有非过渡金属离子具有非8 8电子构型电子构型, ,极化力强极化力强, ,反极化作用强反极化作用强(3)(3)热稳定性热稳定性Ba(OH)2BaCO3(白色白色)CO3 + 2H+ CO2
19、 + H2O2-(稀稀HCl或或H2SO4)(4) (4) CO3 的鉴定的鉴定2-12-3-3碳化硼和碳化硅12-2-3 碳化硼和碳化硅碳化硼和碳化硅碳化硼碳化硼(B4C)用焦炭和氧化硼在电炉中反应制得用焦炭和氧化硼在电炉中反应制得2B2O3 + 7C B4C + 6CO有光泽的黑色晶体有光泽的黑色晶体难熔,硬度大,是重要的工业磨料难熔,硬度大,是重要的工业磨料12-2-3 碳化硼和碳化硅碳化硼和碳化硅碳化硅碳化硅(SiC) 用石英和焦碳在电炉中反应制得用石英和焦碳在电炉中反应制得SiO2 + 3C SiC + 2CO俗称金刚砂俗称金刚砂熔点高,硬度大,可用作工业磨料熔点高,硬度大,可用作工
20、业磨料化学稳定性和热稳定性好,机械强化学稳定性和热稳定性好,机械强度大,热膨胀率低,可做高温结构度大,热膨胀率低,可做高温结构陶瓷材料陶瓷材料12-3-4硅及其重要化合物12-2-4 12-2-4 硅及其重要化合物硅及其重要化合物卤化物卤化物通式为通式为SiX4, ,均为无色均为无色常温常温 SiF4 SiCl4 SiBr4 SiI4 气体气体 液体液体 液体液体 固体固体 制取制取 2CaF2+SiO2+2H2SO4 2CaSO4+SiF4 +2H2O 硫酸与萤石和石英砂的混合物作用硫酸与萤石和石英砂的混合物作用卤化物卤化物通式为通式为SiX4, ,均为无色均为无色常温常温 SiF4 SiC
21、l4 SiBr4 SiI4 气体气体 液体液体 液体液体 固体固体 性质性质1.与与HF作用作用 2HF+SiF4 H2SiF62.纯氟硅酸不存在纯氟硅酸不存在, 在水溶液中稳定在水溶液中稳定3.氟硅酸的酸性与硫酸相近氟硅酸的酸性与硫酸相近重要盐重要盐(Na2SiF6)是农业杀虫、灭菌剂是农业杀虫、灭菌剂、木材防腐剂木材防腐剂可用于制造抗酸水泥、搪瓷等可用于制造抗酸水泥、搪瓷等12-2-4 12-2-4 硅及其重要化合物硅及其重要化合物卤化物卤化物通式为通式为SiX4, ,均为无色均为无色常温常温 SiF4 SiCl4 SiBr4 SiI4 气体气体 液体液体 液体液体 固体固体 制取制取1.
22、加热硅与氯加热硅与氯 Si + 2Cl2 SiCl4 2.将二氧化硅、氯、碳直接加热将二氧化硅、氯、碳直接加热 SiO2+2C+2Cl2 SiCl4+ 2CO 12-2-4 12-2-4 硅及其重要化合物硅及其重要化合物卤化物卤化物通式为通式为SiX4, ,均为无色均为无色常温常温 SiF4 SiCl4 SiBr4 SiI4 气体气体 液体液体 液体液体 固体固体 性质性质1.刺激性无色液体刺激性无色液体12-2-4 12-2-4 硅及其重要化合物硅及其重要化合物 2.易水解,在潮湿空气中产生浓烟易水解,在潮湿空气中产生浓烟 SiCl4+3H2O H2SiO3 +4HCl若若NH3与与SiCl
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