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无机化学课件碳族元素

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碳族元素课件

碳族元素课件


O
C
O
☞碳酸盐
溶解性： 反应物 碳酸盐——除NH4+、碱金属(Li除外)盐，一般难溶 碳酸氢盐——一般易溶 金属氢氧化物<<对应碳酸盐 难溶碳酸盐对应的碳酸氢盐易溶 溶 如 CaCO3(难溶） Ca(HCO3)2(易溶)解 金属氢氧化物≈对应碳酸盐 易溶碳酸盐对应的碳酸氢盐溶解度较小 度 金属氢氧化物>>对应碳酸盐 水解性： 碳酸盐——水溶液呈碱性 向浓碳酸钠溶液中通入CO2致饱和 可析出NaHCO3 Na2CO3+ CO2+H2O → 2NaHCO3 (易溶) (溶解度小) 生成物 氢氧化物 碱式碳酸盐 碳酸盐
硅酸盐 硅酸钠的组成为xNa2O· ySiO2，俗 称水玻璃，或泡花碱，用途很广， 用于做粘合剂，防腐剂，软水剂， 洗涤剂和肥皂的填充剂，也是制硅
O
O
Si
O
O
SiO4四面体
胶和分子筛的原料。硅酸钠是最 常见的可溶性硅酸盐，由 石英砂与烧碱或纯碱反应而得到： 熔融 SiO2＋Na2CO3 == Na2SiO3＋CO2↑ 地壳质量的95%为硅酸盐矿，最重 要的天然硅酸盐矿是铝硅酸盐矿， 如钙长石， 钠长石等，是提取金属 铝的重要原料。 硅酸盐的结构很复杂，但基本结构 单元是相同的，均为硅氧四面体 SiO4，通过它的角顶氧原子可以连 接成链状，环状，层状或三维网格 结构等。各种硅酸盐的结构图形见 课本Si-硅酸盐结构
高温
Si＋2Mg ==== Mg2Si
☞硅含氧化合物
二氧化硅 硅酸 SiO2是原子晶体，基本结构单元是硅 通式：xSiO2· yH2O一般用 氧四面体，如图所示，原子比 =1/2。 偏硅酸 H2SiO3的式子代表 以Si-O共价单键结合。熔点高，硬度 硅酸.刚生成的硅酸主要以 大，不导电，不溶于水.纯石英称水晶， H4SiO4单分子形式存在, 放 无色透明，石英玻璃是将石英加热熔 置就逐渐缩合成多硅酸溶 胶, 在溶胶中加酸或电解质, 融冷却而成，具有耐高温，膨胀系数 小，透明度大，不吸收紫外线，用于 便可沉淀出白色透明有弹 作光学和耐高温仪器。 性的硅酸凝胶, 烘干并活化, 便可制得硅胶, 主要用于作 二氧化硅的化学性质不活泼，但容易 被碱和氢氟酸腐蚀： 干燥剂和吸咐剂。SiO2是 SiO2＋4HF＝SiF4＋H2O 酸性氧化物，难溶于水， SiO2＋2NaOH＝Na2SiO3＋H 不能用它和水反应得到硅 2O 熔融 酸，只能用可溶性硅酸盐 SiO2＋Na2CO3 == Na2SiO3＋ CO2↑ 经过酸化而得到 SiO32- + 2H+ ＝H2SiO3↓
高中化学竞赛课件：无机化学全套碳族元素

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3Sn ＋8HNO3( 稀）＝ 3Sn（NO3）2 ＋2NO ＋4H2 O
Sn ＋ 4HNO3（浓）＝ Sn O2 . H2 O +4NO2 ＋ H2 O
Sn + 2OH - + 2H2O = Sn(OH)24- + H2 或 Sn (OH )2－6
常温下， Sn 表面有一层保护膜。对水，对酸稳定，
纯 石 英：水晶
含有杂质的石英：玛瑙
§14-2 碳族元素单质及其化合物 2.1 单质 1. C 的同素异形体 Three allotropes of carbon
可以认为主要有三种:金刚石、石墨、碳原子簇。 a. 金刚石：C原子取 sp3 杂化，于另四个C原子形成四
面体单元，相互联结成一个巨型晶体，为原子晶体。 晶格分为立方和六方两种。
原子分子吸收而无法迅速逸散到外层空间去，使地球变暖。
二. 一氧化碳
CO 无色无臭有毒气体，在水中溶解度较小。
制备：向热浓硫酸中滴加甲酸 HCOOH 热—浓——H2S—O4CO↑ + H2O
草酸与浓硫酸共热 H2C2O4 ( s ) 热—浓—H—2S—O4 CO + CO2 + H2O
将 CO2 和 H2O 用固体 NaOH 吸收，得 CO 。 制纯的 CO 可用分解羰基化合物的方法
碳簇 以 C60 （足球烯，富勒烯）为最常见。
从正二十面体出发，去理解 C60 的几何形状。 正二十面体 共二十个面，每个面都是正三角形； 每个面角都是五面角，共十二个顶点。 将每个顶角 都截掉，截口处产生十二个正五边形，原来的每个正 三角形都变成了正六边形。 20 个正六边形，12 个正五边形 — 截角正二十 面体。
SiO 2 + 2C + 2Cl 2 = SiCl 4 + 2CO 将 GeCl4 分级蒸馏，再水解，还原 GeCl 4 ＋（ X + 2)H 2O = GeO2 .X.H2O + 4HCl GeO2 + 2H 2 = Ge + 2H2O
[实用参考]无机化学-碳族元素.ppt

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直线形 直线形
C2H2、HCN CO
2019/8/9 4
一、碳族元素在自然界的分布 二、碳族元素的单质 三、氧化物 四、含氧酸及其盐 五、氢化物 六、卤化物和硫化物
2019/8/9 5
一、自然界的分布
C 单质状态：主要是金刚石和石墨。化合
物：煤、石油、天然气、动植物、
石灰石、白云石、CO2等。
Si靠Si-O键联结成各种链状、层状和立体
2019/8/9 15
Pb: 质软、密度大（11.35g·cm-3),纯铅在空气中不稳定 →Pb（OH）2或Pb2（OH）2CO3
C(石墨）→（金刚石）石理墨：转化为金刚石的机
△fGmθ/kJ·mol-1 0
ρ/g·cm-3
2.260
2.9 ⑴ 溶剂说：石墨先溶解 3.515 在溶剂（金属催化剂）
△fHmθ/kJ·mol-1

O
1.897 中成为单个碳原子，然 后在冷却时直接生成金
反应的特点？ 吸热、体积减小 刚石。
欲使反应正向进行，采取的措施？⑵ 固相转化说：石墨的
第十四章 碳族元素
§14-1 碳族元素的通性 §14-2 碳族元素的单质及其化合物 §14-3 无机化合物的水解性
2019/8/9 1
元素符号 C Si Ge Sn
Pb
价电层结构 2s22p2 3s23p2 4s24p2 5s25p2
6s26p2
电负性
2.01 1.96(Ⅳ) 2.33 (Ⅳ) 2.25 1.90 (Ⅳ) 1.80(Ⅱ) 1.87 (Ⅱ)
2019/8/9 9
上图：纳米管在预先做 好阵列的硅晶片上催化 生长的结果。把Si晶片 置于一个充满乙烯容器 内,在特定的晶面上涂上 催化剂，加热后，高纯 的碳管以惊人的速度生 长，其速度可以达到每 小时500英里。
高中化学竞赛 无机化学第3章碳族元素(共31页PPT)(共31张PPT)

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• You have to believe in yourself. That's the secret of success. 人必须相信自己，这是成功的秘诀。
•
钠、钾、铵等易溶盐碳酸氢盐溶解度小于 正盐因为氢键存在，形成二聚物或多聚物。
OH OC
O C
O 2-
O HO
O-
OO
O-
CH OO
CHC H
海 平 面
CO2为头号温室气体，在有温度记载的 130多年中，最热的年份有10个，其中9个是 在1980年后，过去百年间，全球年平均地表
水
气温（简称全球温度）上升0.3~0.6℃。
位
变
化
（
cm
）
1880 1900
1920
1940
1960
1980 年份
3. Mn+与可溶性碳酸盐的反应特点
1. Mn+电荷高,极易水解。如 Al3+,Fe3 +,Cr3+ 加入CO32-互 相促进,发生双水解反应。
Al2(SO4)3+Na2CO3+H2O = Al(OH)3+Na2SO4+CO2
2. Mn+可水解,其氢氧化物溶解度与碳酸盐差不多,生成 碱式盐沉淀。如Be2+,Mg2+,Cu2+。
2 Mg2+ +2 CO32- +H2O = Mg2(OH)2CO3+CO2 2 Be2+ +2 CO32- +H2O =Be2(OH)2CO3+CO2
PbCO3 ↓(白)
PbO2(棕黑) 强氧化剂 能氧化HCl,H2SO4,Mn2+ Pb3O4 红色 铅丹(23)2 + PbO2 + H2O
工科大学化学----无机结构基础 《无机化学》第18章 《碳族元素》 课件

工科大学化学----无机结构基础 《无机化学》第18章 《碳族元素》 课件

第18章Carbon Family Elements碳族元素Chapter 18本章教学内容18.1 碳族元素概述18.2 碳族元素的单质18.3 碳的化合物18.4 硅的化合物18.5 锡、铅的化合物18.1 碳族元素概述⏹碳族元素在周期表中的位置碳族⏹碳族元素在自然界中的存在碳：金刚石、石墨；煤、石油、天然气;碳酸盐; CO 2; 生物体内等。

硅：SiO 2 和各种硅酸盐。

锗：硫银锗矿4Ag 2S · GeS 2硫铅锗矿2PbS · GeS 2金刚石硫银锗矿锡：锡石SnO 2铅：方铅矿PbS ，白铅矿PbCO 3锡石18.2 碳族元素的单质18.2.1 碳18.2.2 硅和锗18.2.3 锡和铅⏹碳的同素异形体金刚石：原子晶体,硬度最大,熔点最高。

石墨：层状晶体，质软，有金属光泽。

金刚石石墨“千年星”世界最大钻石之一，重203克拉。

富勒烯：C 60，C 70等。

碳纳米管：由类似石墨的六边形网格所组成的管状物，管子一般由单层或多层组成，两端封闭。

无定形碳：无定形碳实际是石墨的微晶体。

富勒烯（足球烯）碳纳米管无定形碳富勒烯衍生物神奇的碳纳米管碳纳米管简介碳纳米管(Carbonnanotube)又叫巴基管，是碳的一种同素异形体，由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管。

直径在0.33nm 到几十纳米之间，长度可达数微米。

碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。

碳纳米管的特性•高的机械强度和弹性。

•高的比表面积。

•强的吸附性能。

•优良的导体和半导体特性。

•优良的光学特性。

碳纳米管有着不可思议的强度与韧性，重量却极轻，导电性极强，兼有金属和半导体的性能；把纳米管组合起来，比同体积的钢强度高100倍，重量却只有1/6。

碳纳米管具有非常广泛的用途。

碳纳米管的应用•碳纳米管具有中空的结构，可作为非常优良的“储存”氢气的容器。

•超级电容。

碳纳米管制成的超级电容和一节电池所存储的能量相，几秒内可完成充电，几乎永不损耗。

珍贵无机化学课件第12章 P区元素—碳族元素

珍贵无机化学课件第12章 P区元素—碳族元素

第十二章
碳族元素
本章学习要求：
1、了解碳酸盐的热稳定性
2、了解硅卤化合物的性质
3、了解硅氧化物的性质
碳族元素： 碳（C）、硅（Si）、锗（Ge）、锡（Sn）、铅（Pb）
赋存： 碳: 地层中储量不多，但存在动植物中的数量巨大。
大多数碳为有机碳
CO、CO2、H2CO3、碳酸盐—无机碳 硅、锗—半金属元素、良好半导体材料
金属离子的极化能力越大，碳酸盐热稳定性越小
O M2+ O C O
2-
金属离子可看作是外电场， 只极化邻近的一个氧原子 ， 使这个氧原子和碳原子的 结合力减弱
碱土金属与碱金属相比： 电荷大，离子半径小→极化能力↑→易分解 同一主族：从上→下 离子半径大 →极化能力↓→难分解
三、一氧化碳
CO是无色无臭的气体,有剧毒，不溶于水，也不和水反应 C≡O 三键 1.128Å 1066KJ· －1 偶极小 µ mol =0.118 CO分子和N2分子的构型相同，性质类似 t 熔点（℃） 沸点 CO -205 -190 N2 -210 -196
13.2℃ 灰锡 白锡 脆锡 231.9℃ 液态
常温不与O2反应，熔化时与O2→SnO2 ，不与H2O反应
Sn+2HCl（浓）=SnCl2+H2 Sn+H2SO4（浓）=SnSO4+SO2+H2O Sn+4HNO3（浓）=H2SnO3↓+4NO2+H2O β—锡酸 Sn与X2 or S直接化合 Sn缓慢溶于弱碱
Mg 2Si 4HCl SiH 4 2MgCl 2
三、硅的卤化物
制备：1）
Si 2X 2 SiX 2
(X=F、Cl) SiX2与H2O接触分解 （浓H2SO4除水， 以防止SiF4水解）
无机化学第十五章碳族元素

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
碳族元素PPT课件

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易后期的分离提纯。
缺点：单壁碳纳米管的纯度
较低、易粘结。
2020/1/6
有机气体催化裂解
催化裂解法是目前应用最 广、最易实现大规模生产的 一种制备方法。在此法中化 学气相沉积法应用最广。一 般采用铁、钴、镍及合金做 催化剂，粘土、硅酸盐、氧 化铝做载体，低碳烃如乙炔、 甲烷、丙烯等做碳源、氮气、 氢气、氨气等做稀释气在高 温的气流炉中进行，有时候 还采用等离子加强或微波辅 助的方法来保持碳原子的均 匀分布。
在所有物质中，它的硬度最大。物质硬度刻画法规定，以金刚 石硬度为10来度量其它物质的硬度。（Cr为9、Fe为4.5、Pb为 1.5、钠为0.4等）
金刚石对所有的化学试剂都显惰性，但在空气中加热到1100K
左右时能燃烧成CO2
2020/1/6
7
金刚石俗称钻石，除用 作装饰品外，主要用于 制造钻探用钻头和磨削 工具，重要现代工业原 料，价格十分昂贵。
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
目前全世界已经发现的化合物种类达400多万中，不含碳 的化合物不超过10万种
110多种元素，碳是地球上化合物种类最多的元素
2020/1/6
4
硅的丰度为27.7%，第二位
地壳中含量最多的元素氧和硅结合形成的二氧化硅SiO2，占地壳 总质量87%。硅以大量的硅酸盐矿和石英矿存在于自然界。
碳是组成生物界的主要元素，硅是构成地球上矿物界 的主要元素
锗是暗灰色、重而软金属，晶态锗也是重要半导体材料
锡是银白色金属，质软无毒，耐腐蚀，延展性好
锡有三种同素异形体——灰锡，白锡和脆锡；是金属型晶体 常温下，锡表面生成一层保护膜 低于－48℃时，白锡会转变成粉末状的灰锡
苏州大学《无机化学》碳族元素-PPT精选文档

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过 量 的 O H
[ P b ( O H ) ] 3
PbCrO4 + HNO3 → Pb2+ + Cr2O72－+ NO3－
锡Sn2+盐的水解
亚锡很容易水解，配置溶液需在较浓的酸 中溶解，否则
S n + H O + C l 2
2 +
-
S n ( O H ) C l ( s ) + 2 H
+
NaBiO3 + Mn2+ + H+(硝酸) → Na+ + Bi3+ + MnO4-
2. 可溶性的碳酸盐作为沉淀剂与金属离子作用生 成难溶物质时，产物是正盐、碱式碳酸盐还是氢氧化
物， 要根据难溶物质的溶解度确定。
（或根据同类沉淀的溶度积常数Ksp来决定） 如：[Ca2+、Mg2+、Cr3+ 、Cu2+与CO3 2－ ] Mg 2+ + CO3 2－ + H2O → Mg(OH)2 (s) (Cr 3+) [Cr(OH)3 (s)]
玛
瑙
水 中 花 园
天然硅酸盐都难溶，结构复杂，但基本结构单元 都是四面体骨架SiO4
(a) [SiO4]4- (b) Si2O76- (c) Si4O128- (d) Si6O1812-
四、 锡铅的主要化合物-----P680-685
1. 亚锡Sn2+还原性和鉴定：
利用下列反应和现象来进行Sn2+、Hg2+的相互鉴定 Θ [S n (O H )6]2- + 2 e=- 0 .96 V [S n(O H )4]2- + 2O H- E
第3章-碳族元素

第3章-碳族元素


三、碳硫化 物和卤化物
二硫化碳
CS2是无色有毒的有挥发性液体(b.p＝ 226.9K)，是有机物、磷和硫的溶剂， 由硫蒸气和煤反应得到。它是易燃物 质，也是制CCl4的主要原料。
2S＋C＝CS2 CS2＋3O2＝CO2＋2SO2 CS2＋3Cl2====CCl4＋S2Cl2
MnCl2
卤化物
碳的卤化物可以看作是CH4的取代物, 是分子物质, 具有较低的沸点,CCl4是常用的有机溶剂, 也用于作 灭火剂, 氟利昂-12(CCl2F2)用于作冰箱的致冷剂， CBrClF2用于作灭火剂（称灭火剂-1211）。
CO＋3H2===================CH4＋H2O
活性碳
Cr2O3·ZnO，623－673K
CO＋Cl2========COCl2 (光气，有毒)
二、碳酸和碳酸盐
碳酸根 的结构
CO2溶解于水生成碳酸，它 是弱酸，仅存在于水溶液中， 碳酸盐是相当多的一类物质。
O
∏46
2-
O C HO
酸式盐
第三章
碳族元素
1、碳族元素概述 2、碳族元素的单质
3、碳的化合物
4、硅的化合物 5、锡和铅的化合物
1、碳族元素概述
碳族(IVA)：C, Si, Ge, Sn, Pb
价电子构型：ns2np2
C -4 +2 +4 4 Si Ge Sn +2 +4 6 Pb +2 (+4) 6
氧化值 最大配位数
+4 (+2) +4 6 6
锗单质是灰白色金属，硬而脆，结构类
似于金刚石。
锡单质有三种同素异形体：
灰锡(α 锡) 13.2℃ 白锡(β 锡) 161℃ 脆锡
无机化学课件碳族

无机化学课件碳族


锡：锡石 SnO2 。
铅：方铅矿 PbS，白铅矿 PbCO3 。
第5页/共46页
图
锡石SnO2
方铅矿 PbS
单质
第6页/共46页
17.2 碳族元素的单质
第7页/共46页
碳单质的同素异形 体 ： 金刚石：原子晶体,硬度最大,熔点最高。
石墨：层状晶体 ，质软，有金属光泽。 足球烯或富勒烯： C60， C70 等。
CO32-(6+3×8+2=32e-)与BF3 (5+3×9=32e-) 为等电子体。
O
C：sp2杂化
C
O
O
2-
Π6 4
第21页/共46页
碳酸及其盐的热稳定性：
①H2CO3<MHCO3<M2CO3
H 2CO 3 H 2O CO 2 (g)
2M
I HCO
3
M
I 2
CO
3
H2O
CO
2
M IICO 3 M IIO CO 2 (g)
Ba
2
CO
23
BaCO
3 (s)
②氢氧化物碱性较弱的金属离子与之反应生成碳酸羟盐(碱 式碳酸盐)沉淀。
例如：Pb2+、Bi3+、Cu2+、Cd2+、Zn2+、Hg2+、Co2+、Ni2+ 和Mg2+等。
第25页/共46页
2Mg2 2CO32- H2O 2Cu2 2CO32- H2O
Mg2(OH)2CO3(s) CO2(g) Cu2(OH)2CO3(s) CO2(g)
结构： Si采用sp3杂化轨道与氧形成硅氧四面体
硅氧四面体
二氧化硅

无机化学第十五章碳族元素

铅中毒对神经系统和肾脏等器官有害， 锡中毒可能导致肝脏损伤和皮肤炎症 等。
05
碳族元素的前景展望
新材料和新能源的发展
新材料
碳族元素如硅、锗等在新型材料领域具有广泛的应用前景， 如硅基太阳能电池、锗基半导体材料等。随着科技的发展， 碳族元素有望在新型材料领域发挥更大的作用。
新能源
碳族元素在新能源领域如燃料电池、锂电池等也有着重要的 应用，其性能和安全性不断提高，有助于推动新能源产业的 发展。
THANKS
感谢观看
碳族元素在工业中有许多应用，如硅 和锗用于半导体材料，锡用于制造合 金和焊料，铅用于电池和颜料等。
02
碳族元素的通性
碳族元素的原子结构
原子结构相似
碳族元素原子的最外层电子数均 为4，容易形成共价键。
电子构型相同
碳族元素的电子构型为ns²np²，其 中n为能级数。
价电子构型相似
碳族元素的价电子构型为(ns²)(np²)， 表现出相似的化学性质。
锗
较少见，主要存在于硫化物矿 中。
锡和铅
存在于地壳中的多种矿石和岩 石中。
碳族元素的主要用途
碳
用于制造各种有机化合物，如塑 料、合成纤维、染料等，也是钢
铁和其他金属的合金元素。
硅
用于制造半导体器件、集成电 路、太阳能电池等，也是建筑 和耐火材料的重要成分。
锗
用于制造电子器件、光纤通信 、红外光学仪器等。
碳族元素在环境保护中的作用
空气净化
碳族元素如硅和锗等可用于空气净化技术，通过吸附和催化作用去除空气中的有害物质，提高空气质 量。
水处理
碳族元素可用于水处理技术，如硅藻土和活性炭等，能够有效去除水中的杂质和有害物质，保障饮用 水安全。同时，碳族元素还可用于土壤修复和废物处理等领域，为环境保护做出贡献。

精编无机化学教学课件 14章 碳族元素


C60的结构
Fullerite
2 碳单质的还原性
碳单质最重要的化学性质是它的还原性。是通过自身被氧化为CO或 CO2将别的物质置换出来，起到还原的作用。大量的研究的到下图：
图中 反应C+O2=CO2 的rS≈0, 反应2C+O2= 2CO的 rS>0, 反应2CO+O2=2CO2 rS <0。 三条直线交于983K。 高于此温度,2C+O2=2CO的反应倾向大， 低于此温度,2CO+O2=2CO2的反应倾向更大。 生成CO的直线向下倾斜,这使得几乎所有金 属的rG−T直线在高温下都能与C-CO直线 相交。能够被碳还原，碳为一种广泛应用的
金刚石的结构
（2）石墨 石墨具有层状结构，层内每个碳原子都以 sp2 杂化轨道与邻近的三 个碳原子形成共价单键，构成六角平面的网状结构，这些网状结构又 连成片状结构。同一层中的每个碳原子均剩余一个未参加杂化的 2p 轨 道，其中有一个未成对电子，同层中碳原子的 2p 轨道相互重叠，形成 一个垂直于平面层的由 Ne 个原子 Ne 个电子形成的大π键。大π键的电 子可以在整个平面层中流动，所以石墨具有层向的良好导电性和导热 性。石墨的层与层之间距离较大，层与层之间的作用力是范德华力， 容易沿着与层平行的方向滑动、裂解，因此石墨质软且具有润滑性。
石墨的结构
（3）碳原子簇 由 N 个碳原子组成的 CN 分子(N < 200)，称为碳原子簇，它们的 结构为封闭的多面体的圆球形或椭球形。
C60 是由 60 个碳原子联结的多边形所构成的近似圆球的分子。C60 是一个直径为 1 nm 的空心圆球, 60 个碳原子围成直径为 0.7 nm 的球 形骨架, 球心到每个碳原子的平均距离为 0.35 nm。在球面上有 60 个顶 点，由 60 个碳原子组成 12 个五元环面、20 个六元环面和 90 条棱。

碳族元素ppt课件


第一节 碳族元素的通性
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
硅Si 以Si－O－Si键存在: 水晶、石英SiO2 , 其它硅酸盐矿物
锗Ge 锡Sn 铅Pb
实验室法HC：OOH──浓─加H─热2→SOC4 O＋H2O
☞性质
☞ CO＋PdCl2＋H2O＝CO2＋Pd↓+ 2HCl
还 CO + 2Ag(NH3)2OH = 2Ag + (NH4)2CO3 + 2NH3
原 高温还原： CuO + CO = Cu + CO2
性
Fe2O3＋3CO＝2Fe＋3CO2
☞三种碳单质的分子结构图
335pm
碳原子sp2杂化成键，剩余的 pz 轨道互相平行，均垂直于 分子平面，在层内形成大
∏mm键。有离域 ∏ 电子，所 以石墨导电。层间的分子间
作用力小，易滑动，有润滑
性。
金刚石硬度最大，熔 点最高的单质。m.p. 3823K。 碳原子sp3等性杂 化，无自由电子， 不导电。
个键，两个
4 3
. . ..
CO2是酸性氧化物，能与碱反应。 工业上 CO2用于制备纯碱、小苏打、
:O. —— C.. —— O. :
碳酸氢铵、啤酒、饮料2CO3
CO2用于作灭火剂。但着 火的镁条在CO2气中能继 续燃烧，所以CO2不助燃 也是相对的。
CO2
NaHCO3
在所有单质中，它的熔点最高，达3823K。
石墨
石墨很软，具有润滑性，导电导热，密度比 金刚石小，熔点比金刚石仅低50K，为773K。

无机化学第十五章碳族元素

⽆机化学第⼗五章碳族元素第⼗五章碳族元素§本章摘要§1.碳单质氧化物碳酸及其盐其它含碳化合物2.硅单质硅烷硅的卤化物硅的含氧化合物3.锗锡铅单质锗锡铅的含氧化合物卤化物和硫化物§1.碳⼀.单质1. 同素异形体⽯墨 : 硬度⼩，熔点极⾼，层状结构, C： sp2杂化，剩余的p1轨道，在层内有πnn键，有离域电⼦, 所以导电；层间分⼦间作⽤⼒⼩，易滑动，有润滑性。

2. 碳的还原性冶⾦⼯业上，⽤碳还原⾦属氧化物制备⾦属，如:MgO + C ---Mg + CO (2000K)碳的氧化还原，涉及到以下三个反应:碳簇: 以C60为最常见。

正⼆⼗⾯体，每个⾯都是正三⾓形，每个⾯⾓都是五⾯⾓，共⼗⼆个顶点，将每个顶都截掉，得⼗⼆个正五边形，原来的每个正三⾓形都变成了正六边形。

20个六边形，12个正五边形，结构为截⾓正⼆⼗⾯体。

(a) 斜率为正； (b) 斜率基本为零；(c) 斜率为负 (与斜率相反)再看反应 2Mn + O2---- 2MnO 的情况，< 0，斜率为正，当达到 m.p. 时，斜率更⼤，见直线(d)，在温度 Ty，(c) 线和(d)线相交，两反应的△rGm相等。

当 T > Ty时，才有(e)式的△rGm < 0, 则表⽰ C可以将 MnO还原，产物是CO，若产⽣CO2，则温度还要⾼(达到Tz以上). 正是由于2C + O2--- 2CO的△rSm > 0, 所以碳在冶⾦⼯业上被⼴泛⽤为还原剂. 问题: (e)式的△rHm为正还是负?⼆氧化物⼯业上将空⽓和⽔蒸⽓交替通得到的⽓体含CO 25％，CO24％，N270％（体积⽐）这种混合⽓体称为发⽣炉煤⽓。

另⼀反应：2. CO⽆⾊⽆臭有毒⽓体，在⽔中溶解度较⼩. 1°制备向热浓硫酸中滴加甲酸:草酸与浓硫酸共热:H 2C2O4(s) --- CO + CO2+ H2O (热浓H2SO4,将CO2和H2O ⽤固体NaOH柱吸收, 得CO)制纯的CO, 可⽤分解羰基化合物法:含CO 40％，CO25％，H250％为⽔煤⽓。

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高温
SiO2 ＋ CaO
CaSiO3
高温
SiO2＋2C 高温 Si ＋ 2CO↑
SiO2 + CaCO3
CaSiO3 + CO2 ↑
二氧化硅与二氧化碳的比较
二氧化碳CO2 二氧化硅SiO2
物质分类
均属于酸性氧化物
与碱性氧化 物反应
CO2 ＋ CaO＝CaCO3
高温 CaO＋SiO2 CaSiO3
与碱反应 与水反应
(Cr 3+)
[Cr(OH)3 (s)]
3. 碳酸盐的热稳定性较差，它们的差别可用极化理 论解释(如碱土金属的碳酸盐)，金属离子极化力越大，
稳定性越差。稳定性的顺序为：
碳酸盐﹥酸式盐﹥碳酸
碳酸正盐与酸式盐的比较
正盐
酸式盐
水溶 性
热稳 定性
钾钠铵盐易溶于水、其它难溶
K2CO3、Na2CO3受热难分解 CaCO3、(NH4)2CO3受热易分解
通常用二氧化硅和金属氧化物的形式表示。主要用
于建筑材料，实验室常见的有分子筛与沸石（铝硅酸 盐）。见打★的阅读材料。
硅酸钠：Na2SiO3可以写成 Na2O ·SiO2
高岭石：Al2(Si2O5)(OH)4
Al2O3 ·2SiO22H2O
钙长石：CaAl2SiO6
CaO ·Al2O3 ·SiO2
特殊玻璃： 钢化玻璃、光学玻璃、 化学玻璃、有色玻璃、 变色玻璃、电加温玻璃、钾玻璃、 微晶玻璃、 石英玻璃
§13.2
碳族元素包括：
碳族元素----P555-582
碳C、硅Si、锗Ge、锡Sn、铅Pb
碳族元素的价层电子构型：
ⅣA —— ns2np2
本节要求：
1. 熟悉C、Si元素及其化合物的结构特点和性质 2. 熟悉碳的主要化合物(CO、CO2、碳酸、碳酸盐) 的结构特点和性质； 3. 熟悉Sn2+的还原性、Pb2+的溶解性、PbO2和 NaBiO3的氧化性及其它们氢氧化物的酸碱性规律。
金刚石Βιβλιοθήκη 石墨C60(富勒烯)
晶体 结构
正四面体，空 平面层状六边形 32面体，具有12个
间网状的原子 结构，层間以范 五边形，20个六边
晶体
德华力结合
形，类似足球形状
熔、沸点高， 熔点高，质软有 主要 硬度大，难溶，滑腻感，良导体 熔点较低 性质 不导电
主要 用途
形成的化合物有超 钻具、装饰品 润滑剂、电极、 导性。有些可作高
高温
CaCO3＝CaO+CO2↑
H2CO3和碳酸盐：
CO2溶于水后，大部分以水合分子的形式存在，所
以溶于水生成碳酸的量少，浓度小；碳酸为二元弱酸， 二级解离常数小(10-4、10-7)。
碳酸盐有两种，它们的特性有：
1. 碳酸盐除碱金属和铵外，一般难溶于水。而难 溶的碳酸盐所对应的酸式盐溶解度较大；反之，易溶 的碳酸盐所对应的酸式盐溶解度较小（原因是氢键在
石灰石、粘 土
石灰石、纯碱、石英
复杂的物理化学变化
CaCO3 + SiO2== CaSiO3 + CO2 Na2CO3 + SiO2==Na2SiO3 + CO2
3CaO.SiO2、2CaO.SiO2、
Na2SiO3、 CaSiO3、SiO2
3CaO.Al2O3 没有一定的熔点，能在一定的温
具有水硬性，热膨胀系数几跟铁一样 度范围内软化
—惰性电子对效应)。
碳族元素及其单质的一些重要性质
元 元 原子 主要
单质的性质
素素 名符
半径
化合价
颜色、状态
称 号 (nm)
密度 熔点 ( g·cm-3) (℃)
沸点 (℃)
碳C
0.077 +2,+4
金刚石： 无色固体
石墨： 灰黑色固体
3.51 3550
4827
2.25 3652~36 4827
97(升华)
二、碳单质及其主要化合物
——没有碳就不会有生命
1. 碳单质—— 金刚石、石墨、C60(同素异形体) 金刚石与石墨物理性质差别大的原因主要是它们的 结构不同：
金刚石是原子晶体; 石墨是层状晶体(混合晶体)
古代的“药金”外观与金相似，被认为是金子。 冶炼方法如下：将碳酸锌、赤铜（Cu2O）、木炭混 合加热至800℃得金光闪闪的“药金”。 （1）“药金”的主要成分是Zn, Cu （2）有关冶炼的化学方程式是 ZnCO3 = ZnO + CO2↑、C + 2Cu2O = 4Cu + CO2↑
CO2 ＋2NaOH＝
SiO2 ＋2NaOH＝
Na2CO3+H2O
Na2SiO3+H2O
CO2 ＋ H2O＝H2CO3
不反应
Si与B的单质和化合物性质相似(对角线规则)
二氧化硅的物理性质和用途
• 物理性质：硬度大、熔点高、难溶于水 • 用途：制光导纤维、电子工业重要部件、光学仪
器、耐高温化学仪器。利用石英晶体制造石英电 子表、石英钟等。
乳 石 英
玛瑙
(iii)SiO2化学性质主要为： ➢ 是酸性氧化物，可跟强碱溶液或熔融条件下反 应 (如NaOH、Na2CO3)。
➢(实弱验氧室化里性盛放碱液的Si试O2剂＋瓶2常O用H橡－＝皮S塞iO，32而－＋不用H2玻O璃塞)
➢与盐反应（固体）生成硅酸盐
➢与氟(氢化氟氢酸反用应塑(腐料蚀瓶玻装璃，不) S能iO用2 玻+ 4璃H瓶F装=S) iF4 + 2H2O
普通水泥、矿渣硅酸盐水泥、沸石 岩水泥等
普通玻璃、硼酸玻璃、铅玻璃、 有色玻璃、钢化玻璃
Na2SiO3
硅 Si 0.117 +2,+4 晶体硅：
2.32~ 1410 2355
灰黑色固体 2.34
锗 Ge 0.122 +2,+4 银灰色固体 5.35 937.4 2830
锡 Sn 0.141 +2,+4 银白色固体 7.28 231.9 2260
铅 Pb 0.175 +2,+4 蓝白色固体 11.34 327.5 1740
泛的硅胶，硅胶表面积大，吸附能力强，可用作干燥
剂和催化剂的载体。
(ii) 硅酸盐： 大部分难溶于水(除常见的K2SiO3、Na2SiO3即水 玻璃)，一般具有特征颜色。
水 中 花 园
正長石(KAlSi3O8)
天然硅酸盐都难溶，结构复杂，但基本结构单元
都是四面体骨架SiO4
(a) [SiO4]4- (b) Si2O76- (c) Si4O128- (d) Si6O1812-
CO2↑+H2O
NaHCO3+NaOH＝
Na2CO3+H2O
2NaHCO3 ＝
Na2CO3+CO2 ↑+H2O
三. 硅单质及其主要化合物：
硅单质
大规模集成电路
太阳能电池
玛瑙
1. 硅(silicon)单质
硅的分布与存在
• 存在：没有游离态，只有化合态 • 分布：自然界中分布广泛，在地壳中居第二位，仅
都溶于水
2NaHCO3＝
Na2CO3+CO2↑+H2O
与酸 反应
与碱 反应 转化 关系
CO32- +2H+ ＝CO2↑+H2O CaCO3+ 2H+ ＝
Ca2++CO2↑+H2O
Na2CO3+Ca(OH)2 ＝
CaCO3 ↓+2NaOH
Na2CO3+CO2+H2O= 2NaHCO3
HCO3- +H+ ＝
CO2： (i)作用 —— 产生温室效应(一方面有利于植物的 生长；另一方面又使地球温度上升)；易液化(分子间 作用力大)可用在人工降雨和制冷；不助燃可作灭火剂 (不能用来灭燃烧的镁)。 (ii)结构 — 二重键，二个σ键、二个大π键 ：
π4 3
(iii)化学性质 —— 不活泼，与水反应，具有酸性氧 化物的性质。
石墨
硅(矽)
Si
錫
是一種重金屬，有毒 (慢性中毒，尤其對小 孩嚴重，輕則智力低 下、重則弱智)。
鉛
钻
玻
石
璃
鱼
地
缸
砖
水晶
石英盐
紫 晶
黑曜石
缟玛瑙
玛瑙
水
泥
瓷
人面鱼纹陶盆（陕西半坡出土）
石英玻璃坩埚
氮化硅陶瓷制品
光导纤维
太阳能汽车
一. 碳族元素性质规律的概述
递变性
相似性
原子结构 单质物性 化性 弱 最
次于氧。是构成矿物和岩石的主要成分。
硅的物理性质
• 硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅是灰黑色、有 金属光泽、硬而脆的固体；
• 硅的结构类似于金刚石，难溶于水、熔点和沸点都 很高，硬度大；
• 导电性介于导体和绝缘体之间，主要用于半导体材 料中。
晶
体
Si
硅
结
构
硅的化学性质
常温下，化学性质不活泼，除氟气、氢氟酸和强 碱外，硅不跟其他物质（如氧气、氯气、硫酸、硝酸 等）起反应。在加热条件下，能跟一些非金属反应。
原子结构
最 外 层 都 有 4 个 电 子
高
原 子 半 径 增 大
熔 沸 点 逐 渐 降 低
密强 非 度金 逐属 渐性 增减 大弱
、 金 属 性 增
氢 化 物 稳 定 性 逐 渐 减 弱
氧 化 物 对 应 水 化 物 的 酸 性
逐
此外，从上到下+4价化合物稳定性降低，而+2价渐化