碳族元素课件

+2、+4 +2、+4 灰白色 银白色 固体 固体 GeO GeO2 SnO SnO2
SiO2
H2SiO3 H4SiO4
酸性递减
Ge(OH)4 Sn(OH)4
碱性递增（多数有两性）
金属性、非金属性
非金属性递减、金属性递增
☞碳元素的单质
碳的成键轨道如下： 杂化态 空间构型 配位数
1
典型物质 CO、CN-
1999年美国Lawrence Livermore 国家实验室在–40oC的温度下将液态CO2 装入一高压容器用Nd:YbLiF4激光器热至 1800K，在40GPa高压下,CO2在微米级红 宝石芯片或铂薄膜上结晶。发现分子晶型 的CO2转化为SiO2结构。
3、不活泼性 CO2不活泼，但在高温下，能与碳或活泼金属 镁、钠等反应。 4、酸性 能与碱、碱性氧化物及碳酸盐反应。 CaCO3+CO2+H2O====Ca(HCO3)2
O
C
O
2、化学性质:
(l)CO还原性：CO为冶金方面的还原剂，还能使一些化合物中的金属离子还原。 如： CO+PdCl2+H2O===CO2+Pd↓+2HCl CO+2Ag(NH3)2OH===2Ag↓+(NH4)2CO3+2NH3 这些反应都可以用于检测微量CO的存在。 在工业气体分析中常用亚铜盐的氨水溶液或盐酸溶液来吸收混合气体中的CO，生 成CuCl· CO· 2H2O，这种溶液经过处理放出CO，然后重新使用，与合成氨工业中用铜洗 液吸收CO为同一道理。 Cu(NH3)2CH3COO+CO+NH3==Cu(NH3)3· CO· CH3COO
能形成+4价、+2价的 化合物
能形成通式为RH4的气 态氢化物(C、Si) 最高价氧化物对应水 化物通式为H2RO3或 R（OH）4
核 电 荷 数 增 加 ， 电 子 层 数 增 加
原 子 半 径 增 大
熔 沸 点 逐 渐 降 低
密 度 逐 渐 增 大
氢 化 物 稳 定 性 逐 渐 减 弱
碳族元素性质的递变规律
O
C
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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
元素 性质 主要化合价 单质色、态 氢化物RH4的稳定性 主要氧化物 最高价氧化 化学式 物的水化物
酸碱性
碳(C) +2、+4 无色或 黑色固体 逐渐减弱 CO、 CO2 H2CO3
硅(Si) +4 灰黑色 固体
锗(Ge)
锡(Sn)
铅（Pb） +2、+4 蓝白色 固体 PbO、 PbO2 Pb(OH)4
1573K
△
△
☞与酸反应
Si在含氧酸中被钝化，与氢氟酸及其混合酸反应，生成SiF4 或H2SiF6: 3Si + 4HNO3 + 18HF＝3H2SiF6 + 4NO↑+ 8H2O 无定形硅能与强碱反应放出氢气： Si＋2NaOH＋H2O＝Na2SiO3＋2H2↑
☞与碱反应
☞与金属反应
与钙、镁、铜、铁等化合生成硅化物：
碳的化学性质：
• • • • • • （1）碳在O2中燃烧，在620K时，产物为CO2。碳能与氟直接化合，但不与其 它卤素直接作用。 C(s)＋2F2 = CF2 （2）碳作为还原剂能与一些氧化物或氧化剂反应。 如： PbO(s)+C(S)=Pb(s)+CO(g) Fe2O3(s)+3C(s)=2Fe(s)+3CO(g) H2O(g)+C(灼热)=CO(g)+H2(g)
ⅣA 原子序数
碳(C) 硅(Si) 锗(Ge) 锡(Sn) 铅(Pb) 6 14 32 50 82
价层电子构型 2s22p2 3s23p2 4s24p2 5s25p2 6s26p2 0、+2 0、+2 0、(+2) 0、+2 0、+2 主要氧化数 +4 +4 +4 +4 +4 77 117 122 141 175 原子半径/pm 离子 r(M4+)/pm 16 40 53 69 78 半径 r(M2+)/pm 73 118 119
硅 单 质
多晶 多晶硅与单晶硅的差异主要表现在力学性质、电学性质等物理性 硅 质方面。多晶硅均不如单晶硅好。 无定 无定形硅是一种黑灰色的粉末，化学性质比晶态活泼 形硅
化学性质： Si + F2 = SiF4
☞与非金属反应
Si + 2X2 ＝ SiX4 (X = Cl,Br) Si + O2 = SiO2 3Si + 2N2 ==== Si3N4
氧化物： 锗、锡、铅有MO2和MO两类氧化物。MO2都是共价型、两性偏酸性的化合物。 MO也是两性的，但碱性略强。MO化合物的离子性也略强，但还不是典型的离子化合 物。所有这些氧化物都是不溶于水的固体。
二氧化碳：
1、温室效应 2、结构 在CO2分子中，碳原子与氧原子生成四个健，两 个和两个大∏键(即离城∏34键)。CO2为直线型分子 。碳原子上两个未杂化成健的p轨道分别与氧的p轨道 发生重叠,习惯上仍用O=C=O表示。
CO2 CO2 CO CO COC CO2 CO2 2 2 2O 2 CO CO2 2 CO 2
双电子键和一个电子来于O原子的配键组成。
CO分子中，电子云偏向氧原子，但是配键 是由氧原子的电子对反馈到碳原子上，这样又 使得氧原子略带正电性，碳原子略带负电性， 两种因素相互作用使CO的偶极短几乎为零。正 是因为碳原子略带负电性使得孤电子对（体积 稍大，核对电子对的控制降低）具有活性。
2s
C
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
☞锗 锡 铅
物理性质： 锗:银白色，硬金属； 424.2K 286.4K 铅:暗灰色，软金属，密度； 脆锡 白锡（ β 锡） 灰锡（α 锡） 锡：有三种同素异形体（灰锡，白锡， 脆锡）。
金属冶炼：
硫化物矿
焙烧
氧化物
碳还原
金属
△ SnO2 + 2C = Sn + 2CO↑ 焙烧 2PbS + 3O2 = 2PbO + 2SO2 △ PbO + C = Pb＋CO↑ △ PbO＋CO = Pb＋CO2 △ PbS＋Fe = Pb＋FeS
• • • •
2H2SO4(浓)+C(s)=CO2(g)+2SO2(g)+2H2O(1) 4HNO3(浓)+C(s)=CO2(g)+4NO2(g)+2H2O(1) （3）碳在电炉中能与许多物质反应，得到CS2，SiC，Al4C3，CaF2和Fe3C等等。 C(s)+2S(s)= CS2
☞碳的含氧化合物
☞概述
• 1.周期表中位置：第IVA族元素包括碳C、硅Si、锗Ge、锡 Sn、铅Pb五种元素统称为碳族元素。其中C 、 Si是非金属 元素，其余三种是金属元素。 • 2.价电子层结构：ns2np2 • 3.氧化态：能成氧化数为+4和+2的化合物，碳也能生成氧 化数为-4的化合物。在碳族元素中，随着原子序数的增大， 氧化数为+4的化合物的稳定性降低，惰性电子对效应逐渐 明显。 • 4.硅和第IIIA族的硼处于对角线位置，它们的单质及其化合 物的性质有相似之处。 • 5．自然界存在 • 碳：丰度：4.8×10-2%，游离的碳有金刚石和石墨，还以 化合态存在于煤炭、石油、天然气、动植物体及石灰石、 白云石、二氧化碳中。 • 硅：丰度：27.7%，占地壳质量的1/4强，含量次于氧。 • 锗、锡、铅：以矿物质存在，锗石矿Cu2S· FeS· GeS2、锡石 矿SnO2、方铅矿PbS等。
2C + SiO2 ==== Si + 2CO↑
723-773K
Si(粗硅) + 2Cl2 ===== SiCl4 SiCl4 + 2H2 = Si(纯) + 4HCl
用碳或碳化钙在电炉中还原二氧化硅可得到粗硅，经过精炼可得到纯硅，纯 硅用区域熔融法可以得到高纯硅。 物理性质： 单晶 硅 硅晶体为原子晶体，熔点高，可导电，导电率随温度的升高而增 大，是典型的半金属。
醋酸二氨合铜(I) 醋酸羰基三氨合铜(I)
(2)CO氧化性：
CO + 2 H2 CO + 3H2 Cr2O3,ZnO CH3OH 623-673K Fe/Co/Ni CH4 + H2O 523K,101KPa
(3)CO与碱的作用 CO显非常微弱的酸性，在473K及1.01×103kPa压力下能与粉末状的NaOH反应生 成甲酸钠： NaOH+CO===HCOONa 因此也可以把CO看作是甲酸HCOOH的酸酐。甲酸在浓硫酸作用下脱水可以得到 CO。
sp
sp2 sp3 sp3
直线形
平面三角形 四面体 三角锥
2
3 4 4
CO2，CS2，HCN，C2H2，OCN石墨，CO，C6H6，COCl2，CH 金刚石,CH4 CX4 CH3-
碳的同素异形体：
从X射线衍射分析可知，碳有金刚石、六方金刚石、石墨、球碳(以 C60为代表)和管碳等多种同素异性体，而又以石墨为主。就石墨本身而言， 由于层与层相互堆积的次序不同，它又有α（六方晶系）型和β（菱形晶系） 型石墨。无定形炭本质上都是纯度不等的石墨微晶。
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↓
碳有许多氧化物，已见报导的有CO、CO2、C3O2、 C4O3、C5O2和C12O9，其中常见的是CO和CO2。 一氧化碳： 1、结构 CO分子和N2分子各有10个价电子，它们是等电子体 ，两者的分子轨道的能级次序形式相同,由一个键,一个
* 2 p * 2p 2p 2p * 2 s
CO分 子 电 子 构 造 示 意 图
I1/(kJ· mol-1) 1402 1012 947 电负性(p ) 3.0 2.1 2.0
834 1.9
703 1.9
相似性
1、原子结构
最外层都有4个电子。
递变性
原子结构 单质物性 化学性质
最 高 价 氧 化 物 对 应 水 化 物 的 酸 性 逐 渐 减 弱
2、物理性质
单质都是固体。
3、化学性质
碳酸氢盐——水溶液呈微碱性 可溶性碳酸盐可作沉淀剂,分离某些离子
CO32-的鉴定（稀HCl或稀H2SO4、Ba(OH)2）
CO32-+ 2H+ → CO2 + H2O Ba(OH)2 BaCO3 (白色)
如
☞硅单质
硅是本族元素丰度最大的元素，在所有元素中居于第二，它是构成自然界矿 物的主体元素， 主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。 硅的制备： 电炉