碳族元素及其化合物

碳族元素及其化合物

碳族元素通性

1、原子结构性质

相似性：

最外层电子构型:ns²np²

气态氢化物的通式：RH4

最高价氧化物对应的水化物通式为H2RO3或R(OH)4

递变性

+2价化合物主要氧化态稳定性：由上至下逐渐增强

+4价化合物主要氧化态稳定性：由上至下逐渐减弱

铅（Ⅱ）化合物稳定性高于铅（Ⅳ），铅（Ⅳ）本身为强氧化剂。

熔沸点降低（锡和铅反常），单质密度逐渐增大

金属性增强，非金属性减弱，（由于半径不断增大，原子核对外层电子引力变小所致）

最高价氧化物对应水化物的酸性减弱

氢化物的稳定性减弱

第一电离能:由碳至铅逐渐减小(同主族由上至下半径增大，更易失去最外层电子) 特殊:锡<铅熔沸点:由碳至铅逐渐减小(碳、硅为原子晶体，锗、锡、铅为金属晶体)

二、元素的成键特性

⒈碳:①共价键(sp:CO sp²:乙烯

sp³:甲烷):碳碳，碳氢，碳氧键键能大，稳定，因此碳氢氧可形成多种有机化合物。

②以碳酸盐的形式存在于自然界中

2.硅:①硅氧四面体形式存在(石英，硅酸盐矿)

②硅硅，硅氧，硅氢键较弱，可形成有机化合物但数量较少

3.锡铅:①离子键(+2氧化态，SnO、PbO +4氧化态，SnCl4)

②共价键(+4氧化态，SnO、PbO2)

碳及其化合物

1.单质(三种同素异形体)

①金刚石:结构:sp³杂化，原子晶体，五个碳原子构成正四面体

性质:硬度最大，熔沸点很高（由于其为空间网状结构），无色透

明，不导电，化学惰性，但800°C以上与空气反应成CO2

②石墨:结构:sp²杂化，层状原子晶体，每层上的碳原子各提供一个含成单电子的p轨道形成大π键层与层之间靠分子见作用力结合在一起。

性质: 灰黑色，硬度小，熔沸点低于金刚石；

化学惰性，500°C可被空气氧化成CO2，也可被浓热HClO4氧化成CO2

7C+4HClO4=2H2O+2Cl2↑+7CO2↑

良好导电性（因为每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子

可以自由移动）

润滑剂（同一层晶面上碳原子间通过共价键结合，层与层之间以分子间作用力结合，由于层与层之间的作用力很小，故很容易在层间发生相对滑动。因为这些结构上的特点，导致它的强度、硬度很低，可以起到很好的减磨作用）

③足球烯(主要介绍C60):

结构：C原子形成12个五元环和20个六元环，每个C与3个C形成3个σ键，

还有一个π6060的大π键。

应用：嵌入过渡金属元素（特别是稀土元素）合成高温超导材料

2.、碳的氧化物

（1）CO

①物性:无色无味气体，中性氧化物，有剧毒(CO可与血液中的血红素结合生成羰基化合物)

②化性:还原性

a.CO通入PdCl2溶液可立即生成黑色沉淀，可用于CO的定性检验。

CO+PdCl2+H2O==CO2↑+2HCl+Pd↓(此反应常用于CO的定性检验) b.冶金工业上CO是重要的还原剂 FeO+CO=Pd+CO2(加热)

a．与Fe、Ni、Co等过渡金属合成羰基化合物，分离，加热分解是制备高纯度金属的方法

③制备:工业 C+H2O=H2+CO(加热)

实验室HCOOH=CO↑+H2O(浓硫酸)

CO的分子轨道能级，形状和电子分布

⑵CO2 ①物性:无色无味气体，固体称为干冰，可溶于水，饱和溶液浓度在0.03～0.04mol/dm-3

不助燃(灭火)

②化性：CO2+2Mg=2MgO+C(不能扑灭染着的镁)

③鉴定：CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O

④制备：工业 CaCO3=CaO+CO2↑(加热）实验室 CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O

3.碳酸及其盐

⑴碳酸：CO2的水溶液，弱酸

（CO2在水中主要以水合分子形式存在，只有极少部分生成H2CO3，碳酸为中强酸，水合二氧化碳与碳酸浓度比约为600，PH～4）

⑵碳酸盐

①难溶的正盐酸式盐溶解度较大，易溶的正盐酸式盐溶解度较小。NaHCO3比Na2CO3难溶。（H CO3—离子在它们的晶体中通过氢键结合成链使可溶性的碳酸氢盐的溶解度小于正盐的。）

②阳离子的极化性和变形性越大，碳酸盐热稳定性越低；正盐比酸式盐稳定。

Na2CO3>MgCO3>Al2(CO3)3 BeCO3

正盐比酸式盐稳定（是因为H+是正电荷、半径小的离子，电荷密度集中，H+的反极化作用削弱了C—O键使得HCO3-不稳定。比如NaHCO3热稳定性差，而Na2CO3热稳定性好）

③碳酸盐均易水解

三、硅及其化合物

1.单质(无定形态，晶体)

①物性:熔沸点高，硬而脆，灰色，金属外貌

②化性 a.常温下溶于碱液:

Si+2OH-+H2O=SiO32-+2H2↑

Si+4OH-=SiO44-+2H2↑

b.与金属和非金属反应:

2Mg+Si=Mg2Si

Si+Cl2=SiCl4（400°C）

Si+O2= SiO2

Si+C=SiC （2000°C）

3Si+2N2=Si3N4（1000°C）

Si+2S =SiS2（高温）

2Mg+Si=Mg2Si

c.硅遇氧化性酸发生钝化，可溶于HF-HNO3的混合酸中:

3Si+4HNO3+18HF=3H2SiF6+4NO+8H2O

硅与氢氟酸:Si+4HF=SiF4+2H2↑

d.高温下与水蒸气反应:Si(s)+3H2O(g)=H2SiO3(s)+2H2(g)(加热)

③制备(粗硅)

SiO2+2C=Si+2CO↑(加热)

SiCl4+2Zn=Si+2ZnCl2(加热)

SiO2+CaC2=Si+Ca+2CO

SiH4=Si+2H2(加热)

2.二氧化硅——

二氧化硅不与水反应，即与水接触不生成硅酸，但人为规定二氧化硅为硅酸的酸酐

①结构：Si与O以四面体形式连接在一起，形成原子晶体

②物性：溶沸点高（SiO₂中Si—O键的键能很高），无色，难溶于酸（氢氟酸及热浓磷酸除外）

③化性：能溶于热碱 SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O

能溶于氢氟酸 SiO2+6HF=H2SiF6+2H2O(玻璃容器不能盛放浓碱溶液和氢氟酸；

盛碱的试剂瓶不能用玻璃塞而用橡胶塞的原因，可以用橡皮塞存放）

在高温下，二氧化硅能被碳、镁、铝还原：

SiO₂+2C=Si+2CO↑

若c过量，则发生反应：