高中化学碳族元素和硼族元素竞赛解析
高中化学竞赛课件：无机化学全套碳族元素
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
p区元素知识归纳及解题分析2
例19：砷的化合物在农业上有广泛的用途。砒霜是最重要的砷化合物。从熔炼 提纯Cu和Pb的烟道灰中，可获得大量的砒霜，它是含As 75.74％的氧化物，它 形成分子晶体。 1、画出砒霜的分子结构图。 2、砷和硫直接相互反应形成As4S3、As4S4、As2S3和As2S5等硫化物。其中后两 个也能用H2S从As(III)和As(V)的盐酸溶液中沉淀出来。 （1）画出As4S4的分子结构图。 （2）写出用砒霜为原料制备As2S3的化学反应式。 3、试解释NH3、PH3、AsH3和SbH3中H—X—H之间的键角值分别是107.3°、 93.6°、91.8°和91.3°。 4、砒霜是剧毒物质，法庭医学分析上常用马氏试砷法来证明是否砒霜中毒： 把试样与锌和硫酸混和，若试样中含有砒霜，则会发生反应生成砷化氢；在无 氧条件下，将生成的砷化氢导入热的玻璃营中，在试管加热的部位砷化氢分解 形成亮黑色的“砷镜”。写出有关的化学方程式。 5、“砷镜”和“锑镜”的差异是马氏试砷法的一个判断依据，请指出这种差 异的化学原理。 6、假若用Zn在酸性介质中处理亚砷酸钾（K3AsO3）样品2.30 g，产生的AsH3 再用I2氧化至砷酸需要I2 8.50 g。试确定这种亚砷酸钾（K3AsO3）样品的纯度？
（1）砒霜中毒常用Fe(OH)2解毒，河水被As(III)污染后不适 宜用Fe(OH)2来处理为何？用熟石灰是常用方法，写出相关方 程式。 （2）法医检验砒霜中毒使用了Zn粉、盐酸，还使用NaClO， 为什么要使用它，写出方程式。
（3）设计测定As2O3和As2O5混合物含量的实验步骤，写出相 关方程式与As2O3百分含量计算式。
1、N2H4H2O 2、2NaOH + Cl2 === NaClO + NaCl + H2O NH2CONH2 + NaClO +2NaOH ==== N2H4H2O + NaCl + Na2CO3 3、 (1)尿素水解 NH2CONH2 + 2NaOH === 2NH3 + Na2CO3 (2)肼被氧化 NH2NH2 + 2NaClO === N2 + 2H2O + 2NaCl (或 N2H4H2O被氧化) 4、蒸馏 5、(NH2OH)HX+ SO3 == (NH2OSO3H)HX, (NH2OSO3H)HX+4NH3 === N2H4 + (NH4)2SO4 +NH4X
氮族、碳族和硼族元素
三、硼族元素 B、Al、Ga、In、Tl
（一）概述 ns2np1 除B外均为金属元素 氧化数：1、+3，从Ga→Tl由于惰性电子对效应+3化合物 稳定性降低，Tl3+有强氧化性，易转为Tl+的化合物。 化合物键型：B由于原子半径小，电负性大，其化合物场 均为共价型。其余多为离子型。 硼族元素原子的价电子数（3）<价层轨道数（4或9），这 种原子称为缺电子原子。缺电子原子可形成缺电子化合物， 如BF3、AlCl3等，缺电子化合物因有空的价层轨道能接受电 子对，故易形成聚合分子(Al2Cl6)和配合物（H[BF4]）。
2、硅酸盐 制备：SiO2与不同比例碱性氧化物共熔 溶解性：碱金属的硅酸盐可溶：重金属的硅酸盐 难溶且有特征颜色。 基本结构单元都是SiO 4四面体。
（三）锡、铅的重要化合物 1、氧化物和氢氧化物 两类 +2 MO M(OH)2 +4 MO2 M(OH）4 （1）组成及颜色 （2）溶解性，均难溶于水 （3）酸碱性。
（1）B2H6在空气中能自燃，放出大量热 B2H6（g）+3O2（g）→B2O3(s)+3H2O(g) r H m =－2033.79kJ.mol-1 （2）硼烷遇水发生水解作用： B2H6(g)+6H2O(l)→2H3BO3（aq）+6H2↑ r Hm =－2033.79kJ.mol-1 也放出大量热。 （3）硼烷与具有孤电子对的分子发生加合作用，如： B2H6+2CO→2[H3B←CO] B2H6+2NH3→2[H3B←NH3]
②PbO2在酸性介质中具有强氧化性 举例：PbO2+4HCl(浓) → PbCl2↓+Cl2↑+2H2O PbCI2+2HCl(浓) →H2[PbCl4] 2++2H O 2Mn2++5PbO2+4H+→2MnO +5Pb 2 4 （2）水解性 2 2 2+ 4+ 阳离子盐M 、M 及阴离子盐MO 2 、MO3 均会发生水解 SnCl2+H2O Sn(OH)Cl↓+HCl [Sn(OH)4] 2-+2H2O Sn(OH)2↓+2OH-+2H2O SnO22-+2H2O Sn(OH)2↓+2OH-
元素化学 硼族、碳族元素
（2）B、C族元素的成键特征 ） 、 族元素的成键特征
元素 B 成键特征 Al3+ sp CO、CO2 、 sp2
石墨， 石墨，大π
Al
C
Si
离子键
sp2 BF3 共价键
sp2 AlCl3
sp3 SiO2 硅氧四面体， 硅氧四面体， 巨型分子
缺电子特征： 缺电子特征： 桥键 配位键
（作为中心离子） 作为中心离子）
（1）性质 ）
大多数硼烷易挥发(但B10H14的熔、沸点都较高 大多数硼烷易挥发( 的熔、 在常温下为固体) , 在常温下为固体)； • 所有挥发性硼烷都有毒； 所有挥发性硼烷都有毒 有毒； 稳定性很 • 多氢的硼烷BnHn＋6热稳定性很低； 多氢的硼烷B • 少氢的BnHn＋4对热较稳定； 少氢的B 对热较稳定； • 几乎所有硼烷都对氧化剂极为敏感； 几乎所有硼烷都对氧化剂极为敏感； • 除B10H14 不溶于水且几乎不与水作用外 , 其他 不溶于水且几乎不与水作用外, 所有硼烷在室温都与水反应而产生硼酸和氢 ； •BnHn2 － 阴离子的化学性质比相应的中性硼烷稳 B 定。
2.B、Al的缺电子性质及对比： 、 的缺电子性质及对比 及对比： • 单质 的多中心键（缺电子之故）； 单质B的多中心键 缺电子之故）； 的多中心键（ • 硼烷中的氢桥键与多中心少电子键； 硼烷中的氢桥键与多中心少电子键； • 硼酸的酸式电离： 硼酸的酸式电离： OH
B(OH)3 +H2O → [HO-B ← OH]- +H+
OH • 卤化硼和卤化铝的特征：为路易斯酸，可以形 卤化硼和卤化铝的特征：为路易斯酸， 成加合物。酸性： 成加合物。酸性：BF3>BCl3>BBr3>BI3（？）
高中化学竞赛辅导无机化学15.1硼及其化合物知识点素材
第十五章 硼族元素Chapter 15 The Boron Family ElementsBoron (B) Aluminum (Al) Gallium (Ga) Indium (In)Thallium (Tl)Electron configuration ：n s 2n p 1§15-1 硼及其化合物 Boron and its Compounds一、General Properties1．硼的化学性质与Si 有某些相似之处（对角线相似原则）,通常硼呈现+3氧化态,负氧化态的情况很少.硼与金属形成非化学计量的化合物（nonstoichiometric compounds ）,M 4B 、M 2B 、MB 、M 3B 4、MB 2、MB 6等.(1) B 2O 3与SiO 2都是固态酸性氧化物,Al 2O 3是两性,CO 2是气态酸性; (2) H 3BO 3与H 4SiO 4都是很好的酸； (3) 多硼酸盐与多硅酸盐结构相似；(4) 硼烷、硅烷可形成多种可燃性气态物质,而AlH 3是固态. 2．在自然界中,硼以硼砂（borax ）：Na 2B 4O 7·10H 2O,四水硼砂（kernite ）：Na 2B 4O 7·4H 2O,天然硼酸 ( sassolite ）：H 3BO 3存在.3．硼在自然界中丰度之所以低,是因为Li He B 734210105+→+n ,所以硼材料可作为核反应堆的减速剂和生物防护. 二、The Simple Substance1．Boron has several allotropic forms. 无定形硼为棕色粉末, The crystals ofboron are black. 高熔沸点（m.p. 2300℃,b.p. 2550℃）单质硼有多种复杂的晶体结构,其中最普通的一种是α - 菱形硼,其基本结构单元为正二十面体的对称几何构型,然后由B 12的这种二十面体的布起来组成六方晶系的α - 菱形硼. 2．Properties(1) 硼和硅一样在常温下较惰性,仅与F 2反应.对于单质硼的同素异构形体而言,结晶状单质硼较惰性,无定形硼则比较活泼,在高温下：(2)单质硼作还原剂： 3SiO 2 + 4B强热3Si + 2B 2O 3 2B + 6H 2O(g)赤热2B(OH)3 + 3H 2↑ (3) 与氧化性的酸反应,生成H 3BO 3 (4) 在有氧化剂存在时,与碱反应：B 2S 3B BCl 3B 2O 3BN O 2S Cl 2N2Fig 15.1 Icosahedral arrangement of B 122B + 2NaOH + 3KNO 3共熔2NaBO 2 + 3KNO 2 + H 2O3．Preparation ： (1) 金属还原： B 2O 3 + 3Mg 2B + 3MgO KBF 4 + 3Na3NaF + KF + B(2) 工业上：从硼镁矿 → 单质硼 → 精制硼 a ．用浓碱溶液来分解硼镁矿： Mg 2B 2O 5·5H 2O + 2NaOH 2NaBO 2 + 2Mg(OH)2 + 4H 2O b ．通入CO 2调节碱度,分离出硼砂 4NaBO 2 + CO 2 + 10H 2O Na 2B 4O 7·10H 2O + Na 2CO 3 c ．用H 2SO 4调节酸度,可析出溶解度小的硼酸晶体：Na 2B 4O 7 + H 2SO 4 + 5H 2O 4H 3BO 3 + Na 2SO 4d ．加热,脱水： 2H 3BO 3B 2O 3 + 3H 2Oe ．用Mg 或Al 还原成粗硼：B 2O 3 + 3Mg 2B + 3MgO f ．精制：2B (粗) + 3I 22BI 32BI 31000－1300K钽丝2B(α - 菱形硼) + 3I 2三、Compounds 1．Boron hydrides:(1) 这类氢化物的物理性质相似于烷烃（paraffin ）,故称硼烷（Borane ）.多数硼烷组成是B n H n + 4、B n H n + 6,少数为B n H n + 8、B n H n + 10.但最简单的硼烷是B 2H 6.BH 3之所以不存在是由于B 的价轨道没有被充分利用,且配位数未达到饱和,又不能形成稳定的sp 2杂化态的离域π键,所以 BH 3(g) + BH 3(g)B 2H 6(g) ∆r G m,298 =-127kJ ·mol -1而BF 3之所以存在,是因为 64Π的存在.(2) preparation ： a ．质子置换法： ++3H MnB ++362Mn H B 21b ．氢化法： 233H BCl +HCl 3H B 2162+ c ．氢负离子置换法： 34BF 43LiAlH +ether 362AlF 33LiF H 2B ++ 344BF 3NaBH +ether4623NaBF H 2B +(3) 硼烷的结构特点：它是缺电子化合物（electron deficient compound ）,例如B 2H 6中价电子总共只有12个,不足以形成七个二中心二电子单键(2c-2e),B 原子采取sp 3杂化,位于一个平面的BH 2原子团,以二中心二电子键连接,位于该平面上、下且对称的H 原子与硼原子分别形成三中心二电子键,称为氢桥键.其分子轨道能级图为：在各种硼烷中呈现五种成键情况：a ． 2c —2e 端侧b ． 3c —2e 氢桥键c ． 2c —2e 硼硼键d ． 开放式 3c —2e 硼桥键e ． 闭合式 3c —2e 硼桥键1957－1959年,Lipscomb.W.N 提出了解决硼氢化合物的“三中心键理论”,获得了巨大的成功,荣获1976年Nobel 化学奖. “硼氢化合物拓扑理论”对于B n H n + m ：s 表示硼烷分子中氢桥键数目 t 表示硼桥键数目y 表示硼硼（B －B ）键数 x 表示(BH)n （端基氢）以外的切向B －H 基团的数目根据守恒原理：氢原子守恒：s + x = m B 原子的价电子守恒：s + 2t + 2y + x = 2nB 原子的轨道守恒：2s + 3t + 2y + x = 3n s + x = m①即 s + 2t + 2y + x = 2n ②2s + 3t + 2y + x = 3n ③由②、③ 得：s + t = n由①、② 得：m n y t 21-=+x = m - s B 4H 10 (4012)∴ t = n - sy = s -21m例： B 2H 6 (2002) (styx ) (4) properties ：B 的两个 sp 3杂化轨道H 的 1s 原子轨道三中心二电子键σσnonσ*Fig 15.2 Structure of biborane, B 2H 6实际上 3B 2H 6(g) + 6NH 3(g)2B 3N 3H 6(l) + 12H 2(g) B 3N 3H 6(l) + 3HCl(g)B 3N 3H 9Cl 3(s)NaBH 4B 3N 3H 12(5) applications ：a ．火箭燃料：B 2H 6(g) + 3O 2(g) B 2O 3(g) + 3H 2O(l) ∆c H m =-2152.5kJ ·mol -1B 2H 6理应是理想的火箭燃料,但由于所有硼烷有很高的毒性（B 2H 6 0.1ppm 致死）,且贮存条件苛刻（易燃且水解：B 2H 6 + 6H 2O 2H 3BO 3 + 6H 2）,只好暂时放弃.b ．万能还原剂（在有机化学上） 2NaH + B 2H 62NaBH 4c ．可以制备聚合物,高温稳定,低温保持粘度不变d ．硼烷化合物与蛋白质结合,用于肿瘤治疗 2．卤化物（Boron halides ）(1) preparation ：3CaF 2 + B 2O 3 + 3H 2SO 4(浓)2BF 3↑+ 3CaSO 4 + 3H 2O B 2O 3 + 3C + 3Cl 22BCl 3 + 3CO (2) properties ：a ．hydrolysis ：OH 64BF 23+343B(OH)BF 3O 3H ++-+ BF 3 + 3H 2O 3HF + H 3BO 3BF 3 + HF + H 2O -4BF + H 3O +BCl 3 + 3H 2O B(OH)3 + 3HClb ．与碱性物质反应：4BF 3 + 2Na 2CO 3 + 2H 2O 3NaBF 4 + NaB(OH)4 + 2CO 2↑可以看作首先形成HBF 4 + H 3BO 3,再与Na 2CO 3碱性物质反应.3．含氧化物 (1) B 2O 3a ．易溶于水：B 2O 3 + 3H 2O 2H 3BO 3 所以它是吸水剂.b ．硼珠试验：熔融的B 2O 3可熔解许多金属氧化物反应可得到特征颜色：CuO + B 2O 3Cu(BO 2)2 （蓝色） NiO + B 2O 3Ni(BO 2)2 （绿色）c ．与NH 3反应,在500℃生成(BN)n ,与石墨结构相似. B 2O 3(s) + 2NH 3(g) 1000℃2BN(s) + 3H 2O(g)(2) H 3BO 3a ．硼酸为一元弱酸,呈片状晶体结构,OH 间以氢键连接OH B(OH)23++-+H B(OH)4在冷水中溶解度小,在热水中因部分氢键断裂而使溶解度增大.b ．与碱反应：2NaOH + 4H 3BO 3Na 2B 4O 7 + 7H 2O 过量NaOH 使Na 2B 4O 7变成NaBO 2Na 2B 4O 7 + 2NaOH4NaBO 2 + H 2Oc ．H 3BO 3的酸性可因加入甘油或甘露醇等多元醇而大大增强HOBOOH HHOCH 2CHOHCH 2OH+H 3O + H 2O++OCH 2CHOH 2OB O [ ]d ．H 3BO 3也表现出微弱的碱性3HCl )B(PO POH B(OH)4433++(3) 一些硼酸盐阴离子结构a ．环状 -332)(BO ,在KBO 2,NaBO 2晶体中b ．zig —zag chains -n n )(BO 2,在Ca(BO 2)2,LiBO 2中4NaBO 2 + CO 2 + 10H 2O Na 2[B 4O 5(OH)4]·8H 2O + Na 2CO 3 c ．硼砂：Na 2B 4O 7·10H 2ONa 2[B 4O 5(OH)4]·8H 2ONa 2B 4O 7 + H 2SO 4(浓) + 5H 2O4H 3BO 3↓+ NaSO 4-2454](OH)O [B ：-452O B 焦硼酸盐：d ．硼酸盐阴离子结构式的特点： B 原子采取sp 2杂化33BO -：Mg 3(BO 3)2 ,LaBO 3 ； (B 2O 5)4-：Mg 2B 2O 5 ,Fe 2B 2O 5 ； (B 3O 6)3-：K 3B 3O 6 ,Ba 3(B 3O 6)2 (BBO 晶体) ； 2(BO )n n -：Ca(BO 2)2(s)B 原子采取sp 3杂化54BO -：TaBO 4 ； 4B(OH)-：Na 2[B(OH)4]Cl ；Mg[B 2O(OH)6][B 2(O 2)(OH)4]2-：Na 2[B 2(O 2)2(OH)4]·6H 2O B 原子既采取sp 2又采取sp 3杂化K[B 5O 6(OH)4]·2H 2O ,Ca[B 3O 3(OH)5]·H 2O ,Na 2[B 4O 5(OH)4]·8H 2O从上面的各种硼酸盐阴离结构式来看：当B 原子的端基是OH 基团时,硼酸根离子的结构式中,sp 3杂化的硼原子数目等于硼酸根阴离子的电荷数.凡是四个或四个以上硼酸根相连时,绝大多数的结构是B 原子以三配位或四配位同氧原子结合形成的.KB 5O 8·4H 2OKB 5O 6(OH)4·2H 2O煮OB O OB B O O B O O B O O B O OB OOHO B OO B B O OOB OHOHB OO OB OO HOB O B HOO O B OOBB O OH OH-] [硼砂也可以作硼珠试验. Na 2B 4O 7 + CoO 2NaBO 2·Co(BO 2)2 （蓝色） 3Na 2B 4O 7 + Cr 2O 36NaBO 2·2Cr(BO 2)3 （绿色）硼砂除了鉴别金属外,还可以用来焊接金属,因为它可以消除金属表面的氧化物.1971年美国结构化学家K.Wade 在分子轨道理论基础上提出了一个预言硼烷,硼烷衍生物及其它原子簇化合物结构的规则,通常称为“Wade 规则”,其含义是硼烷、硼烷衍生物及其它原子簇化合物的结构是由其骨架成键电子对数决定的.若以b 表示骨架成键电子对数,n 为骨架原子数,则b = n + 1为闭式结构(closo),b = n + 2为巢式结构（nido ）,b = n + 3为网式结构（arachno ）,b = n + 4为链式结构（hypho ）.这意味着随着硼烷骨架上的成键电子对数目增加,其完整程度逐一降低,开口程度不断增加.对于中性硼烷、硼烷阴离子,碳硼烷的结构均可用下式表示：[(CH)a (BH)p H q ]d -CH 提供给骨架3个电子,BH 提供给骨架2个电子,S 提供给骨架4个电子,P 提供给骨架3个电子给骨架,因为当硫原子和磷原子取代硼烷中的硼原子时,S 、P 原子上必有一对价电子指向骨架外侧,成为孤对电子对,所以键合时,S 原子提供4个电子,P 原子提供3个电子.则多面体骨架成键电子数 d q p a M +++=23,由于n p a =+,则：d q a n M +++=2 ∴b (骨架成键电子对数))(21d q a n +++=对于-2H B n n ：a = 0,q = 0,d = 2,,所以b = n + 1,为闭式结构B 11SH 11,B 10CPH 11为闭式,B 3C 2H 7,B 5SH 10为巢式.Practice Exercise ：应用Wade 规则,指出下列物质所属的结构类型：14108362421129112926695H B H B H C B H C B H C B H B H B ，，，，，，--- 11972318101510SH B H C B H B H B ，，，-。
2024年化学竞赛无机化学绝密课件硼族元素-(含多场合)
化学竞赛无机化学绝密课件硼族元素-(含多场合)化学竞赛无机化学绝密课件硼族元素摘要：本文主要介绍了化学竞赛中无机化学部分的重要知识点——硼族元素。
通过对硼族元素的概述、性质、化合物以及应用等方面的详细讲解，旨在帮助参赛者更好地掌握这一部分内容，提高化学竞赛成绩。
一、硼族元素概述硼族元素位于元素周期表的第二族，包括硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）和铍（Tl）等元素。
硼族元素在自然界中分布广泛，其中硼和铝是地壳中含量较多的元素。
硼族元素在化学性质上具有一定的相似性，但在物理性质和应用方面存在较大差异。
二、硼族元素的性质1.电子结构：硼族元素的原子结构中，最外层电子数为3个，因此它们在化学反应中容易失去3个电子，形成+3价离子。
2.金属性和非金属性：从上到下，硼族元素的金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱。
硼和铝具有较强的非金属性，而铟和铍的金属性较强。
3.离子半径：硼族元素的离子半径随着原子序数的增加而增大，这是因为原子核对最外层电子的吸引力逐渐减弱。
4.电负性：硼族元素的电负性随着原子序数的增加而减小，这是因为原子核对最外层电子的吸引力逐渐减弱。
三、硼族元素的化合物1.氧化物：硼族元素与氧元素形成的氧化物具有多种类型，如硼酸、氧化铝、氧化镓等。
这些氧化物在工业、医药等领域具有广泛的应用。
2.硼化物：硼族元素与金属元素形成的硼化物具有高熔点、高硬度和良好的导电性等特点，如碳化硼、氮化硼等。
3.氢化物：硼族元素与氢元素形成的氢化物在有机合成中具有重要应用，如硼氢化钠、硼氢化铝等。
4.硼酸盐：硼酸盐是一类重要的无机化合物，如硼砂、硼酸铝等。
它们在玻璃、陶瓷、洗涤剂等领域具有广泛应用。
四、硼族元素的应用1.金属铝：铝是硼族元素中应用最广泛的元素，广泛应用于建筑、交通、包装、电力等领域。
铝具有良好的导电性、导热性和轻质等特点，是国民经济的重要支柱产业。
2.硼化合物：硼化合物在农业、医药、化工等领域具有重要应用。
碳族及硼族元素
可看作：PbO· PbO2
氧化铅：(PbO)：橙黄色
小结:
氧化性减弱，酸性增强 Pb(OH)4 Sn(OH)4 PbO2 酸 性 增 强 Sn(OH)2 碱性增强，还原性减弱 碱 性 增 强 Pb(OH)2
4 锡、铅的盐类
水解：
BX3 3H 2 O H 3 BO3 3HX (X Cl, Br, I) 4BF3 3H 2 O H 3 BO3 3H[BF4 ] BF3 HF HF BF3
2 卤化硅 SiX4 SiF4 聚集态 分子量 g 小 SiCl4 l SiBr4 l SiI4 s 大
2PbS + 3O2 PbO + C Sn + CO2 2PbO + 2SO2 Pb + CO
1 锡、铅的氢氧化物
Sn
2
适量OH-
H+
适量OH-
Sn(OH)2 (s,白) Pb(OH)2 (s,白)
过量OH-
[Sn(OH)4 ]
[Pb(OH) ] 3
2-
P b2 Sn
过量OH-
HNO3或HAc
红宝石(Cr3+) 蓝宝石(Fe3+,Cr3+) 黄玉/黄晶(Fe3+)
2 氢氧化铝：Al(OH)3 两性， 在碱性溶液中存在[Al(OH)4]-或[Al(OH)6]33 简便书写为AlO2 或AlO3
3 铝的卤化物
AlF3 离子键 AlCl3 AlBr3 共价键 AlI3
共价分子：熔点低,易挥发,易溶于有机溶剂。
C60的制备
二 硼族元素概述
硼族(ⅢA)：B, Al, Ga, In, Tl 价电子构型：ns2np1 缺电子元素：价电子数<价层轨道数 缺电子化合物: 成键电子对数<价层轨道数 例如：BF3，HBF4 特点：a. 易形成配位化合物HBF4 HF BF3
2017-2018高中化学竞赛辅导(试题、讲解及答案)--碳、硼及其化合物
（2）根据陈教授的科研成果，试分析研究天然金刚石矿的成因；
（3）如果把陈教授合成金刚石的压力拆除，置于真空状态之下，其他条件都不变，化学 反应的方程式也不会改变你认为，还原的碳会以怎样的结构形式出现？
元素化学 16：碳、硼及其化合物
（时间：2.5 小时 满分：100 分） 第一题（9 分）硼的化合物选粹 硼是硬而脆及相对不活泼的元素，只能溶于热浓 HNO3、热浓 H2SO4，在空气中燃烧生成 ＋ B2O3 和 BN，但却无 B3 离子，BN 的结构和石墨相似，硼能形成原酸 H3BO3 及偏酸 HBO2，其 盐存在于自然界，B 和 H 形成一系列具有高燃烧热值的化合物，其通式为 BnH(n＋4)（不稳定） 、 。最简单气态氢化物在标准状态下密度为 1.235g/L。 BnH(n＋6)（稳定） 1．写出 XN 的结构式。 2．写出最简单氢化物的电子结构。
3．最简单氢化物的燃烧热，ΔHocomb＝－2020kJ/mol，基于此性 质，请考虑氢化物有何种用途？
4．硼酸晶体属于离子晶体、原子晶体、分子晶体、混合型晶体中的哪一种？指出硼酸中 的硼采取的杂化形式，以及硼酸中的大 B 键类型；
5．硼酸常温下为白色片状晶体，溶于水（273K 时溶解度为 6.35） ，在热水中溶解度明显 增大（373K 时为 27.6） 。请分析其中原因。
2．中国科学技术大学陈乾旺教授领导的研究组最近在人工合成金刚石研究中取得重大突 破，他们用自制的高压反应釜做实验，以二氧化碳为原料，用金属钠作还原剂，在 440℃和 800 个大气压的条件下，首次实现了从二氧化碳到金刚石的转变。2003 年 8 月 3 日，陈教授的论文 发表在国际权威刊物（美国化学会志）上。 （1）请写出陈教授合成金刚石的反应方程式；
3．用绿色化学的观念给出用 CO2 代替一氧化碳和光气的 2 个理由。与以 CO 或 COCl2 为 反应物对比，再给出用 CO2 为反应物的 1 个主要障碍（除必须对二氧化碳进行压缩外） 。
无机化学-硼族、碳族元素-硼化物、碳化物
碳化钨
C4-
6ห้องสมุดไป่ตู้位
N
Ph2P
N
N
Au
Au PPh2
Ph2P Au C Au PPh2
Au
Ph2P
Au
N
N
PPh2
N
+2Ag+ +2Cu+
王泉明 课题组
N
Ph2P
N
Ag
Au
N
Au PPh2
Ph2P Au C Au PPh2
Au
Ph2P N
Au
N
Ag
PPh2
N
Ph2P N
N
Cu
N
Ph2P
Au
Au
C Au
Au
PPh2 PPh2
Au
Ph2P N
Au
Cu
N
PPh2
N
CaO (s) + 3C (s) CaC2 (s) + CO (g) 2000oC Ca (l) + 2C(s) CaC2 (s) >2000oC 2Na (am) + C2H2 (g) Na2C2(s) + H2 (g)
碳化物
（2）共价型碳化物
B 和 Si 与碳形成机械硬度很大的共价型固体化合物 。 碳化硼和碳化硅是原子型晶体，都是硬质材料 。
（3）金属型碳化物
金属型碳化物具有金属的导电性和光泽。许多d区元素和f区 元素能形成金属型碳化物。 从价键的观点看，C 原子实际上进入金属原子空的d轨道而形 成的，金属原子空的d轨道越多，该金属与碳的结合力就越强, 它们的机械硬度和许多性质都表明存在强的M – C键 。 金属型碳化物是很有前途的硬质材料，但目前只有钨和钛的 碳化物 。
安徽安徽高中化学竞赛无机化学第十一章 碳族和硼族元素
第十一章 碳族和硼族元素11. 1. 01 石墨和金刚石：石墨的硬度小，熔点极高，具有如下面左图所示的层状结构。
层中碳原子碳原子 sp 2 杂化，每个碳原子与相邻的3个碳原子成 σ 键，构成平面层。
各碳原子的 p z 轨道均垂直于上述平面层，互相平行，在层内形成大π键 。
因为有离域 π 电子，所以石墨导电。
层间的分子间作用力小，易滑动，故石墨有润滑性。
层内的共价键和层间的分子间力，使得石墨成为典型的混合晶体。
木炭和焦炭基本属于石墨类型，但是晶形不完整。
金刚石的硬度最大，熔点极高，它的结构如下面右图所示，其中碳原子 sp 3 等性杂化，每个碳原子与相邻4个碳原子成 σ 键。
由于无自由电子，故金刚石不导电。
金刚石属于典型的原子晶体。
11. 1. 02 碳簇：以 C 60 为代表的碳簇，是碳单质的第3种同素异形体，碳簇是 20 世纪 80 年代被发现的。
可以从正二十面体出发去理解 C 60 的几何构型。
如下面左图所示，正二十面体共有20个面，每个面都是正三角形；共12个顶点；每个面角都是五面角。
将每个顶角都截掉，截口处产生12个正五边形，原来的20个正三角形都变成了正六边形。
C 60 的几何构型就是这种截角正二十面体，如下面右图所示，共有 20 个正六边形，12 个正五边形。
11. 1. 03 碳在冶金工业中的用途：冶金工业上，用碳作还原剂还原金属氧化物矿物，例如下面的反应FeO + C ======= Fe + CO ↑是炼铁过程中的重要步骤。
一些金属硫化物矿经高温焙烧转化为氧化物后，也要用碳在高温下还原以得到金属。
11. 1. 04 二氧化碳的分子结构：CO 2 的分子为直线形。
CO 2分子中的C 原子sp 等性杂化，sp 杂化轨道与两个O 原子的p 轨道成两个σ键。
不参加杂化的p y 轨道有一个单电子，左边O 原子的 p y 轨道有一对电子，右边O 原子的p y 轨道有一个单电子，所以在 y 方向形成一个 。
课件(温老师)-碳族硼族元素
溶剂热法 CCl4(l) + Na(s)
700℃ Ni-Co-Mn合金催化剂
非晶碳的金刚石
➢无定形碳(低结晶度碳) 炭黑（年产超过8×106t，94%用于橡胶制品的填料） 活性炭（高比表面积：400~2500 m2·g-1) 碳纤维（每架波音-767飞机需用1t 碳纤维材料）
形面，每个五边形均与5个六边形共边，而六边形则将12个五边形彼此
隔开. 与石墨相似，C60分子中每个C原子与周围三个C原子形成3个σ键 ，剩余的轨道和电子共同组成离域π键，可简单地将其表示为每个C原
子与周围3个C原子形成2个单键和1个双键。
（2）性质：金刚石的化学性质极稳定。石墨的化学性质总体
看来比较稳定，能形成类似 K+C8-这类化合物。 C60 室温下为 分子晶体（面心立方结构），能隙为1.5eV，这意味着固体 C60 为半导体。C60 的活泼性与分子中存在双键有关。用纯石墨作 电极，在 Ne 中放电，电弧中产生的碳烟沉积在水冷反应器的
感并用作润滑剂，但石墨是电
的良导体而后者是绝缘体。
石墨
B3N3H6 (无机苯) 立方氮化硼 六方氮化硼
8、自然存在和丰度
C，N，P是生物体的重要元素，C 与 O、H 形成的化合物 构成生物圈的主体 Si、O 形成的化合物构成地壳岩石圈的主体 。C以单质存在，其余大多以矿物形式存在，是 “稀散元素” 。
分子筛的功能和用途 离子交换功能 吸附功能 分离功能 催化功能
一个钠沸石笼
➢硅无机高分子
当今发展中的无机高分子材料有三大类：
R
R
O Si n
R
NP R
聚硅氧烷
聚磷腈
组成硅氧烷的基本结构单元为：
高中化学碳族元素竞赛课件.ppt
锡酸怎么得到：SnCl4+OH－ →Sn(OH)4+Cl－
锡也溶于碱：Sn+OH－ →Sn(OH)42－+H2 两性
Pb:污染环境，但可防护，用X射线照射 Pb+浓HNO3→Pb(NO3)2+NO2↑+H2O (Pb只会是 ＋2价)
碳族元素制取
Si: SiCl4(bp,330K)+Mg(或Zn)→Si Ge: GeCl4(bp,356K)+H2O→GeO2
Sn:锡疫 灰锡Sn(粉末) 白锡 脆锡 型 ＜286K 型 434K 型
但合金(如Pb)不发生“锡疫”(容器中常含Pb)
Sn、Pb有更强的金属性，可溶于盐酸，热浓 时迅速溶解。硝酸不论稀、浓均易溶，但产 物不同： Sn+极稀HNO3→Sn(NO3)2+NO↑+H2O Sn+浓HNO3→H2SnO3+NO2↑+H2O 两种锡酸：锡酸，锡酸不溶于水
-------------------------------→碱性
┆Ge2+ Sn2+
Pb2+
┆
两性(中) 偏碱
↓GeO2 Sn4+ 酸性
PbＯ２
碱介中： HGeO2－ Sn(OH)3－ HGeO3－ Sn(OH)62－
Pb(OH)3－ PbO2
酸碱性也帮助理解硫化物的溶解问题
SnS(橙)
PbS(黑)
成键方式最多的仍是第一排的C
C成键状况：sp3, sp2,sp杂化，什么方式决定于其 周围有几个 键；如CH4，CCl4；COCl2；HCN， C2H2
C—C键能较大 346KJ·ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱol，所以碳链可以无限地 连。
阜阳二中竞赛辅导硼族元素PPT课件
正常键
3．氢桥键 4．桥式（开放式）
H BB
B
BB
B
5．封闭式
BB
2c-2e bond； 2c-2e bond； 3c-2e bond； 3c-2e bond；
3c-2e bond。
第14页/共33页
三、硼烷的性质 （一）重要的化学反应
●自燃 B2H6(g) + 3 O2(g)
B2O3(s) + 3 H2O(g)
Ga、In、Tl 的高纯金属 是半导体材料.
第2页/共33页
§5-1 硼单质极其化合物 §5-1-1 单质硼
一、硼成键特征： （一）主要以共价键成键：
B 原子半径小，I1、I2、I3 大
B sp2杂化：BX3、B(OH)3、 sp3杂化： BF4-、 BH4-、 B(OH)4-
（二）B缺电子性质（ns2 np1） 价轨道数 4 2s 2px 2py 2pz 价电子数 3 2s2 2p1 例 BX3 , B(OH)3 BF3 + F- = BF4-
第15页/共33页
●加合反应 B2H6 + CO 2 [H3B CO] B2H6 + 2 NH3 [BH2·(NH3)2]+ + [BH4]2 LiH + B2H6 2 LiBH4 2 NaH + B2H6 2 NaBH4
第16页/共33页
§13-3 硼的含氧化合物
一、氧化硼
B2O3 重要的氧化物
（原子晶体，结构单元：B12） B12结构：正二十面体，12个顶点B原子，
第5页/共33页
（三）硼的化学性质
晶体硼惰性， 无定形硼稍活泼。
1．2B(s) + F2(g) ══ 2BF3 (B亲F)
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
应，得到化合物 B，分子式 C3N3O3Cl 3。 B 是一种大规模生产的化工产品，全球年产达
40 万吨以上，我国年
生产能力达 5 万吨以上。 B 在水中能持续不断地产生次氯酸和化合物
C，因此广泛用于游泳池消毒等。
10-1 画出化合物 A 的阴离子的结构式。
10-2 画出化合物 B 的结构式并写出它与水反应的化学方程式。
。
（密置层 1 分，填隙 1 分，共 2 分）
1 个“ NiO ”截面：
(2
r
2 O
－
)2sin120
＝°(2 ×140 ×10－12m)2sin120
＝°6.79
×10－20m2（ 2 分）
1m2Al 2O3 表面可铺 NiO 数： 1m2/6.79 1×0－ 20m2＝ 1.47 ×1019（ 1 分）
相当于：
74.7g ·mol－1×1.47
×1019
－
m
2÷
6.022
×1023
mol －1＝ 1.82
×10
－
3
g(NiO)/m
2(Al
2O 3)
（1 分）（共 4 分）
（将 1 个“ NiO ”截面算成 6.78 ×10－20 m2，相应的 1m2Al 2O3 表面可铺 NiO 数为 1.48 ×1019，不扣分。
含 Na 23.0% ，是一种温和的氧化剂，常温下在干燥空气里稳定，但在潮湿热空气中分解放氧，广泛用作洗
涤剂、牙膏、织物漂白剂和美发产品，也用于有机合成。结构分析证实 Z 2- ，该离子中硼原子的化学环境相同，而氧原子却有两种成键方式。
X 和 Y 的晶体中有同一种阴离子
4－ 1 写出 X、 Y 的最简式，给出推理过程。
1．写出 CaSO3 与 PCl 5 共热制备 SOCl 2 的化学方程式。
碳族元素和硼族元素
第 1题 ( 共 6分 ) 实验室制备少量硅一般采用镁粉还原 SiO2的方法，然后用稀盐酸洗涤产品以除去杂质。某 同学在进行上述操作时，在制得的产品中加 HCl 洗涤时突然起火。
(1) 请用化学方程式解释： ①稀盐酸洗涤产品可除去哪些主要杂质 ? ②为什么加 HCl 洗涤时突然起火 ?
11-3 计算预测 C60 球内可容纳的掺杂原子的半径。
第 11 题 (8 分 )
11-1 KC 60 面心立方晶胞 体心和棱心 710pm ( 各 1 分 ,共 4 分) 11-2 C60 分子形成面心立方最密堆积 ,由其晶胞参数可得 C60 分子的半径：
r (C60 )
a
1420 502 pm
（ 2006 年）第 11 题（ 11 分） 磷化硼是一种受到高度关注的耐磨涂料，它可用作金属的表面保护层。磷 化硼可由三溴化硼和三溴化磷在氢气中高温反应合成。
11-1.写出合成磷化硼的化学反应方程式。 BBr 3＋PBr 3＋ 3H 2＝ BP＋ 6HBr
11-2.分别画出三溴化硼分子和三溴化磷分子的结构。
的金属掺杂体系也往往呈现出多种优良性质，所以掺杂
C60 成为当今的研究热门领域之一。经测定
C60 晶
体为面心立方结构， 晶胞参数 a=1420pm。在 C60 中掺杂碱金属钾能生成盐， 假设掺杂后的 K +填充 C60 分子
堆积形成的全部八面体空隙，在晶体中以
K+和 C60－存在，且
C
－
60
可近似看作与
早在上世纪 50 年代就发现了 CH5+的存在，人们曾提出该离子结构的多种假设，然而，直至
1999 年，
才在低温下获得该离子的振动 -转动光谱，并由此提出该离子的如下结构模型：氢原子围绕着碳原子快速
转动；所有 C-H 键的键长相等。
1-2 该离子的结构能否用经典的共价键理论说明？简述理由。
1-3 该离子是（
1 6R r R
2
所以 r
6 (
1)R 0.225R
0.225 143 pm
32.2Pm (3 分 )
2
（ 2003）第 5 题（ 8 分 ） 在 30oC 以下，将过氧化氢加到硼酸和氢氧化钠的混合溶液中，析出一种无色晶 体 X 。组成分析证实，该晶体的质量组成为 Na 14.90％， B 7.03 % ， H 5.24 % 。加热 X，得无色晶体 Y。 Y
10-3 化合物 C 有一个互变异构体，给出 C 及其互变异构体的结构式。
10-4 写出上述尿素受热发生反应的配平方程式。 2007 第 7 题（ 12 分） 通常，硅不与水反应，然而，弱碱性水溶液能使一定量的硅溶解，生成
Si(OH) 4。
1-1 已知反应分两步进行，试用化学方程式表示上述溶解过程。
dB-P＝ 1 3a 1 3 478pm 207pm
4
4
或 dB-P＝
( 2 分)
11-5 画出磷化硼正当晶胞沿着体对角线方向的投影 B 原子的投影） 。
（用实线圆圈表示 P 原子的投影， 用虚线圆圈表示
( 4 分)
（ 2007）第 6 题（ 12 分） 尿素受热生成的主要产物与 NaOH 反应，得到化合物 A （三钠盐）。 A 与氯气反
第 3 题 (共 11 分 )2005 年 1 月美国科学家在 Science 上发表论文，宣布发现了 Al 的超原子结构，并预言其
他金属原子也可能存在类似的结构，这是一项将对化学、物理以及材料领域产生重大影响的发现，引起了科
学界的广泛关注。这种超原子是在 Al 的碘化物中发现的，以 13 个 Al 原子或 14 个 Al 原子形成 Al 13 或 Al 14
(1) 根据以上信息可预测 Al 13 和 Al 14 的稳定化合价态分别为
和
。 A1 14 应具有元素周期表中
哪
类化学元素的性质，理由是：
(2) 对 Al 13 和 A1 14 的 Al — Al 键长的测定十分困难，而理论计算表明， Al 13 和 Al 14 中的 Al — Al 键长与金属
铝的 Al — Al 键长相当，已知金属铝的晶体结构采取面心立方最密堆积，密度约为
C60 分子半径相同的球体。
已知 C 的范德华半径为 170pm， K +的离子半径 133pm。
11-1 掺杂后晶体的化学式为
如果为 C60－顶点，那么 K+所处的位置是
－ 中心的距离是
pm。
；晶胞类型为
； ；处于八面体空隙中心的
K+到最邻近的 C60
11-2 实验表明 C60 掺杂 K+后的晶胞参数几乎没有发生变化，试给出理由。
（若 X 是 NaBO 3· 4H2O，则 Y 中 Na 的质量分数为 23/81.8=0.28 不符合题意。 ） (1 分)
4－ 2 用最恰当的视角画出 Z 2-离子的立体结构（原子用元素符号表示，共价键用短线表示）
。
HO B
HO
2-
O
O
OH
O
B OH
O
(5 分； 不写“ 2－”不扣分。 )
参考图形：
1分)
碱土金属 因为 Al 14 容易失去 2 个电子而呈现 +2 价 (1 分 )
MZ (2) 根据晶体密度公式可得： V
NA
27 4 6.02 10 23 2.7
a 3 故晶胞参数 α=405pm
因为金属铝形成面心立方晶胞，所以原子半径与晶胞参数之间的关系为：
2a 4r
2
2
r
a
405 pm 143 pm
SiH4+2O 2
SiO2+2H 2O
(2) 在 N 2保护下 (或惰性气体 )，对硅烷气体进行检验。
SiH 4+2KMnO 4
H 2+K 2SiO 3+2MnO 2↓ + H2 O (不要求 )
(方程式各 1分，检验 1分 )
第 2 题 (8 分 ) C60 的发现开创了国际科学的一个新领域，除
C60 分子本身具有诱人的性质外，人们发现它
(2) 请设计一个实验来验证你的解释。 简明指出方法。 )
(不必画出装置图，也不必指出具体化学药品，不要写方程式，只要
1． (共 6分 ) (1) ① 2HCl+MgO
H2O+MgCl 2
2HCl+Mg
H2↑ +MgC2l
② SiO2+4Mg
Mg 2Si +2MgO
Mg 2Si+4HCl
SiH 4+2MgCl 2
超原子结构，量子化学计算结果表明， Al 13 形成 12 个 Al 在表面， 1 个 Al 在中心的三角二十面体结构， Al 14
可以看作是一个 Al 原子跟 Al 13 面上的一个三角形的 3 个 Al 形成 Al —Al 键而获得的。文章还指出， Al l3 和
Al l4 超原子都是具有 40 个价电子时最稳定。
1-7 该分子有无手性碳原子？
该分子有无手性？
第 2 题（ 13 分） 化合物 SOCl2 是一种液态化合物，沸点 77℃，实验室中可用 CaSO3 和 PCl5 混合共热制备。在工业生
产和化学实验中， SOCl2 是一种重要的化学试剂。在盛有 10mL 水的锥形瓶中小心地滴加 8～ 10 滴 SOCl2， 可观察到反应剧烈发生，液面上有白雾形成，并逸出刺激性气味的气体。
Br
B
Br
Br
平面三角形
（ 1 分）
P
Br
Br Br
(画不画磷上的孤对电子不影响得分）
三角锥
（2 分）
11-3 磷化硼晶体中磷原子作立方最密堆积， 硼原子填入四面体空隙中。 画出磷化硼的正当晶胞示意图。
11-4
( 注：填入另外四个四面体空隙也可，但不能一层空一层填）