无机化学课件碳族元素

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
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
§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。
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
合物的稳定性增强(分别从CO2、PbCl2的稳定性来记忆减—
江蘇省東海縣素有“水晶之鄉”之稱。 1958年在該縣發現我國最大的“水晶王”，質 量達3.5t。1983年1月又在該縣南溜村2m深的 地下挖出一塊質量為3t，高為1.4m的水晶，同 時出土的還有一塊質量為400kg的水晶體。
硅酸与硅酸盐：
(i)硅酸H2SiO3 ： 二元弱酸(10-10,10-12),酸性比碳酸弱。 硅酸容易聚合成胶状沉淀，所以其组成比较复杂， 通常用xSiO2·yH2O表示。 胶状硅酸被除去大部分水可以制的工业上应用广
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
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-
(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
一氧化碳与二氧化碳的比较
一氧化碳
二氧化碳
物理性质 无色、无味、有毒、无色、略带酸味、能溶于水、
难溶于水
固态称干冰
1、可燃性
1、不能燃烧、不助燃
化学性质
2、还原性
2、氧化性
3、不成盐氧化物
3、酸性氧化物
实验室 制法 工业制法
略
高温
C+H2O＝CO+H2
CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2↑ +H2O
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
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
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
作怪，如下图）。
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)
Si ＋ O2 高温 SiO2
Si ＋ 2H2
SiH4（不稳定）
Si＋2NaOH ＋ H2O ＝ Na2SiO3 ＋ 2H2↑
Si ＋ 4HF ＝ SiF4 ↑ ＋ 2H2 ↑
硅的工业制法
1、在工业上，用碳在高温下还原二氧化硅的方
法制得粗硅：
SiO2 ＋2C
高温 Si（粗硅）＋2CO↑
与氯反应：Si ＋2Cl2 ＝ SiCl4(温度为400～500℃)
生成的SiCl4液体通过精馏，除去其中的硼、砷
等杂质。然后用氢气还原：
高温
SiCl4 ＋2H2
Si ＋ 4HCl
硅的用途
硅是一种重要的非金属单质，用途非常广泛: ①作为良好的半导体材料，硅可用来制造集成电 路、晶体管、硅整流器等半导体器件， ②还可以制成太阳能电池 ③可制成有良好导磁性、耐酸性的合金。
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C60
足球分子
对C60的发现的三位化学家获得了1996年诺贝尔化学奖。
C60晶体结构
碳的同素异形体比较
同素 异形体
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
C + 2ZnO = 2Zn + CO2↑
金 刚 石
石墨 120º 共价键 范德华力
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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
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。
铅笔芯、耐火材 温润滑剂、耐热和
料
防火材料
2、碳的主要化合物： CO：
(i)制备 —— HCOOH + H2SO4(浓)；碳的不完全燃烧。 (ii)结构 —— 三重键，一个σ键、二个π键(其中一个是 π 配键 )
(iii)化学性质 —— 还原性、配位性/加合性。可与许 多过渡金属原子或离子形成羰基配合物，如Fe(CO)5(可 解释CO中毒，其中C是配位原子)
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。
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↑
2. 硅的主要化合物
二氧化硅SiO2:
(i)又称为硅石，是一种巨型分子，也有晶体和无定形
两种。自然界的晶体硅又称为石英、水晶；无定形的SiO2 在自然界中有硅藻土、燧石等。
(ii)石英是以SiO4为单元 的空间原子晶体，所以分子 式并不能代表其结构，同时
每个氧原子与两个硅原子结 合。因此它是硅原子与氧原 子按1 ：2的原子个数比组 成的具有空间网状结构的晶 体。
—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)
金刚石
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
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+ ＝
次于氧。是构成矿物和岩石的主要成分。
硅ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。