碳族元素
碳族元素
(二)碳的氧化物（CO2和CO）
1、CO2（1）物性：无色无味，密度比空气 大的气体，能溶于水，固体CO2称“干冰” （2）化学性质：a、具有酸性氧化物的通性 b、弱氧化性：CO2＋C＝2CO 点燃 CO2＋2Mg==2MgO+C （3）制取：工业上煅烧石灰石 : 高温 CaCO3==CaO+CO2 实验室：CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2+H2O 固体＋液体－气（不加热）可启普发生器及 简易装置
练习：某无色溶液可能由Na2CO3 、MgCl2 、 NaHCO3 、BaCl2 中的一种或几种混合而成.往 溶液中加入烧碱溶液出现白色沉淀 ，加入稀 H2SO4 也出现白色沉淀，并放出气体，据此分 析，下述组合判断中正确的是 （ B ） ① 肯 定 有 BaCl2 ② 肯 定 有 MgCl2 ③ 肯 定 有 NaHCO3 ④肯定有Na2CO3 或NaHCO3 ⑤肯定 无MgCl2 A、① ② ⑤ B、① ③ C、② ④ D、① ③ ⑤
从左到右酸性减弱、碱性增强
CH4 SiH4
－
－
－
从左到右稳定性减弱
3、单质的物理性质（见P148）
思考1：根据元素周期律的知识，Pb的金属性比Sn强， 而在金属活动性顺序表中，Sn的活动性却比Pb强，这 是否矛盾？
不矛盾。在金属活动性顺序表中，是指金属单质在水溶液中失 去电子的能力；而元素周期表中指元素原子失电子能力强弱。
碳族元素性质递变规律
元素符号 原子半径的变化 金属性、非金属 性变化 最高正价 最高价氧化物化 学式 对应水化物化学 式及酸碱性强弱 氢化物化学式及 稳定性
C
Si
Ge
Sn
Pb
从左到右逐渐增加
碳族元素知识点总结
碳族元素知识点总结碳族元素是元素周期表中的第14组元素，包括碳(C)、硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)和铅(Pb)。
碳族元素具有许多重要的化学和物理性质，对于我们的日常生活和工业发展具有重要意义。
以下是关于碳族元素的几个主要知识点的总结：1.原子结构和电子配置：碳族元素位于周期表的p区，外层电子结构为ns2np2、碳原子的电子配置为1s2 2s2 2p2、在碳族元素中，碳和硅是典型的非金属，锗是半金属，锡是过渡金属，铅是主族金属。
2.原子半径和离子半径：碳族元素的原子半径有增大的趋势。
这是因为随着原子序数的增加，电子层的数量也增加，电子屏蔽效应增强，从而使得原子半径增加。
在同一族元素中，离子半径随着正电荷数的增加而减小。
3.化学反应性：碳族元素的化学反应性有较大差异。
碳和硅都是非金属，具有较高的电负性。
它们能够形成多种化合价的化合物，如碳的四价化合物和硅的四价和六价化合物。
锡和铅具有特殊的价态行为，可以形成多种化合价的化合物。
锡和铅通常表现出二郎功能。
4.晶体结构和物理性质：碳族元素的晶体结构和物理性质有明显的变化。
碳以钻石、石墨和富勒烯等多种晶体结构存在。
钻石具有非常高的硬度，石墨具有良好的导电性和润滑性，富勒烯则具有独特的球形结构。
硅具有金刚石样的晶体结构，可以形成多种晶体相。
锡和铅以金属晶体结构存在，具有良好的导电性和可塑性。
5.化合物和应用：碳族元素形成了众多的化合物，具有重要的应用价值。
最重要的化合物是碳的氧化物，如二氧化碳和一氧化碳。
二氧化碳在大气中起到重要的温室效应，一氧化碳是一种有毒气体。
锗和硅的氧化物是重要的半导体材料。
锡和铅的氧化物具有良好的导电性和光学性能，常用于制备导电玻璃和陶瓷材料。
此外，锡和铅还广泛用于合金制备和防腐剂。
6.生物学意义：碳族元素在生物学中具有重要的意义。
生命体中含有大量的碳和硅。
碳是有机物的组成要素，是地球上生物多样性的基础。
硅在植物细胞壁和一些动物骨骼中起到结构支持的作用。
第十四章-碳族
主要 氧化数
+4,(+2) +4,(+2) +4, +2 +4, +2 +4, +2
原子序数 6
14 32 50 82
C，Si IV>>II
+4
+2 Ge，Sn IV > II
Pb
II>>IV
第十四章 碳族元素
碳的特性
§14.1 通性
由于碳的原子半径最小，电负性最大，电离 能也最高，故共价键 C－C 键能非常大，又没有d 轨道。所以碳与本族其它元素之间的差异较大， 其主要表现为：
第十四章 碳族元素
在 C60 中碳原子 为 sp2 杂化，未参加 杂化的一个 p 轨道在 C60 球壳外围和内腔 形成大π键。
§14.2 单质及化合物
12个五边形 20个六边形
第十四章 碳族元素
§14.2 单质及化合物
其结构与建筑学家富勒.布 基明斯特为1967年为蒙特利尔 设计的世博会建筑物相同， 故名叫富勒烯。人们在C60的 大量合成方法建立后两年内 发现了它的数十个反应，其 中许多与烯烃的金属有机化 学相类似。C60象一些配体那 样在富电子铂配合物中以两 个碳原子与金属键合。
（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
碳原子在化合物中的成键特征: sp3, sp2, sp
键
键能
键
键能
C-C
346
C-H
411
Si-Si
222
Si-H
318
Ge-Ge
167
C-O
358
Sn-Sn
155
碳族元素
碳族元素一、碳族元素碳族元素位于元素周期表第IV A 族,包括碳(C)、硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、铅(Pb)五种元素.最外层电子数均为4个,易形成共价化合物,主要化合价为+2、+4价.碳族元素比同周期的氮族元素的金属性强.由碳→硅→锗→锡→铅,核电核数递增,电子层数增多,原子半径增大,元素单质的非金属性递减,金属性增强;C 、Si 的氢化物RH 4稳定性逐渐减弱,而Ge 、Sn 、Pb 不存在严栺意义上的氢化物.最高价氧化物的水化物酸性递减,碱性增强,酸性H 2CO 3>H 2SiO 3,碱性Ge(OH)4<Sn(OH)4<Pb(OH)4,且后三者均有两性;Pb 以+2价的化合态较为稳定,其他4种元素通常状态下以+4价的化合态较为稳定.锗是一种灰白色的脆性金属,它的晶体结构是金刚石型,熔点为1210 K.在化学性质上,它略比硅活泼些.在400 K 左右,就能被氯化成GeCl 4.若锗呈细粉状,则瞬间燃烧.它能溶于浓H 2SO 4和浓HNO 3中,但不溶于NaOH 溶液中,除非有H 2O 2存在,高纯锗是一种良好的半导体材料.二、碳及其化合物(一)碳的同素异形体不活泼 比金刚石稍活泼 石墨比金刚石稳定碳,表面积大,吸附能力强,称为活性炭.C 60是一种以新的单质形态存在的碳,由60个碳原子构成的分子,形似足球,故又称为足球烯或富勒烯.(二)碳的化学性质1.与非金属反应2C+O 22CO(O 2不足) C+O 2CO 2(O 2充足)C+H 2CH 42.与氧化物反应C+H 2OCO+H 2C+2CuO =====△2Cu +CO 2↑2C+Fe 2O 33Fe+2CO 2↑3.与某些强氧化性酸反应C+2H 2SO 4(浓)=====△CO 2↑+2SO 2↑+2H 2OC+4HNO 3(浓)=====△CO 2↑+4NO 2↑+2H 2O(三)碳的氧化物1.一氧化碳(CO)CO 是无色、无味、剧毒气体;熔点-196℃,沸点-191.5℃;难溶于水,通常1体积水约溶解0.02体积的CO;密度比空气略小;可燃,在高温下有较强的还原性.CO 是一种配体,能与一些有空轨道的金属原子或离子形成配合物.例如同VI B 、VII B 、VIII 族的过渡金属形成 羰基配合物:Fe(CO)5、Ni(CO)4和Cr(CO)6等.(1)CO 是较好的还原剂它在高温下可以从许多金属氧化物中夺取氧,使金属还原,如Fe 2O 3、CuO 或PbO.CO 还能使一些化合物中的金 点燃点燃属离子还原.如:3CO+Fe 2O 32Fe+3CO 2CO+CuO =====△Cu +CO 2CO+H 2O+PdCl 2=Pd↓+2HCl+CO 2(该反应可以作为CO 的检验,反应十分灵敏)以上这些反应都可以用于检测微量CO 的存在.(2)CO 与其他非金属的作用 与卤素反应:CO 与F 2、Cl 2、Br 2反应可得到碳酰卤化物,如CO+Cl 2−−→−光照COCl 2 碳酰氯又名“光气”.目前工业上是用活性炭作催化剂,在200℃时,等体积的一氧化碳和氯气作用制取.碳酰氯在室温时为带有甜味的无色气体,沸点为8.2℃,熔点为-118℃,相对密度1.432,易溶于苯以及甲苯.碳酰氯毒性很强,对人和动物的黏膜以及呼吸道有强烈刺激的作用,具有窒息性,侵入组织则产生盐酸.在第一次世界大战时曾被用作毒气.碳酰氯具有酰氯的一般特性,可収生水解、醇解、氨解等反应,是一种比较活泼的试剂,是有机合成上的一个重要原料.(3)CO 与碱的作用CO 显非常微弱的酸性,在473 K 以及1.01×103kPa 压力下能与粉末状的NaOH 反应生成甲酸钠:CO+NaOH −−−−−→−⨯kPa 1001.1,3活性炭HCOONa2.二氧化碳(CO 2)CO 2是无色无味的气体,比空气重,能溶于水(1:1),易液化,固体CO 2俗称“干冰”,属于分子晶体,能升华,汽化时吸热,常作制冷剂.CO 2一般情况下不能燃烧,也不能助燃,但在与C 、Mg 等物质的反应中体现出氧化性.如 CO 2+2Mg 2MgO+C CO 2是碳酸的酸酐,具有酸酐的通性.与水反应:CO 2+H 2O H 2CO 3与碱的反应:CO 2(不足)+2NaOH=Na 2CO 3+H 2OCO 2(足)+NaOH=NaHCO 3与碱性氧化物反应:CO 2+Na 2O=Na 2CO 3与盐反应:CO 2+Na 2CO 3+H 2O=2NaHCO 3实验室常用石灰石(CaCO 3)与稀盐酸或稀硝酸反应制取CO 2,反应方程式如下:CaCO 3+2HCl=CaCl 2+CO 2+H 2O CaCO 3+2HNO 3=Ca(NO 3)2+CO 2+H 2O知识拓展:碳的其他化合物(1)碳为-4价的化合物(CH 4、Al 4C 3、TiC 、ZrC 、Mo 2C 、W 2C 等)水解性(或与水反应):Al 4C 3+12H 2O=4Al(OH)3↓+3CH 4↑ CaC 2+2H 2O=Ca(OH)2+C 2H 2↑20%HfC 和80%TaC 组成的合金是已知物质中熔点最高的(4400℃).(2)CS 2CS 2是易挥収、易燃的无色有机溶剂,明显水解:CS 2+2H 2O=CO 2↑+2H 2S↑与碱性硫化物的反应:CS 2+Na 2S=Na 2CS 3(四)碳酸(H 2CO 3)和碳酸盐1.碳酸碳酸是CO 2的水溶液,只存在稀溶液中,很不稳定,是一种二元弱酸,具有酸的通性.碳酸的酸性比H 2S 、HClO 、苯酚的酸性强,比CH 3COOH 弱.2.碳酸盐的特征铵盐和碱金属的碳酸盐易溶于水,但其酸式盐的溶解度较低.在饱和Na 2CO 3溶液中通入CO 2会有NaHCO 3晶体析出:CO 2+Na 2CO 3+H 2O=2NaHCO 3↓;而其他金属离子的碳酸盐难溶于水,但其酸式盐却有较大的溶解度. 地表层中的CaCO 3和MgCO 3在CO 2和水的长期侵蚀下部分转变为Ca(HCO 3)2和Mg(HCO 3)2而溶解,所以天然水中含有Ca 2+、HCO 3-等离子.由于长期的自然分解,又会析出沉淀即反应如下:Ca(HCO 3)2=====△CaCO 3↓+CO 2↑+H 2O Mg(HCO 3)2=====△MgCO 3↓+CO 2↑+H 2O通过以上反应表明了自然界中钟乳石和石笋的形成原因.易溶于水的碳酸盐,其水溶液显碱性:CO 32-+H 2O HCO 3-+OH -碱金属的碳酸盐加热难以分解,其他金属的碳酸盐高温下分解为金属氧化物和CO 2.3.碳酸氢盐的特征碳酸氢盐都溶于水.一般来说,HCO 3-的水解程度大于其电离程度,所以其水溶液呈碱性:HCO 3-+H 2O H 2CO 3+OH -因为CO 32-的水解程度大于HCO 3-的水解程度,所以相同浓度的Na 2CO 3溶液的碱性大于NaHCO 3溶液的碱性.碳酸氢盐受热不稳定,存在下面的热稳定性规律:CO 2>>相应的碳酸盐>酸式碳酸盐>碳酸 点燃4.金属离子与可溶性碳酸盐的反应特点碳酸盐的重要特点是CO 32-易水解,向CO 32-加入金属离子,有三种情况:(1)金属M 电荷高,极易水解:Al 3+、Fe 3+、Cr 3+加入CO 32-,収生双水解反应,相互促迚,产物为M(OH)3+CO 2↑.(2)金属M 可以水解,其氢氧化物的溶解度与碳酸盐差不多,结果形成碱式盐沉淀,如Be 2+、Mg 2+、Cu 2+. Mg(OH)2的溶解度S=2.4×10-4 g,MgCO 3的溶解度S=3.2×10-3g,则Mg 2+与CO 32-的反应为2Mg 2++CO 32-+H 2O=CO 2↑+Mg 2(OH)2CO 3↓.(3)碳酸盐溶解度较小,M 离子水解程度不大,则生成碳酸盐沉淀,如Ca 2+、Sr 2+、Ba 2+.Ba 2++CO 32-=BaCO 3↓三、硅及其化合物(一)硅硅是自然界中分布很广的一种元素,在地壳中,它的含量仅次于氧.单质硅存在同素异形体,有晶体硅和无定形硅.1.物理性质单质硅的晶体是原子晶体,具有四面体型空间网状结构.晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体,熔沸点高,硬度大,是一种良好的半导体材料.硅只能以化合物形式存在于自然界中,主要存在形式为SiO 2以及硅酸盐、铝硅酸盐等.2.化学性质硅原子最外层电子数为4,不易得到电子也不易失去电子,通常形成共价化合物.常温下,单质硅的化学性质不活泼,只与F 2、HF 和强碱溶液収生反应:Si+2F 2=SiF 4 Si+4HF=SiF 4↑+2H 2↑加热条件下,Si 能同O 2、Cl 2、Br 2、C 化合,但难与H 2直接化合生成SiH 4,且SiH 4很不稳定,在空气中自燃.Si+2X 2=====△SiX 4(X=Cl 、Br 、I)Si+O 2=====△SiO 2(研细的Si 能在O 2中燃烧)硅在高温下与水蒸气反应:Si+H 2O(g)H 2SiO 3+2H 2硅在具有氧化性的酸中収生钝化,它可以溶于HF —HNO 3的混合酸中:3Si+4HNO 3+18HF=4NO↑+8H 2O+3H 2SiF 6 知识拓展:硅的制备SiCl 4+Zn=Si+2ZnCl 2SiO 2和C 混合,在电炉中加热:SiO 2 + 2CSi + 2CO↑ SiO 2+CaC 2=Si+Ca+2CO↑硅烷的分解:SiH 4=====△Si+2H 2↑用作半导体的超纯硅,需用区域熔融的方法提纯.(二)二氧化硅(SiO 2)和硅酸二氧化硅又叫硅石,是石英和水晶的主要成分.SiO 2是原子晶体,且Si —O 键键能很大,因此具有很高的熔沸点,硬度大,不溶于水,不导电.纯净的SiO 2晶体叫做水晶,它是六方柱状的透明晶体,是较贵重的宝石.水晶或石英在受压时能产生一定的电场,这种现象被称为“压电效应”.这种“压电效应”被应用在电子工业以及钟表工业和超声技术上. SiO 2是酸性氧化物,但由于Si 的+4价是其最稳定的价态,故SiO 2只能在高温下収生一些反应.与碱的反应:SiO 2＋2NaOH=Na 2SiO 3＋H 2O与碱性氧化物反应:SiO 2＋CaO CaSiO 3弱氧化性:SiO 2 + 2C Si + 2CO↑与氢氟酸反应:4HF(g)+SiO 2=SiF 4+2H 2O(腐蚀玻璃) 6HF(aq)+SiO 2=H 2SiF 6+2H 2O与某些盐的反应:SiO 2+Na 2CO 3Na 2SiO 3+CO 2↑SiO 2用于制备光导纤维、光学仪器、精密仪器轴承、化学仪器等.硅酸是SiO 2对应的水化物,为白色粉末状固体,不溶于水,酸性比碳酸弱,在水溶液中是H 4SiO 4(原硅酸)白色沉淀,失水后为H 2SiO 3.可溶性硅酸盐与H 2O 和CO 2生成H 2SiO 3:Na 2SiO 3＋CO 2＋H 2O===Na 2CO 3＋H 2SiO 3↓易错提示:1.认为Na 2SiO 3＋CO 2＋H 2O===Na 2CO 3＋H 2SiO 3↓与SiO 2+Na 2CO 3Na 2SiO 3+CO 2↑两个方程式有矛盾:原因是没有注意到两个反应的条件不同:第一个反应符合一般复分解反应収生的条件,即用较强酸制取较弱的酸;第二个反应由于生成气体CO 2,可以用平衡的观点加以解释,由于CO 2随反应的迚行不断逸出,使上述平衡正向移动,所以反应得以迚行.2.为何碱性溶液可盛装在玻璃瓶中,而不能使用玻璃塞:原因在于SiO 2是普通玻璃的成分之一,其为酸性氧化物,它可与碱性溶液反应,但反应受外界条件(如温度、浓度、接触面积等)影响.瓶口处沾附的氢氧化钠溶液易挥収水分,使其浓度增大,同时因瓶塞是磨口的,表面凹凸不平增大了与碱性溶液的接触面积,反应易迚行,且生成的硅酸钠是一种矿物胶,时间一长可使瓶塞与瓶体黏合在一起;而瓶内瓶壁光滑,氢氧化钠溶液与瓶体接触面积小,反映量微小.(三)硅化物I A 、II A 族硅化物:Ca 2Si 、CaSi 、CaSi 2等,不稳定,与水反应.副族元素硅化物:Mo 3Si 、Mo 5Si 3、MoSi 、MoSi 2等,熔沸点较高,不溶于氢氟酸和王水,仅仅溶于HF —HNO 3的混合酸或碱液中.SiCl 4、SiO 2、Si 3N 4、SiC 和SiH 4为正四面体结构单元.SiF 4的制备:4HF(g)+SiO 2=SiF 4+2H 2OSiCl 4的制备:SiO 2+2C+2Cl 2=2CO+SiCl 4SiH 4在纯水和微酸性溶液中不水解,但用微量碱作催化剂时,迅速水解:SiH 4+(n +2)H 2O −−→−-OH SiO 2∙n H 2O+4H 2↑(四)无机非金属材料1.传统硅酸盐材料以含有硅物质为原料经加热制成硅酸盐产品的工业叫做硅酸盐工业.如水泥、玻璃、陶瓷产品的生产.(1)水泥水泥主要作为建筑材料,其生产的原料、设备、流程以及产品主要成分如下:主要原料:石灰石、黏土、石膏(辅助原料,用于调节水泥的水硬性).主要设备:回转窑.生产流程:原料(石灰石、黏土一定配比)→粉碎成生料→回转窑中高温烧结→熟料→粉碎加辅助材料得到成品水泥.主要成分:硅酸三钙(3CaO∙SiO 2)、硅酸二钙(2CaO∙SiO 2)、铝酸三钙(3CaO∙Al 2O 3).主要特性:水硬性.(2)玻璃玻璃用途广泛,通常用作建筑材料、光学材料等.普通玻璃的生产是硅酸盐工业的重要组成部分.其主要原料、设备、反应原料、产品成分和种类如下:主要原料:石英、纯碱、石灰石等.主要设备:玻璃熔炉等.反应原理:SiO 2+Na 2CO 3Na 2SiO 3+CO 2↑SiO 2+CaCO 3CaSiO 3+CO 2↑主要成分:Na 2SiO 3、CaSiO 3、SiO 2.玻璃种类:普通玻璃、石英玻璃、玻璃纤维、钢化玻璃等.(3)传统陶瓷传统陶瓷主要以黏土为原料,制备流程通常是:混合→成型→干燥→烧结→冷却.陶瓷根据原料和烧成温度通常可分为:土器(如砖、瓦等)、陶器(较瓷器要求低、较粗糙)、炻器(介于陶器与瓷器之间,如水缸、砂锅)、瓷器(瓷器较陶器瓷体白净、质地致密)等.陶瓷具有抗氧化性好、耐酸碱腐蚀、耐高温、绝缘性好等特性.2.新型无机非金属材料新型无机非金属材料主要指半导体、超硬耐高温材料、収光材料、超导材料等.新型无机非金属材料具有耐高温、超硬性,常用来制作轴承、永久模具等;具有优越的电学性能,常用来制作绝缘体、半导体、导体、超导体等;具有良好的光学性能,可用于通讯、信息处理以及医疗等;具有生物功能,用于生物体替代组织或器官,如骨骼、血管等.新型陶瓷主要有高温结构陶瓷、半导体陶瓷、生物陶瓷等.高温结构陶瓷,如氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷,均具有熔点高、硬度大等优点;半导体陶瓷有氧化锡陶瓷;生物陶瓷有氧化铝、磷酸钙陶瓷等.这些新型陶瓷材料除具有传统陶瓷的耐腐蚀性、耐高温的性能外增添了质硬等许多优良个性.从高纯度的SiO 2或石英玻璃熔融体中,拉出直径约100µm 的细丝,称为石英玻璃纤维,这种纤维称为光导纤维.光纤通信是一种新技术,它将光信号在光导纤维中迚行全反射传播,取代了电信号在铜线中的传播,达到两地通信的目的.光纤通信优点:信息传输量大,每根光缆可同时通过10亿路电话;原料来源广;质量轻,每千米27 g;不怕腐蚀,铺设方便;抗电磁干扰,保密性好.知识拓展:传统无机非金属材料的特征:(1)抗腐蚀、耐高温(2)质脆、经不起热冲击新型无机非金属材料的特征:(1)耐高温、高强度(2)具有光学特征(3)具有电学特征(4)具有生物功能。
碳族元素
有机化合物
由于碳原子形成的键都比较稳定，有 机化合物中碳的个数、排列以及取代基 的种类、位置都具有高度的随意性，因 此造成了有机物数量极其繁多这一现象， 目前人类发现的化合物中有机物占绝大 多数。 有机物一般难溶于水，易溶于有机溶 剂，熔点较低。绝大多数有机物受热容 易分解、容易燃烧。有机物的反应一般 比较缓慢，并常伴有副反应发生。
1 、可燃性：
a. 在氧气中或空气中完全燃烧：生成二氧化碳并放出大量的热。 b.空气不足，燃烧不完全：除生成二氧化碳外，还会产生一氧化 碳，并放热。
2、 还原性：
a.干燥木炭粉和氧化铜均匀Fra bibliotek合，加强热。b.炽热的碳可使二氧化碳还原成一氧化碳。
c.炽热的碳可使水蒸汽还原。碳和碳的氧化物
碳的单质
• 石墨、金刚石、 C60
• 金刚石和石墨的化学成分都是碳(C)，但是它们的结构和 性能却完全不同。金刚石是目前最硬的物质，而石墨却是 最软的物质之一。大家都知道铅笔芯就是用石墨粉和粘土 配制而成的，石墨粉含量多笔芯就软，用“B“表示，粘土 掺多了则硬，用“H”表示。矿物学家用摩氏硬度来表示相 对硬度，金刚石为10，而石墨的摩氏硬度只有1。它们的 硬度差别之所以这么大，关键在于它们的内部结构存在很 大差异。
石墨
石墨内部的碳原子呈层状排列，一个碳原子周围只有3 个碳原子与其相连，碳与碳组成了六边形的环状，无限 多的六边形组成了一层。层与层之间联系力非常弱，而 层内三个碳原子联系很牢，因此受力后层间就很容易滑 动，这就是石墨很软能写字的原因。石墨可用于制造电 极、润滑剂、铅笔芯、原子反应堆中的中子减速剂等， 也可以用作坩埚以及合成金刚石的原料。
C60
• 富勒烯C60 • 1985年，美国化学家史莫利与英国化学家科尔托利用激光 照射石墨，使其蒸发而成碳灰。质谱分析发现，这些碳灰 中含有两种不明物质，其分子量分别为碳的60倍与70倍， 故将它们分别命名为 C60与C70。C60中20个正六边形和12个 正五边形构成圆球形结构，共有60个顶点，分别由60个碳 原子所占有，经证实它们属于碳的第三种同素异形体，命 名为富勒烯(Fullerene）。
碳族元素
铅(Pb)
碳族元素及单质的一些性质
原子半径 nm 主要 化合价 颜色、状态 密度 g/cm3 熔点 ℃ 沸点 ℃
0.077
+2,+4
金刚石：无色固体 石墨：灰黑色固体 晶体硅：灰黑色 固体
3.51 2.25 2.32 ~2.34
3550 3652
4827 4827
0.117
+2,+4
1410
2355
0.122
+2,+4
银灰色固体
5.35
937.4
2830
0.141
+2,+4
银白色固体
7.28
231.9
2260
0.175
+2,+4
蓝白色固体
11.34
327.5
1740
碳族元素性质的特殊性
碳(C)、硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)的+4价化合物是稳定 的, 如CO2、SiO2、GeO2、SnO2的氧化性较弱
Si
Ge Sn Pb
SiH4
GeH4 SnH4
(SiO)
GeO SnO PbO
SiO2
GeO2 SnO2 PbO2
元素符号
C 6
Si 14
Ge 32
Sn 50
Pb 82
原子序数
原子半径的变化趋势
随着原子序数的递增，原子半径增大
金属性与非金属性的变化 金属性逐渐增强，非金属性减弱 趋势 最高正价
最高价氧化物化学式 +4 +4 +4 +4 +4
CO2
SiO2
GeO2
SnO2 PbO2
十五章碳族元素
2 碳旳还原性
冶金工业上，用碳还原金属氧化物制备金属，如：
MnO + C —— Mn + CO
(1)
上述反应 (1) 能够看成由下面两个反应 (2) 和 (3) 相减得到
2 C (s) + O2 (g) —— 2 CO (g)
(2)
2 Mn + O2
—— 2 MnO
(3)
我们关心反应 (1) 需要在什么温度下才干进行，就必须讨论
(c) 2 C(s) + O2(g) —— 2 CO (g) △rSm = 178 J∙k－1∙mol－1
为何给出 △rSm？ 将反应旳 △rGm 对温度 T 作图，
△rGm = △rHm － T△rSm，其斜率是 －△rSm 。
△rGm / kJ·mol－1
(a)
－200
－400
(b)
－600
－800
子，故称离子型碳化物。
离子型碳化物易水解。
Mg2C3 + 4 H2O —— 2 Mg(OH)2 + HC C CH3 形成炔
Al4C3 旳构造为
Al Al
C
C
C
Al Al
Al4C3 + 12 H2O ——— 4 Al (OH)3 + 3 CH4
2°间充型碳化物 重过渡金属原子半径大，在晶格中充填碳原子，形成间充型 碳化物。它们仍保持金属光泽，其硬度和熔点比原来旳金属还
[ CO32－ ] 也少了，致使 Ksp 大旳 MgCO3 不能沉淀。
CuCO3 和 HgCO3 还未制得 。
4 碳酸盐旳热分解
Na2CO3 ——— Na2O + CO2
( 850 ℃ )
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
碳族元素碳及其化合物
碳族元素碳及其化合物碳族元素是指位于元素周期表第14族的元素，包括碳(C)，硅(Si)，锗(Ge)，锡(Sn)和铅(Pb)。
碳族元素在自然界中广泛存在，具有重要的地球化学和生物化学意义。
碳是最为重要的碳族元素，因为它是生命的基础，能形成无数种具有复杂结构的有机化合物。
1.碳的性质碳是一种非金属元素，具有原子序数6和相对原子质量12.01、它的外层电子构型为2s22p2，因此能形成四个共价键。
碳具有非常高的熔点和沸点，以及很高的硬度。
它可以形成纯净的晶体结构，比如钻石和石墨。
2.碳的化合物碳可以与其他元素形成大量的化合物，包括有机化合物和无机化合物。
有机化合物是以碳为主要成分的化合物，它们在自然界和生命体系中广泛存在。
有机化合物包括烷烃、烯烃、炔烃、醇、酮、酸、酯等等。
无机化合物则是碳与非金属元素和金属元素形成的化合物，比如一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)和碳酸盐。
3.碳的地球化学意义碳是地球上最常见的元素之一，它在地壳中的储量很大。
地球上大部分的有机物质也含有碳，包括化石燃料、生物质和土壤有机质。
碳的循环在地球上起着重要的作用，包括碳的释放和吸收过程。
人类活动导致大量的碳排放，加速了全球变暖和气候变化。
4.碳在生物化学中的作用碳是生命体系中最为重要的元素，它构成了所有有机化合物，包括蛋白质、核酸、脂质和碳水化合物。
这些化合物在生物机体的结构和功能中起着重要的作用。
碳还参与能量代谢过程中的碳循环，包括光合作用和细胞呼吸。
5.碳的应用由于碳形成的有机化合物种类繁多，碳化合物在工业和生活中有广泛的应用。
有机化合物被用于制造塑料、橡胶、纤维和药物等。
碳纳米管和石墨烯等碳材料也具有重要的应用潜力，可用于电子器件、储能材料和生物传感器等。
此外，碳的同位素碳-14也被广泛应用于射击物体的定年和环境探测。
总结：碳族元素是地球上最重要的元素之一，在地球化学和生物化学中起着关键的作用。
碳的化合物形式多样，有机化合物是生命体系中的基本组成部分。
碳族元素
足球烯
低
有机溶剂 小 不导电
溶解度 一般不溶解
单质碳的物理性质——颜色和状态
金刚石
足球烯(C60) 足球烯
石墨
碳的几种同素异形体
1、什么叫同素异形体？ 2、C60的摩尔质量是多少？
720 g/mol
2、碳单质化学性质
(1)还原性 2C+O2===2CO C+O2===CO2 高温 C+2S====CS2 C+2CuO====2Cu+CO2 3C+2Fe2O3===4Fe+3CO2 高温 高温 3C+CaO===CaC2+CO C+4HNO3===CO2↑+4NO2↑+2H2O C+2H2SO4===CO2↑+2SO2↑+2H2O (2)氧化性 高温 C+2H2===CH4(困难)
3Si ＋ 2N2 === Si3N4
高温
三、硅单质及其化合物
(3)制取 SiO2+2C=Si+2CO(电炉) Si+2Cl2=SiCl4(高温) SiCl4+2H2=Si+4HCl(高温) (4)用途 重要的半导体材料
水晶
水晶制品
.硅酸（H2SiO3） 硅酸的组成很复杂，习惯上把H2SiO3 称为 硅酸。 硅酸是一个很弱的酸，其酸性比碳酸还弱， 溶解度很小。硅酸是通过可溶性硅酸盐与 其它酸反应制得。例如； Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3 +2NaCl
金属 原子晶体 金属晶体 金属晶体 晶体 低 较低 更低
金：不导 墨：导电
பைடு நூலகம்
半导体
碳族元素
碳族元素1．碳族元素(1)碳族元素的特征在元素周期表中，碳族元素处在从活泼金属(IA)向活泼非金属(ⅦA)过渡的中间位置，其最外层电子数为4，既不容易失去电子，又不容易得到电子，所以碳族元素的成键特点是易形成共价键，难形成离子键。
这一特点以碳、硅最为典型，碳族元素从非金属性向金属性递变最为明显，是元素周期律和物质结构理论的典型体现。
碳族元素形成的非金属单质为原子晶体，在同周期中硬度最大(石墨例外)，熔沸点最高(如金刚石、晶体硅)。
硅在地壳中含量仅次于氧，晶体硅是一种良好的半导体材料。
(2)碳族元素的化合价碳族元素的主要化合价有+2、+4，其中铅+2价稳定，其余元素+4价稳定。
价态的稳定与否，能很好地帮助我们判断物质的氧化性、还原性及稳定性。
如铅的+2价稳定，则铅的+4价的化合物不稳定。
易在氧化还原反应中生成稳定价态的+2价化合物而表现出强的氧化性；又如CO中的碳为+2价，而其+4价更稳定，则CO不如CO2稳定而有较强的还原性。
(3)碳族元素的性质及递变规律在元素周期表中，碳族元素位于活泼金属向活泼非金属过渡的中间位置，其最外层电子数为4，在性质相似的同时，从上到下电子层数增多，原子半径增大，原子核对最外层电子的吸引能力减弱，失电子的能力增强，从上到下由非金属递变为金属的变化非常典型，即由C→Pb，元素的非金属性逐渐减弱、金属性逐渐增强。
其中碳、硅是非金属，锗是半导体材料，锡、铅是金属。
碳族元素，随着原子序数逐渐增大，非金属性逐渐减弱，气态氢化物的稳定性逐渐减弱，最高价氧化物对应水化物的酸性逐渐减弱。
气态氢化物的稳定性：CH4＞SiH4＞GeH4最高价氧化物对应水化物的酸性：H2CO3＞H2SiO3＞H4GeO4(4)碳族元素在自然界里的存在在自然界里，碳的存在形式有游离态和化合态两种；硅在地壳上主要以硅酸盐矿石的形式存在；锗是不常见的金属；锡和铅两种金属都以化合态的形式存在。
(5)单质的性质：碳族元素的单质在室温下都是固体、颜色各不相同。
碳族元素
那么榴莲的气味呢，
• 硫化氢、乙基氢化二硫化物、几种二烷基 多硫化物、乙酸乙酯、一二乙氧基乙烷和 乙基一2一甲基丁酮酸酯。 主要为硫化物和 酯类，烷类 • 泰国农业部的专家经过十年的研究，于 2007年成功开发出没有特殊臭味的榴莲， 并将这种榴莲命名为“尖竹汶1号。榴莲糖 的气味呢 Nhomakorabea•
老大：碳C，Carbon（起源于拉丁文 碳
carbo，意为“charcoal（木炭）碳主要有三 种同素异形体：金刚石；无定形炭石墨（木 炭，炭黑，活性炭，焦炭等都属石墨的微晶 体，）；富勒烯碳（足球烯等)
碳族元素
•
金刚石
石墨
•
碳和硅在自然界中分布很广，碳含量不 多，但却是地球上化合物种类最多的元素 之一，动植物机体也是多种含碳的有机化 合物，所以碳是是生物界的主要元素。
你们太早熟啦， 我举脚鄙视 你们！嘿嘿 嘿
碳的同素异形体
• 金刚石——世界上最大的一颗钻石是1905年1 月27日在南非扎伊尔伯里梅尔（Premier）发现的， 该钻石取名“库里南”（Cullinan），重达3106克 拉。长100mm，宽65mm，厚50mm。宝石界行家 估计“库里南”的价值高达75亿美元。金刚石 与钻石的区别——金刚石是矿物学 名称，而钻石是宝石学名称。因 此，严格地说，钻石应当是经过 琢磨做成了首饰的金刚石宝石 库里南钻石——
坚硬，因为铜被掺入锡后会得到更加 • 坚硬的青铜，英语为Tin。
• 老五：铅 Lead ，Pb(Plumbum)，原指铅
(Plumbum Nigrum，黑铅)和锡(Plumbum Album， 白铅 • )，古代就已发现。英语为Lead，原意为领导，后 逐步引申为导线和铅锤。
老六：Uuq,也不知是男是女，才刚 吃奶呢，大家就不用理它啦!
碳族元素知识点总结
碳族元素知识点总结碳族元素的化学性质碳族元素的化学性质主要表现为它们的共价化合物。
由于这些元素外层电子结构的相似性，它们通常都具有4个价电子。
因此，这些元素可以形成类似的共价键结构，比如碳的四价、硅的四价等。
碳族元素共有6个电子，其中4个价电子。
另外2个电子则位于轨道的内层能级。
碳族元素形成的共价化合物具有一些共同的特点。
首先，它们的共价化合物通常是非极性分子，具有较强的共价键而不具有明显的电性差异。
其次，这些元素形成的化合物多为四配位结构，如CH4、SiH4、GeH4等。
此外，由于这些元素的大部分化合物都是非金属，因此它们的氧化状态多为正的。
碳族元素的物理性质碳族元素的物理性质也有很多共同之处。
首先，这些元素在常温下大多呈非金属性质，如碳为固体，硅为固体，锗为固体，锡为固液混合体，铅为液体。
此外，碳族元素的硬度逐渐增加，从碳的较硬的金刚石到锡、铅的较软的性质。
另外，碳族元素的密度也逐渐增加，从碳的2.26g/cm³到铅的11.34g/cm³。
此外，这些元素的熔点和沸点也随着原子序数的增加而增加，硅的熔点为1414℃，铅的熔点为327.5℃。
碳族元素的地球化学意义碳族元素具有重要的地球化学意义。
首先，碳族元素在地壳中广泛分布，如硅占地壳质量的27%。
其次，碳族元素在地球的物质循环中起着重要作用，如碳的存在形式有石墨、石英、石英等。
此外，碳族元素还是地壳中一些矿物的主要成分，如石英、硅铁矿等。
除了在地壳中的分布之外，碳族元素还在地球的化学演化中发挥重要作用。
如碳的生物地球化学循环和碳酸盐的形成等。
此外，碳族元素还在地球的构造和动力地质学过程中发挥着重要作用。
碳族元素的应用碳族元素在工业上有着重要的应用。
首先，碳族元素大多可以形成不同种类的化合物，这些化合物具有重要的工业用途。
比如碳的金刚石和石墨在工业上有着广泛的应用，锡在锡制品和合金中有重要的应用。
其次，这些元素的化合物也在冶金和材料领域有着广泛的应用。
碳族元素
第十三章碳族元素元素周期表中的IV A族元素包括碳、硅、锗、锡、铅及其化合物。
13.1 碳族元素的通性13.1.1 原子结构及性质碳族元素中，碳、硅是非金属，其余三种是金属，由于硅、锗的金属性和非金属均不强，也有人将其称为准金属。
M2+2213.1.2成键特点①碳以sp、sp2、sp3三种杂化状态为主，在自然界中以碳酸盐的形式存在。
②硅以硅氧四面体的形式存在于石英矿和硅酸盐矿中，也可以形成少数硅氧氢化合物。
③锡铅以+2氧化态存在于离子化合物中，以+4氧化态存在与共价化合物和少量离子化合物中。
+4氧化态的铅由于惰性电子对效应具有强氧化性。
13.1.3元素在自然界中的分布碳在自然界主要以化石燃料及动植物有机体形式存在，无机矿藏主要有石灰石、大理石、白云石、菱镁矿等，空气中存在约0.03%的二氧化碳。
碳在地壳中的含量为0.027%。
硅在地壳中的质量分数为28.2%，主要以硅酸盐的形式存在于土壤和泥沙中，自然界也存在石英矿。
锗、锡、铅在地壳中的含量都不高，主要以硫化物和氧化物的形式存在。
如硫银锗矿4Ag2S·GeS2、锡石矿SnO2、方铅矿PbS等。
13.2 碳及其化合物13.2.1 单质碳有三种同素异形体，金刚石、石墨、球型碳。
无定形碳中也有石墨的结构。
石墨结构金刚石结构①金刚石的性质金刚石就是我们常说的钻石（钻石是它的俗称），它是一种由纯碳组成的矿物。
金刚石是自然界中最坚硬的物质，因此也就具有了许多重要的工业用途，如精细研磨材料、高硬切割工具、各类钻头、拉丝模。
还被作为很多精密仪器的部件。
金刚石有各种颜色，从无色到黑色都有，以无色的为特佳。
它们可以是透明的，也可以是半透明或不透明。
多数金刚石大多带些黄色。
金刚石的折射率非常高，色散性能也很强，这就是金刚石为什么会反射出五彩缤纷闪光的原因。
金刚石在X射线照射下会发出蓝绿色荧光。
金刚石仅产出于金伯利岩筒中。
金伯利岩是它们的原生地岩石，其他地方的金刚石都是被河流、冰川等搬运过去的。
《化学》碳族元素
《化学》碳族元素碳族元素是元素周期表中的第14族元素，包括碳（C）、硅（Si）、锗（Ge）、锡（Sn）和铅（Pb）。
这些元素的特点是在外层电子层中具有4个电子，因此它们通常能与其他元素形成强烈的化学键。
本文将分别介绍这些元素的性质和应用。
首先，让我们来看看碳。
碳是地球上广泛存在的元素之一，它是生命的基础。
它的原子结构包含6个质子和6个中子，因此在最外层电子层中有4个电子。
碳的全电子层配置是1s2,2s2,2p2、由于其外层电子数为4个，碳能形成多种化合物，包括有机化合物。
有机化合物是由碳和氢以及其他一些元素组成的化合物。
碳元素有独特的特点，能够与其他碳原子形成共价键，形成碳链结构，从而形成复杂的有机分子。
有机分子具有多样的性质和用途，包括生物分子、药物、塑料和燃料等。
同时，硅是碳族元素中的另一个重要成员。
它的原子结构包含14个电子，其中4个位于最外层电子层。
硅的全电子层配置是1s2,2s2,2p6,3s2,3p2、硅是地壳中第二丰富的元素，其化合物被广泛应用于电子工业和建筑业。
硅的一个重要特点是其半导体性质。
在纯净的晶体硅中，硅原子通过共价键结合成球状结构，但它们之间并不是完全连接的。
这使得硅具有在一定条件下导电性的特性，可以用于制造各种电子器件，如二极管和晶体管等。
此外，硅化合物也被用于太阳能电池的制造。
除了碳和硅外，锗、锡和铅也是碳族元素中的重要成员。
锗和锡在外层电子层分别有4个电子和2个电子，可与其他元素形成化学键。
它们被广泛用于半导体材料和电子器件的制造，如晶体管和太阳能电池。
铅是碳族元素中密度最高的元素，具有较高的电导率和延展性。
它的外层电子层有4个电子，可以形成化合物和锡类似。
铅在建筑和汽车制造等许多领域中得到广泛应用，但也因其毒性而受到一些限制。
综上所述，碳族元素包括碳、硅、锗、锡和铅，它们在外层电子层中具有4个电子，能够与其他元素形成强烈的化学键。
碳元素是生命的基础，能形成多种有机分子；硅是重要的半导体材料；锗、锡和铅也在电子和工业领域发挥重要作用。
碳族元素
第一节碳族元素注意：C、Si、Ge、Sn的+4价化合物是稳定的，而Pb的+2价化合物是稳定的，由此注意：（1）碳元素形成的单质（金刚石）硬度最大，碳元素所形成的化合物种类最多；在所有非金属元素形成的气态氢化物中，甲烷含氢量最大。
（2）硅在地壳中的含量仅次于氧，其单质晶体是一种良好的半导体材料。
（3）碳族元素单质的熔沸点大致随核电荷数的增多而逐渐降低，这和碱金属相似，但变化实质不同，碱金属全部是金属，熔点随金属键的减弱而降低；而金刚石、晶体硅、锗是原子晶体，其熔点随共价键的减弱而降低。
锡和铅是金属，熔沸点较低。
二、碳及其化合物注意：1、碳的同素异形体：金刚石（原子晶体）、石墨（过度型晶体）、C60（分子晶体）等。
2、碳酸盐性质的一般规律(1)溶解性：如果碳酸的正盐溶解度较大，则酸式盐的溶解度较小[如：Na2CO3＞NaHCO3]；如果碳酸的正盐溶解度较小，则对应的酸式盐的溶解度较大[如：CaCO3＜Ca(HCO3)2](2)稳定性：难溶性的碳酸盐、(NH4)2CO3及酸式盐受热易分解；可溶性的碳酸盐较稳定，受热难分解。
3、HCO3—与CO32—的检验：(1)利用溶解性（固）(2)加热（固）(3)与盐酸反应（比较反应速率，要求溶液同浓度、同体积）(4)滴加BaCl2或CaC l2溶液(5)与酸反滴命题规律碳、硅等元素知识是近几年高考题试题中命题的一个热点，该族元素性质相对稳定，常以元素及其化合物知识为载体与化学基本概念、基本理论、化学实验及化学计算密切结合来考察；考察的主要内容有：1、C、CO的还原性；2、CO、CO2的检验与鉴别；3、CO、CO2等气体的制取和收集；4、CO2与NaOH、SiO2与C等反应产物的确定及计算；5、金刚石、石墨、晶体硅、二氧化硅的结构和性质，C60的空间结构及计算；6、环境保护、消除碳氧化物污染及防治。
该部分知识涉及面广，实际应用性强，命题方向比较灵活。
2004年北京、上海卷中有3个选择题的测试内容包括碳的同素异形体相关知识、CaCO3与酸反应。
无机化学第十五章碳族元素
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。
高中化学碳族元素的知识点总结
高中化学碳族元素的知识点总结碳族元素是周期表中的第14族，包括碳(C)、硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、铅(Pb)和麦家(Ja)。
碳族元素具有一些共同的性质和特征，下面将对碳族元素的知识点进行总结。
1.原子结构：碳族元素的原子结构特点是外层电子壳的电子数量为4个。
每个碳族元素的原子内核都有与其电子数相等的质子数，电荷中和，具有相应的原子序数。
电子层的排布为[2,8,4]，其中两个内层电子属于填充内层，而最外层电子属于价电子。
2.定位和周期性：碳族元素位于第2周期，是元素周期表中的第14组。
它们具有相似的化学性质，因为它们有相同数量的价电子，并且在化学反应中容易失去或获得4个电子。
3.物理性质：碳族元素的物理性质有一定的规律性。
随着原子序数的增加，原子半径逐渐增加，原子核对外层电子的束缚减弱，电子云容易发生形变。
此外，碳族元素的密度、熔点和沸点也随着原子序数的增加而递增。
4.化学性质：碳族元素的化学性质主要由它们的外层电子配置所决定，其中最外层电子的数量为4个。
碳族元素常发生+4价和-4价两种价态。
在化合物中，它们通常与其他元素形成共价键或离子键。
5.碳的性质：以碳为代表的碳族元素是生命中的基础元素，生物分子的骨架和结构都以碳为主要构成部分。
碳的共有4个价电子，因此形成氧化态及共价化合物较为常见。
碳的同素异形体分子和同系物在化学反应中具有独特的性质和活性。
6.半金属元素：碳族元素中的硅，被认为是一种半金属元素。
硅的特点是中等电负性、半导体特性和热稳定性较好。
硅在电子学和材料科学领域有广泛的应用，如制备半导体器件和太阳能电池。
7.其他碳族元素：除碳和硅外，锡、铅和麥家也是碳族元素。
锡和铅是广泛使用的金属，它们常用于制备合金。
麦家是放射性元素，具有高毒性和放射性衰变的特点。
8.化合物和应用：碳族元素形成的化合物具有多样性和广泛的应用。
例如，碳形成的化合物包括有机化合物(有机化学的基础)、无机化合物(如碳酸盐)和碳化物(如硅碳化物)。
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§3.锗 锡 铅 一.单质
1. 物理性质 锗: 银白色，硬金属；铅: 暗灰色，软 金属，密度大；锡: 有三种同素异形体:
小故事：军服纽扣不翼而飞 • 沙皇时代，天气变冷，俄罗斯军需官 决定为军官和士兵发放冬季服装．他打开 仓库，发现所有军服上的纽扣都不见了， 变成一堆一堆的灰色粉末． 这是什么原因造成的呢？后来他请教 了一位科学家，才弄明白！
天平室中天平内有一小杯变色硅胶, 用来吸收 空气中水份, 保持干燥. 若已变红, 变为无吸水性, 需
4. 硅酸盐 1°硅酸盐结构的图示法 硅酸盐种类极多，其结构可分为链状、片 状和三维网络状，但基本单元都是 硅氧四面体。 如:
2°硅酸盐结构的分类
共用四个顶点结成三维网络状结构, 如沸石类, 有微孔, 有笼, 有吸附性. 但沸石孔道 均一, 因为是晶体, 不同于硅胶.称之为分子筛, 根 据孔径的大小, 可以筛选分子, 故称沸石分子筛.
二、 氧化物
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: H2C2O4(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:
工业上将空气和水蒸气交替通入红热碳层:
三 、碳酸及其盐 1、结构
2. 可溶性碳酸盐 Na2CO3, K2CO3和(NH4)2CO3等均易溶于 水。但NaHCO3、KHCO3和NH4HCO3的溶解 度相对小些。原因是HCO3-有分子间氢键， 发生缔合，形成双聚酸根。
CaCO3难溶，而Ca(HCO3)2 的溶解度比 它大些。原因是CaCO3是电荷高(2:2)，引力 大, 不易溶解; 但Ca2+和是＋2对－1，引力相 对小些, 易于溶解。
2. 化学反应 Si在常温下不活泼，而在高温下可以 和O2、Cl2、N2反应. 单一的酸不能和Si反应，要用HF－ HNO3混酸: 3Si + 18HF + 4HNO3 --- 3H2SiF6 + 4NO(气体)+ 8H2O 相当于王水的作用，其实 的很小。 和 强碱的作用: 类似于砷 Si + 2NaOH + H2O --- Na2SiO3 + 2H2 （气体）
二、 硅烷 Si-Si键不如C－C键强，因为Si的半径 比C大. 硅烷的种类比烷烃少得多。 n≤6。最 典型的是甲硅烷，n = 1, SiH4 : 无色无臭气体。
1.制备 SiO2与金属一同灼烧: SiO2 + 4Mg --- Mg2Si + 2MgO (灼烧) 在酸中水解: Mg2Si + 4HCl --- SiH4 + 2MgCl2 这样制得的SiH4中含有Si2H6, Si3H8等杂质 纯的SiH4 : SiCl4 + LiAlH4---SiH4 + LiCl + AlCl3
关键是Si有空的d轨道，可以形成sp3d五配 位的中间体，故SiX4易水解，而CCl4无空轨道， 不易水解。 SiF4 + 4H2O--- H4SiO4 + 4HF SiF4 + 2HF ---H2SiF6 (氟硅酸，比H2SO4酸性 还强) H2SiF6是强酸，和H2SO4相当，但纯的 H2SiF6尚未制得，其盐Na2SiF6, K2SiF6较难溶， 但PbSiF6易溶
2. 二硫化碳 CS2 CS2无色液体，重要的非水溶剂。 性质:
CS2 + 3O2 --- CO2 +2SO2 (点燃)
CS2是酸性硫化物，可以与K2S反应 K2S + CS2 ---K2CS3 硫代碳酸钾 制备: 硫蒸气通过红热木炭 C + 2S --- CS2 (炽热)
3. 碳化物 1°离子型 碳与IA、IIA、IIIA族金属形成的碳化物, 如Al4C3等不一定有离子键，但由于有典型的金 属原子，故取名离子型。易水解。 Al4C3 + 12H2O--- 4Al(OH)3 + 3CH4 甲烷
3 °两种物质的溶解度不属于以上这两种情况， 而是介于中间，则生成碱式盐。如:
4 °改变沉淀剂的情况，加入NaHCO3溶液， 则[OH-]小了，有些生成碱式盐的，如 等, 可以生成碳酸盐。
5 °若加入的沉淀剂是被CO2饱和了的 NaHCO3溶液，则[OH-]更少些，可使沉淀出 正盐，但由于[ ]也少了，致使溶度积 大的MgCO3不能沉淀。但是, CuCO3 , HgCO3 由于水解强，尚未制得。
灰锡呈灰色粉末状，白锡在286K下变成
灰锡，自行毁坏，从一点变灰, 蔓延开来, 称
为锡疫。所以锡制品不宜冬季放在室外. 白锡是 蓝色), 有延展性. 的单质, 银白色(带
2. 与酸碱的反应 1°与盐酸反应
2°与氧化性酸的反应
3 °与碱的反应
碱性溶液中Ge, Sn, Pb全部溶解！只有 Ge不溶解于HCl.
二 、锗锡铅的含氧化合物
1. 酸碱性 Ge, Sn, Pb 都有两种氧化物MO, MO2. MO两性偏碱, MO2两性偏酸, 均不溶于水. 氧化物的水合物也不同程度的具有两性. 在水溶液中有两种电离方式:
碱性最强的是Pb(OH)2 , 酸性最强的是 Ge(OH) 4 Ka1=8.0×10-10。
2. 氧化还原性 1°Pb(IV)的氧化性 PbO2要在碱性条件下制备，用浓硝酸不 能制得Pb(IV)
得到的气体含CO 25％，CO2 4％，N2 70％ （体积比） 这种混合气体称为发生炉煤气。另一反应
含CO 40％，CO2 5％，H2 50％ 为 水煤气。 生成的炉煤气和水煤气都是工业上的燃料气
2°CO的化学反应
CO + Cl2 --- COCl2 光气 CO + NaOH --- HCOONa (高压) CO + H2 --- 多种C、H有机化合物 (催化剂) 微量的CO通入PdCl2溶液中，可使溶液变黑 CO + PdCl2 + 2H2O --- Pd + CO2 + HCl 鉴定CO
孔性有吸附作用的物质, 多孔硅胶, 可用为干 燥剂, 起吸水作用.
实际上, 没有如此规则, 处于不完整键合和 混杂无序状态.
吸水后，若有明显现象，则可以在除水 后, 再生使用. 为此, 可用CoCl2溶液浸泡, 烘 干, CoCl2无水时呈蓝色，当干燥剂吸水后， 随吸水量不同, 呈现蓝紫-紫-紫粉-粉红. 最后 为, 呈粉红色。说明硅胶已经吸饱水。再使 用时要烘干, 称这种硅胶为变色硅胶.
四 、其它含碳化合物
1、四氯化碳 CCl4 CCl4 是无色液体，重要非水非极性溶剂， 不水解，是灭火剂，阻燃剂。(隔绝空气) 制备 : CH4 + 4Cl2 ---CCl4 + 4HCl (713K) CS2 + 3Cl2 --- CCl4 + S2Cl2 (FeCl3, 300K) 分馏, 先蒸出为 CCl4 (b.p. 76.8℃)
第十五章
碳族元素
C 碳
单 质: 石墨、金刚石, C60, C70. 无机物: CO2，石灰石、大理石CaCO3， 白云石MgCa(CO3)2； 有机物: 动植物体，煤(s)，石油(l)， 天然气(g). 排第13位. Si 硅（矽）以Si-O-Si键存在，水晶、石英 (SiO2)，及其它硅酸盐矿物，居第2位。 Ge 锗 锗石矿 Cu2S· GeS2 FeS· Sn 锡 锡石矿 SnO2 云南个旧, 锡都 Pb 铅 方铅矿 PbS
§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。
碳簇: 以C60为最常见。正二十面体，
பைடு நூலகம்
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
2. 化学性质（与CCl4对比） 1°稳定性 比CH4差。 SiH4 -- Si + 2H2(气体) 773K 对于甲烷分解: 1773K 2 °还原性 在空气中自燃
3 °水解
对于甲烷, 无此反应。
三、 硅的卤化物 SiF4(g), SiCl4(l), SiBr4(l), SiI4(s) 均无色 1. 水解性 SiX4 + 4H2O ---H4SiO4 + 4HX 此为共 性，SiCl4,无色液体，刺激性，空气中潮解 发烟. 在结构上的反应机理:
3. 碳酸盐的生成 在含有金属离子溶液中加Na2CO3，由 于水解 相当于有两种沉淀剂，OH-和. Na2CO3总浓度C = 1.0 时，将有 [ ] = 8.6 X [OH-] = 1.4 X. 则产生沉淀情况要视M(CO3)n和M(OH)n 的溶解度而定。
1°若M(CO3)m 溶解度<< M(OH)n溶解度, 则 加入Na2CO3时只生成 M(CO3)n沉淀。如。 2 °若 M(OH)n 溶解度极小，则只生成 M(OH)n. 如
.
其中 得
PbO2棕黑色，强氧化剂:
不易失去。一旦失去，夺回的倾向很强，同 样，Tl(III)也有这种效应，Hg(II)也有。为惰 性电子对效应, 镧系收缩的结果.
2、制备
四 、硅的含氧化合物 1. 二氧化硅 SiO2不溶于水，但它是硅酸的酸酐; 加热 溶于强碱水溶液或溶于熔融态Na2CO3, 形成可 溶性硅酸盐（Na2SiO3)
SiO2和HF有特殊反应:
2. 硅酸 可溶性硅酸盐与酸的反应可得正硅酸
硅酸根之间易缩合，使硅酸的存在形式很 复杂，经常用XSiO2· 2O表示，如: YH X=1, Y=1, H2SiO3 偏硅酸 X=1, Y=2, H4SiO4 正硅酸、原硅酸 X=2, Y=1, H2Si2O5 二偏硅酸 X=2, Y=3, H6Si2O7 焦硅酸 (相当于2个 正硅酸脱1个水分子)