第17章碳硅硼

● 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，都能形成类似 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 1.5 ev，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内壁上， 这种碳烟中存在着 C60 、C70 等碳原子簇.
碳-碳复合材料（隐形飞机）
建议的碳黑的结构
(3) 石墨层状间充化合物(graphite interstitial compound)
17.2.2 碳的氧化物、含氧酸及其盐
主要介绍 氧化物、碳酸和碳酸盐。
一、氧化物 (1) CO 和 CO2
● 溶剂热法 CCl4(l) + Na(s)
700℃ Ni-Co-Mn合金催化剂
非晶碳的金刚石
(2) 无定形碳(低结晶度碳) ● 炭黑（年产超过 8×106 t ，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 1 t 碳纤维材料）
子筛（铝硅酸盐），高能燃料（N2H4）(见下页图) ● 有毒的小元素群 ● 多有同素异形体 ● 成键的多样性：如乙硼烷的 3c-2e 键等 ● 周期表中的规律性：惰性电子对效应，对角线规则等
Ga Ge As Se In Sn Sb Te Tl Pb Bi Po
有益微量元素 可能是有益微量元素
碳-碳复合材料
密度/g·cm-3 C-C键长/pm
四面体
109.5 Sp3 3.514 154.4
三角形平面
120 Sp2 2.266 141.8
近似球面 116(平均)
Sp2.28
1.678
139.1(6/6); 145.5(6/5)
富勒烯中以C60 最稳定，其笼状结构酷似足球，相当于一个由二十 面体截顶而得的三十二面体. 32个面中包括12个五边形面和20个六边形 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.
足电子(IVA族) (electron-precise) 氢化物 CH4
富电子(V-VIIA族) (electron-rich) 氢化物 NH3
半导体性质：周期表中 7 种半导体元素 B，Si，Ge，As，Sb，Se
和 Te全在 p 区. 特别需要提醒的是:不能以导电能力判断一种物
质是否属于半导体，用作判据的只能是禁带的宽度.
第17章 碳 硅 硼
Chapter 17 Carborn Silicon and Boron
本章教学要求
1．掌握碳、硅、硼的单质、氢化物、卤化物和含氧化 合物的制备和性质；
2．通过硼及其化合物的结构和性质，了解硼的缺电子 特性；
3．了解硅酸及其硅酸盐的结构与特性； 4．认识碳、硅、硼之间的相似形与差异。
元素
硼
碳
第IIIA ，第IVA，第VA族一些元素的重要矿物
重要矿物
课文中未提到的制备方法
硼砂 Na2B4O7·10H2O
煤、烃类化合物、石墨
热解法制备碳
硅
石英砂 SiO2
17.2 碳(Carbon)
17.2.1 碳的单质
(1) 同素异形体 ●结构
碳的三种同素异形体的性质
性质
金刚石
石墨
C60
C原子构型 C-C-C键角/(°) 杂化轨道形式
C6H6 (有机苯)
● 石墨和六方氮化硼均为层状结构， 两种物质均具有油腻感并用作润滑 剂，但石墨是电的良导体而后者是 绝缘体. 你能从结构上的差别作解 释吗？
金刚石 石墨
B3N3H6 (无机苯) 立方氮化硼 六方氮化硼
17.1.3 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，甚或是 “稀散元素”.
K+C8-
K3C60
金刚石的合成
● 高温、高压、催化剂合成
5×106 Pa ~ 10×106 Pa ，1500 ~ 2500 ℃ 1.5分钟，FeS（熔剂，催化剂）
DGmq= 2.866 kJ ·mol -1
● CH4 混合气 H2
微波（频率 2.45×106 s-，功率 400 W） C 33.7 kPa, < 1273 K
17.1 通性 17.2 碳 17.3 硅 17.4 硼 17.5 碳化物、硅化物和硼化物
17.1 通性
碳、硅、硼 在元素周期 表中的位置
17.从1.1硼元族素、的碳基族本和性氮质族元素的基本性质中可以看出如下一些特性：
P区元素的化学以其多样性为特点：
● 唯一同时包括金属和非金属元素的一个区 ● 包括 “不活泼的单原子气体—稀有气体” ● 无机非金属材料库：C—C复合材料，人造金刚石，半导体硅，分
等电子物种的相关性：本章所讨论的元素会形成一些很有趣的等 电子物种, 有代表意义的是：
● 同样有着 12 个电子的 BN 单元可以
起到 CC 单元类似的作用。
● 立方氮化硼与金刚石之间具有类似 的替代关系，类似的结构导致了类 似的性质. 它硬度接近金刚石，也 是一种有效的磨料，特别是用于不 适宜用金刚石磨料的场合.
第 14/Ⅳ 族元素和某些第 Ⅲ—Ⅴ 族化合物的禁带（25℃）
材料
E/eV
材料
E/eV
C(金刚石) 5.47
BN
7.5(近似值)
SiC
3.00
பைடு நூலகம்BP
2.0
Si
1.12
GaN
3.36
Ge
0.66
GaP
2.26
Sn
0
GaAs
1.42
InAs
0.36
成簇能力：三族中不少元素具有较强的 成簇能力，例如由B原子构 成簇骨架的硼烷和由 B，C 原子构成簇骨架的硼碳烷.
人造金刚石
分子筛
高能燃料
光子带隙材料 硅单晶材料 太阳电池材料 纳米半导体材料
17.1.2 电子构型和成键性质 形成多重键或多中心键 或结合成链：
根据 Lewis 结构式中价电子数与形成的化学键数之间的关系，分子型二 元氢化物可分三类：
缺电子(IIIA族) (electron-deficient) 氢化物 B2H6