第十五章碳族元素

水晶

(Sio2 )

§1碳

一单质 1同素异形体

硬度小，熔点极高，层状结构。 碳原子Sp2杂化，形成分子平面。

:木炭和焦炭基本属 于石墨类

型，但是 晶形不完整。

碳原子的p z 轨道互相平行，均垂直于分子平

面， 在层内形成n ：键。有离域兀电子，所以石墨导 电。层间的分子间作用力小，易滑动，有润滑性。

石墨

335pm

金刚石硬度最大，熔点最高的单质。

m.p. 3823 K。

碳原子Sp3等性杂化, 无自由电子，不导电。

碳簇以C6° （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。

2碳的还原性

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)可以看成由下面两个反应(2)和(3)相减得到2C(s) +

O2(g) —— 2 CO (g) (2)

2Mn + O2—— 2 MnO (3) 我们关心反应⑴需要在什么温度下才能进行，就必须讨论反应⑵⑶等的随温度T的变化情况。

碳作为还原剂，涉及以下三个反应：A r S m如何？

(a) 2 CO(g) + O2(g)——2 CO2(g) A r S m = -172 J k-i-mol-1

(b)C(s) + O2(g) ---------- CO2(g) A r S m= 3 J k-^mol-1

(c) 2 C(s) + O2(g)——2 CO (g) A r S m = 178 J k-^mol-1

A r G m = A r H m— TA r S m,其斜率是一△$…. o

2731273T/K

再把反应(d ) 2 Mn + O2—画入图中。

2731273

-2MnO 的厶「G m~T 线,

(a

)

(d)

Ty Tz T/K

(a) 2CO(g) + O 2(g) -------- 2 CO

2 ( 8

) (b) C(s)十。2( g) ---------- C°2( g) (c) 2C(s) + °2( g) -------- 2 CO ( g)

(d) 2Mn + O 2 ------------ 2MnO

(d) (b)

Ty

Tz

(d)线斜率为正，达到的熔点m ・P ・时其斜率更大° —2MnO,

是哪种物质的熔

当温度为iy 时, (c) (d)两线相交, 该温度时两个反 应的A r G m 相等。 (c) 2C(s) + O 2(g) (d)

2Mn + O 2

-) --------------------------

当T > Ty 时，(e)式的A r G m < 0,这样的温度下C 可以 将MnO 还原，且产物是CO o

思考题 MnO + C —— Mn + CO 的A r H m 为正还是负？

MnO + C

Mn + CO (e) A

r G m = 0 2CO(g)

2MnO Tz

若产生CO2,即（d ）线和（b ）

线相交，则温度还要高达到Tz以上。

正是由于2C + O2——2 CO

反应的存在，才使得碳在冶金工业上

被广泛用为还原剂。因为该反应的

Ty Tz A r S m > 0,即直线的斜率为负。

二氧化物

1二氧化碳

co2的分子结构

C sp等性杂化，2个b键，两个口;

CO2的生产CaCO3（石灰石）——

制备CaCO3 + 2 HC1 (稀)——CaCl2 + H2O + CO2 鉴定CO2 + Ca(OH)2——CaCO3； + H2O

氧化碳

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

HCOOH 逆浓昭0： CO] + H2O

草酸与浓硫酸共热

H2C2O4 (s )热浓 co + co2 + H2O

将CO2和耳0用固体NaOH吸收，得CO o

制纯的CO可用分解按基化合物的方法

加热

工业上将空气和水蒸气交替通入红热炭层

2 CO A r H m = 一221 kj-mol 一】

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C + H2O = CO + H2 A r H m = 131 kj-mol 一】混合气体含CO 40%, CO25%, H2 50% 称之为水煤气。发生炉煤气和水煤气都是工业上的燃料气O

2° CO的化学反应

CO + Cl2----------- COC12（光气）

2C + O2

CO + NaOH 高压

HCOONa

CO + 催化剂

多种C、H有机化合物

微量的CO 通入PdCl 2溶液中，会使溶液变黑，可鉴定co

sp 2

— p

C 釆用sp 2

等性杂化 存在口：

CO + PdCl 2 + H 2O Pd + CO 2 + 2HC1 H 2CO 3

OH

OH

碳酸及其盐 1结构

C 采用sp 2

等性杂化 与端O 之间 1个b 1个兀 与疑基O 之

间2个b