第18章 碳族元素.pdf

第第18 章章 Carbon Family Elements 碳 族 元 素碳 族 元 素碳 族 元 素碳 族 元 素 Chapter 18 本章教学内容 本章教学内容 18.1 碳族元素概述碳族元素概述 18.2 碳族元素的单质碳族元素的单质 18.3 碳的化合物碳的化合物 18.4 硅的化合物硅的化合物 18.5 锡、铅的化合物锡、铅的化合物 18.1 碳族元素概述碳族元素概述 ? 碳族元素在周期表中的位置碳族元素在周期表中的位置 碳 族碳 族 ? 碳族元素在自然界中的存在碳族元素在自然界中的存在 碳：碳：金刚石、石墨；煤、石油、天然气金刚石、石墨；煤、石油、天然气; 碳酸盐碳酸盐; CO2; 生物体内等生物体内等 硅：硅：SiO2 和各种硅酸盐和各种硅酸盐 锗：锗：硫银锗矿硫银锗矿 4Ag2S · GeS2 硫铅锗矿硫铅锗矿 2PbS · GeS2 金刚石金刚石 硫银锗矿硫银锗矿 锡：锡：锡石锡石 SnO2 铅：铅：方铅矿方铅矿 PbS， 白铅矿 ， 白铅矿 PbCO3 锡石锡石 18.2 碳族元素的单质碳族元素的单质 18.2.1 碳碳 18.2.2 硅和锗硅和锗 18.2.3 锡和铅锡和铅 ? 碳的同素异形体碳的同素异形体 金刚石：金刚石：原子晶体,硬度最大,熔点最高。

原子晶体,硬度最大,熔点最高 石墨：石墨：层状晶体，质软，有金属光泽层状晶体，质软，有金属光泽 金刚石金刚石石墨石墨 足球烯：足球烯： C60，，C70等 碳纳米管：碳纳米管：由类似石墨的六边形网格所组成的管状物，管 子一般由单层或多层组成，两端封闭 由类似石墨的六边形网格所组成的管状物，管 子一般由单层或多层组成，两端封闭 无定形碳：无定形碳：无定形碳实际是石墨的微晶体 无定形碳实际是石墨的微晶体 足球烯足球烯 碳纳米管碳纳米管 无定形碳无定形碳 神奇的碳纳米管神奇的碳纳米管 碳纳米管简介碳纳米管简介 碳纳米管 (Carbonnanotube) 又叫巴基管，是碳的一种同素异 形体，由单层或多层石墨片绕中 心按一定角度卷曲而成的无缝、 中空纳米管直径在 0.33 nm 到 几十纳米之间，长度可达数微米 碳纳米管可分为单壁碳纳米管和 多壁碳纳米管 碳纳米管 (Carbonnanotube) 又叫巴基管，是碳的一种同素异 形体，由单层或多层石墨片绕中 心按一定角度卷曲而成的无缝、 中空纳米管直径在 0.33 nm 到 几十纳米之间，长度可达数微米 碳纳米管可分为单壁碳纳米管和 多壁碳纳米管。

碳纳米管的特性碳纳米管的特性 • 高的机械强度和弹性高的机械强度和弹性 • 高的比表面积高的比表面积 • 强的吸附性能强的吸附性能 • 优良的导体和半导体特性优良的导体和半导体特性 • 优良的光学特性优良的光学特性 碳纳米管有着不可思议的强度与 韧性，重量却极轻，导电性极强，兼 有金属和半导体的性能 ；把纳米管组 合起来，比同体积的钢强度高 碳纳米管有着不可思议的强度与 韧性，重量却极轻，导电性极强，兼 有金属和半导体的性能 ；把纳米管组 合起来，比同体积的钢强度高 100 倍，重量却只有倍，重量却只有 1/6碳纳米管具有 非常广泛的用途碳纳米管具有 非常广泛的用途 碳 纳 米 管 的 应 用 碳 纳 米 管 的 应 用 •碳纳米管具有中空的结构，可作 为非常优良的 碳纳米管具有中空的结构，可作 为非常优良的“储存储存”氢气的容器氢气的容器 •超级电容碳纳米管制成的超级电 容和一节电池所存储的能量相，几 秒内可完成充电，几乎永不损耗 超级电容碳纳米管制成的超级电 容和一节电池所存储的能量相，几 秒内可完成充电，几乎永不损耗 •高强度高韧性及 高温防护材料等 高强度高韧性及 高温防护材料等。

18.2.2 硅和锗硅和锗 ? 硅在地壳中的丰度仅次于氧，为硅在地壳中的丰度仅次于氧，为 26.3%自然界中的硅 不以单质形式存在，主要是以石英砂和硅酸盐形式存在 硅有晶态 自然界中的硅 不以单质形式存在，主要是以石英砂和硅酸盐形式存在 硅有晶态 (银灰色银灰色) 和无定形和无定形 (黑色粉末黑色粉末) 两种形态两种形态 ? 硅硅 ? 硅的制备：硅的制备：实验室中用实验室中用 Mg 还原还原 SiO2，得无定形硅粉 工业上用焦炭还原 ，得无定形硅粉 工业上用焦炭还原 SiO2，得到晶体硅得到晶体硅 ? 硅的主要用途是制造金属合金和半导体硅的主要用途是制造金属合金和半导体 ? 锗在地壳中的含量为锗在地壳中的含量为 1.5%，比金、银、碘等常见的元 素多得多不过，它太分散了，属于稀散稀有金属锗 常与硫化物矿共生，如硫银锗矿 ，比金、银、碘等常见的元 素多得多不过，它太分散了，属于稀散稀有金属锗 常与硫化物矿共生，如硫银锗矿 (4Ag2S·GeS2)、硫铅锗 矿 、硫铅锗 矿 (2PbS·GeS2) 等 ? 锗锗 ? 锗用来制造晶体整流器锗用来制造晶体整流器 (二极管二极管)、晶体放大器、晶体放大器 (三极管三极管)、 检波器等。

锗能刺激红血球的生成，所以锗在医学上的 应用越来越受到关注 、 检波器等锗能刺激红血球的生成，所以锗在医学上的 应用越来越受到关注 ? 锡和铅锡和铅 ? 锡的主要矿石是锡石锡的主要矿石是锡石 (SnO2)，铅的主要矿石是方铅矿，铅的主要矿石是方铅矿 (PbS)锡无毒，所以主要用来制造食品罐头包装用的马 口铁铅用于电缆、蓄电池、硫酸等工业铅盐的毒性 大，目前世界各国已禁止使用含铅汽油锡无毒，所以主要用来制造食品罐头包装用的马 口铁铅用于电缆、蓄电池、硫酸等工业铅盐的毒性 大，目前世界各国已禁止使用含铅汽油 18.3 碳的化合物碳的化合物 18.3.1 一氧化碳一氧化碳 18.3.2 二氧化碳二氧化碳 18.3.3 碳酸及其盐碳酸及其盐 18.3.4 碳化物碳化物 18.3.1 一氧化碳一氧化碳 CO 是一种无色无味气的气体，有剧毒，使用时应 注意安全燃烧废气和汽车尾气都含有一定量的 是一种无色无味气的气体，有剧毒，使用时应 注意安全燃烧废气和汽车尾气都含有一定量的 CO 当 CO 浓度不大时，一般并不威胁生命安全，但长期吸 入少量 浓度不大时，一般并不威胁生命安全，但长期吸 入少量 CO，也会导致贫血症。

当空气中，也会导致贫血症当空气中 CO 浓度达到浓度达到 1.2% 时，则会造成时，则会造成“煤气中毒煤气中毒”的人身伤亡事故的人身伤亡事故CO 致 命的原因是它能与血液中的血红蛋白 致 命的原因是它能与血液中的血红蛋白 (Hem) 结合，形成 很稳定的化合物，从而破坏 结合，形成 很稳定的化合物，从而破坏 Hem 的载氧能力当有的载氧能力当有 10% 的的 Hem 和和 CO 结合后，人就会窒息致死结合后，人就会窒息致死 ? CO 的制备的制备 实验室制备纯实验室制备纯CO的方法是将甲酸与浓硫酸共热，硫 酸的作用是作为脱水剂 的方法是将甲酸与浓硫酸共热，硫 酸的作用是作为脱水剂 HCOOH (l) + H2SO4(l) CO (g) + H2O (l) + H2SO4(aq) :C O: 一个σ键 两个π键 一个σ键 两个π键 :C O: ? CO 的结构的结构 CO 分子的电子总数为分子的电子总数为14，与，与 N2相同，两者的结构 相似 相同，两者的结构 相似CO 中碳与氧是通过叁键结合，其中一根σ键， 一根双方各提供一个价电子的共价π键，还有一根是由 氧原子单独提供一对电子的配位π键。

中碳与氧是通过叁键结合，其中一根σ键， 一根双方各提供一个价电子的共价π键，还有一根是由 氧原子单独提供一对电子的配位π键 . . ? CO 的化学性质的化学性质 1）作为配体，形成羰基配合物（）作为配体，形成羰基配合物（C 为配位原子）为配位原子） CO 与一些过渡金属加合生成羰基配合物如与一些过渡金属加合生成羰基配合物如 Fe(CO)5、、Ni(CO)4和和 Co2(CO)8 等 Ni(CO)4是由金属镍 粉和 是由金属镍 粉和 CO 直接反应生成的气态配合物，在高温时又分解为 产生金属 直接反应生成的气态配合物，在高温时又分解为 产生金属 Ni 和和 CO因而常用来提纯金属镍因而常用来提纯金属镍 2）还原剂）还原剂 CO是强还原剂在冶金工业中是强还原剂在冶金工业中 CO 常被用作还原 剂，在高温下能把许多金属从它们的氧化物中还原出来 常被用作还原 剂，在高温下能把许多金属从它们的氧化物中还原出来 3CO + Fe2O3= 2Fe + 3CO2 CO + CuO = Cu + CO2 18.3.2 二氧化碳二氧化碳 常温常压下常温常压下 CO2是气体，室温加压可使是气体，室温加压可使 CO2气体 液化，贮入钢瓶中。

当液体 气体 液化，贮入钢瓶中当液体 CO2骤然减压沸腾时，吸 收很多热，倾刻间气温下降到 骤然减压沸腾时，吸 收很多热，倾刻间气温下降到 -78 ℃，形成固体℃，形成固体 CO2 (称干冰称干冰)干冰是优良冷冻剂干冰是优良冷冻剂CO2是非极性分子，不 导电，是优良灭火剂 是非极性分子，不 导电，是优良灭火剂 二氧化碳灭火器大学生在演练灭火二氧化碳灭火器大学生在演练灭火 二氧化碳灭 火器主要用于扑 救贵重设备、档 案资料、仪器仪 表、 二氧化碳灭 火器主要用于扑 救贵重设备、档 案资料、仪器仪 表、600伏以下 电气设备及油类 的初起火灾 伏以下 电气设备及油类 的初起火灾 ? CO2的结构的结构 O C O: : CO2中的中的 C 原子采取原子采取 sp 杂化分别与杂化分别与 2 个个 O 原子形 成两个σ键 原子形 成两个σ键C 原子未参加杂化的原子未参加杂化的 2 个个 p 轨道上的电子 则分别与一个 轨道上的电子 则分别与一个 O 原子原子 p 轨道上的轨道上的 1 个未成对电子及另一 个 个未成对电子及另一 个 O 原子原子 p 轨道上的一对孤对电子形成两个大π键。

这 两个大π键均由 轨道上的一对孤对电子形成两个大π键这 两个大π键均由 3 个原子（个原子（1 个个 C 原子、原子、2 个个 O 原子） 提供的 原子） 提供的 4 个电子组成，称为三中心四电子键，以 Π个电子组成，称为三中心四电子键，以 Π3 表 示 表 示 4 CO2 的偶极矩为零，由此可推知它是直线型结构，经 典结构式为 的偶极矩为零，由此可推知它是直线型结构，经 典结构式为 O＝＝C＝＝O 18.3.3 碳酸及其盐碳酸及其盐 CO2溶于水生成碳酸，常温常压下一体积水能溶解 一体积 溶于水生成碳酸，常温常压下一体积水能溶解 一体积 CO2碳酸很不稳定，只存在于水溶液中它是 一个二元酸，在水中分步电离： 碳酸很不稳定，只存在于水溶液中它是 一个二元酸，在水中分步电离： ? 碳酸碳酸 H2CO3H++ HCO3-Ka1= 4.2××10-7 HCO3-H++ CO32-Ka2= 4.7××10-11 ? CO32-的结构的结构 CO32-与与 BF3为等电子体， 中心 为等电子体， 中心 C 原子采取原子采取 sp2杂化 C O OO 2- ? 碳酸盐的溶解性碳酸盐的溶解性 碳酸是二元酸，它能生成碳酸盐和碳酸氢盐。

碳酸是二元酸，它能生成碳酸盐和碳酸氢盐 •碳酸盐中，除铵盐和碱金属盐（除碳酸盐中，除铵盐和碱金属盐（除 Li2CO3外）以外， 都难溶于水； 外）以外， 都难溶于水； •一般是难溶碳酸盐对应的碳酸氢盐的溶解度较大一般是难溶碳酸盐对应的碳酸氢盐的溶解度较大 如：如：Ca(HCO2)2 CaCO3 （溶解性）（溶解性） •对易溶的碳酸盐，它对应的碳酸氢盐的溶解度反而小对易溶的碳酸盐，它对应的碳酸氢盐的溶解度反而小。