碳族元素知识点.docx

碳族元素13.1碳族元素通性周期表中第IVA族包括碳（C \硅（S以错（Ge X锡（Sn \铅（Pb ）五种元素， 统称碳族元素其中碳（C X硅（Si）是非金属元素，错（Ge X锡（Sn X铅（Pb ）是金 属元素本族元素基态原子的价电子层结构是ns2np2，主要氧化数+4和+2碳原子的价电子层结构是2s22p2 ,在化合物中一般多显+4 ,也可显+4到-4之间的任 意氧化数在化合物中，C能以sp、sp2、sp3杂化轨道相互结合或与其他原子结合C-C、 C-H、C-O键的键能大，稳定性高，奠定了含碳有机物结构复杂、数量庞大的基础硅原子的价电子层结构是3s23p2，化合物中一般显+4价Si-Si键不稳定，但硅氧键 很稳定，所以硅的化合物中硅氧键占很大比例错（Ge X锡（Sn \铅（Pb ）中，随着原 子序数的增大，稳定氧化态逐渐由+4变为+2，这是由于ns2电子对随n的增大逐渐稳定 的结果锡一般以+2价的形式存在于离子化合物中铅则以+4价氧化态的形式存在于共价化 合物和少数离子型化合物中4价的铅由于惰性电子对效应，具有很强的氧化性碳主要以煤、石油、天然气等有机物存在硅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。

碳、硅在地壳中的丰度分别为0.023% , 25.90%，碳是组成生物界 的主要元素，硅是组成地球矿物界的主要元素硅在地壳中的含量仅次于氧，分布很广硅 有很强的亲氧性，自然界中基本不存在游离态的硅，一般以硅的含氧化合物，如SiO2、硅 酸盐等形式存在错、锡、铅主要以硫化物和氧化物的形式存在Ef/VCOg lg CO-c-2^-CH4I 0 49 HgC2O4SiF^ 一二^Si兰空里_si_L理空诅4H£SlO3^^eF/vCOT 一「5 HCO{ ~°5£ c ~°70 c&SiOt^-^Si ~0 73 SiH4户 C -0. 34 ™ 2+ 0. 23 J-I <-0.3 1TGeI)2 Ge Ge GmHqI -0.05 IS蛊就+也^ SnPb&上冬 Pb^'° 126 PbPbs&*品HG比弓三旦Sn伽窘兰虺"HSr应丑空~SnHPbO^ ~0 34 PbPbO2 °~246 PbO13.2碳及其化合物单质碳有三种同素异形体金刚石、石墨、和球碳金刚石:具有四面体结构每个碳以SP3杂化，与相邻四个 碳原子结合成键，是典型原子晶体金刚石晶体中碳碳键很 强，所有价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子金刚 石硬度最大，在所有单质中熔点最高，而且不导电。

主要用 于制造钻探用钻头和磨削工具它还用于制作首饰等高档装 饰品石■:具有层状结构层内每个碳原子都是以SP2杂化轨道与相邻的的3个碳原子形成O 单键每个碳原子均余下1个P轨道，在同层中与相邻碳原子的P轨道相互平行重叠，形成1个垂直于O键所在平面的m中心m电子的离域键（m ）键中的电子可以在同一 平面层中"流动"，所以石墨具有良好的导电性和导热性石墨的层与层之间的距离较大（335pm ），结合力相当于范德华力，易于滑动、故石墨质软且具有润滑性石墨在工业上用途广泛，可以用它制电极和高温热 电偶、坩堪、冷凝器等化工设备、润滑剂、颜料、 铅笔芯、火箭发动机喷嘴和宇宙飞船及导弹的某些 部件等在核反应堆中作中子减速剂及防射线材料石墨和金刚石的大量工业用品是人工制造的人造石墨可用石油，焦炭，加煤焦油或沥青，成型烘干后在真空电炉中加热到3273K左右 制得工业上一般以Ni-Cr-Fe合金等为催化剂，在1.52x106~6x106kPa和1500~2000K 下，将石墨转变为金刚石球碳:是一大类由碳原子组成的呈现封闭的多面体形的圆球形或椭球形结构的碳单质的总称主要有C60、C70和C84等C60是由60个碳原子相互联结的一种近似圆球的分子，又 被称为"富勒烯"或"巴基球"。

C60和1985年后相继 发现的c24、c120、c180...等碳原子组成的分子一样，是 碳单质的新的存在形式C60分子中每个碳原子与周围3个碳原子相连，形成3个a键并参与组成2个六元环和一个五元环碳原子杂化轨道介于SP2 （石墨）和SP3 （金刚石）之间，分子中有一个诉060C60等碳原子簇的发现，对物理学、电子学、材料学、生物学、医药科学等领域产生了 广泛的影响，且在理论研究和应用方面显示出了广阔的前景碳的氧化物碳可以形成三种氧化物：一氧化碳（CO '二氧化碳（CO2 ）和次氧化碳（C3O2 ）,前两种氧化物比较重要1 一氧化碳CO与N2、CN-、NO+等是等电子体，结构相似，分子中也有三重键即一个u键与两个 n键但与N2分子不同的是：其中一个n键是配键，其电子来源于氧原子这个配键在一定 程度上抵消了因碳氧间电负性差所造成的极性，而且碳原子略显负电，比较容易向其他有空 轨道的原子提供电子对.CO的分子轨道式一云- -：• ' 一：•• - •— 一 碳在空气中不充分的燃烧，或用酸脱水可以得到CO:2CO+O2=2COHCOOH（浓 H2SO4） = H2O+COCO是无色无味的气体，不与水作用，有剧毒。

CO有强还原性，在加热下，它同硫反应生成硫氧化碳，同氯气反应（光或铂催化）生成二 氧化碳或光气在高温下CO能还原许多金属氧化物，例如：CuO+CO=CO2+CuFe2O3+3CO=3CO2+2Fe这种还原作用在冶金工业中起着很重要的作用CO在常温下也能还原溶液中的金属化合 物，例如它同溶液中的氯化把反应，CO+PdCl2+H2O=CO2 + Pd+2HCl产生的金属把成为黑色的微细分散的沉淀物析出，可以利用这个反应检查CO的存在2二氧化碳CO2是无色无味的气体,无毒,大量吸入可令人窒息空气中二氧化碳的体积分数是0.03%， 人呼出的气体中二氧化碳的体积分数约为4%CO2在5.2atm、-56.61时可冷凝为雪花状 的固体，称为干冰CO2可溶于水，常温下饱和CO2溶液的浓度为0.03~0.04mol・dm-3在CO2分子中，碳原子与氧原子生成四个键，两个键和两个大n键(即离域键), CO2为直线型分子碳原子上两个未杂化成键的p轨道同氧原子的p轨道肩并肩地发生重 叠，由于n电子的高离域性，使CO2中的碳氧键(键长=116pm)处于双键C=O (键长 = 122pm )和叁键C三O(键长二110pm )之间。

CO2没有极性〔二二二三二二三：O——C——O：上W 二厂二 厂"在CO2溶液中加碱有利于CO2的溶解，因为生成了碳酸盐：H2CO3(g)+2NaOH()二Na2CO(3aq)+2H2O(l)CO2(g)+2OH-(aq)=CO23 ( aq ) +H2O(l)因此常用NaOH的浓溶液或固态NaOH颗粒作为CO2的吸收剂CO2不助燃，可用于灭火，但不能扑灭燃着的镁，因为它可与镁反应：CO2+2Mg=2MgO+CCO2通入石灰水中生成白色沉淀：CO2+Ca(OH)2=CaCO3l + H2O此反应可鉴定CO2工业CO2主要来源于碳酸盐的分解实验室可用碳酸钙与盐酸反应来制备少量CO2碳酸及其盐碳酸CO2在水中的溶解度不大溶解的CO2很少一部分与h2o反应而生成h2co3 ,大部分CO2 以水合状态存在.h2co3很不稳定，它是二元酸第一级电离： H2CO3 = = = = H + + HCO3- 、=2.4 X10-4第二级电离： HCO-3 = = = = H ++CO 32- K2 =4.69 x10-n碳酸盐(1) HCO-3 与 CO32-的结构在碳酸根与碳酸根离子中，碳原子均以sp2杂化轨道与三个氧原子的p轨道形成。

键，它的另一个p轨道与氧原子的p轨道形成n键，离子为平面三角形结构2)碳酸盐的性质：溶解性：所有碳酸氢盐都溶于水正盐中只有铵盐和碱金属盐溶于水若正盐易溶，则相应的酸式盐在水中的溶解度比正盐的溶解度小，这同HCO33-离子在 它们的晶体中通过氢键结合成链有关若正盐难溶，则酸式盐的溶解度比正盐的溶解度大自然界有许多碳酸盐矿石，大理石、石灰石、方解石以及珍珠、珊瑚、贝壳等的主要成 分都是CaCO3白云石、菱镁矿含有MgCO3地表层的碳酸盐矿石在CO2和水的长期侵 蚀下可以部分地转变为Ca(HCO3)2而溶解所以天然水中CaCO3 +CO 2 +H 2O Ca(HCO3)2Ca(HCO3)2，它经过长期的自然分解、受热及CO2分压的降低，又析出CaCO3这是 自然界中钟乳石和石笋的成因，也是暂时硬水(含HCO3-及 Ca2+和Mg2+)软化的原理 水解性：碳酸盐和碳酸氢盐都能水解在金属盐类(碱金属和NH 4盐除外)的水溶液中加入可溶性碳酸盐，产物可能是碳酸盐、碱式碳酸盐或氢氧化物如果金属离子不水解，如Ca2+、Ba2+将得到碳酸盐如果金属离子的水解性极强，其氢氧化物的溶度积又小，如AI3+、Cr3+和Fe3+等，将 得到氢氧化物。

2Cr3+ + 3CO 32-+3H 2O=2Cr(OH) 31 + 3CO J有些金属离子如Cu2+、Zn2+、Pb2+和Mg2+等，其氢氧化物和碳酸盐的溶解度相差不 多，则可能得到碱式盐2Cu 2+ +2CO 32-+H 2O = Cu2(OH)2CO3l+CO J热稳定性：碳酸盐受热分解的难易程度与阳离子的极化作用有关阳离子对CO 2 -离子产生反极化作用，使CO 2 -不稳定以致于分解阳离子的极化作用越大，碳酸盐就越不稳定一般来说，酸式碳酸盐的热稳定性均比相应的正盐稳定性差因为氢离子虽只带一个正 电荷，但半径极小，电荷密度极大，反极化作用特别大13.3硅及其化合物单质单质硅有无定型与晶体两种，晶体硅结构与金刚石相同，属原子晶体，熔沸点较高，硬 而脆，呈灰色，有金属光泽单质硅加热条件下能同单质如卤素、氮、碳等非金属作用，也 能同某些金属如镁、钙、铁、铂等作用生成硅化物它不溶于一般的无机酸中，但能溶解在 碱溶液中，并放出氢气Si(s)+2NaOH(aq) = NaSiO3(aq)+2H2(g)在炽热温度下，硅能同水蒸气发生作用Si(s)+2H2O(g)=SiO2(s)+2H2(g) 以上反应都反映了硅同氧有很强的亲和力。

硅在空气中燃烧能直接生成二氧化硅并放出大量 热二氧化硅二氧化硅是无色晶体，硅和氧原子以SiO4四面体的形式相互连接，属原子型晶体因此 性质和二氧化碳的差异很大二氧化硅的熔沸点分别为(1713+_5)C、2950OC，难溶于 普通酸，但能溶于热碱和HF溶液中：SiO2 + 2NaOH == Na2SiO3 + H2OSiO2 + 6HF = = H2SiF6 + 2H2O因此，玻璃容器不能盛放浓碱溶液和氢氟酸硅酸及其盐1、硅酸和硅凝胶简单的硅酸是正硅酸H4SiO4〔Si(OH)4〕在室温下将细的无定形的二氧化硅放在水中不断搅动至平衡，可以得到一种含0.01%Si(OH)4的稀溶液：SiO2+2H2O=Si(OH)4用冷的稀酸同可溶的正硅酸盐作用，可以得到较浓(过饱和的)的正硅酸盐溶液：SiO44-+4H +=Si(OH)4四氯化硅水解也可以得到正硅酸的水溶液硅酸是一种弱酸(K1 = 3.0X10-1o ,K2=2X10-12), 它的盐在水溶液中有显著地水解作用正硅酸在Ph=2~3的范围内是稳定的，不过若将饱 和的Si(OH)4溶液长期放置，有时会生成无定形的二氧化硅沉。