非金屬元素化學

1、 碳碳 和和 硅硅(Carbon and Silicon)主要內容主要內容一、碳族元素概述一、碳族元素概述二、碳族元素的單質二、碳族元素的單質三、碳的化合物三、碳的化合物四、硅的化合物四、硅的化合物碳族元素概述碳族元素概述價電子構型：ns2np2CSiG eSnPb-4+2+4(+2)+2+2+4+4+4(+4)46666氧化值最大配位數(shù)單質可形成原子晶體 金屬晶體碳族(IVA)：C, Si, Ge, Sn, Pb存在形式：碳：金剛石、石墨；煤、石油、天然氣； 碳酸鹽； CO2 。硅：SiO2和各種硅酸鹽。鍺：硫銀鍺礦 4Ag2SGeS2 ， 硫鉛鍺礦2PbS GeS2 。錫：錫石 SnO2

2、。鉛：方鉛礦 PbS，白鉛礦 PbCO3 。錫石SnO2方鉛礦 PbS 以不同比例與孔雀石、木炭共熱，可制作青銅器碳族元素的單質碳族元素的單質金剛石：原子晶體,硬度最大, 熔點最高，sp3雜化。石墨：層狀晶體 ，質軟， 有金屬光澤， sp2雜化。碳單質的同素異形體：碳纖維碳納米管富勒烯： C60 是1985年用激光轟擊石墨作碳的氣化實驗時發(fā)現(xiàn)的。C60 是由12個五邊形和20個六邊形組成的32面體。穩(wěn)定性順序為：穩(wěn)定性順序為： 線型碳 (型)石墨金剛石富勒烯C60 硅單質有無定形體和晶體兩種，其晶體類似金剛石。 鍺單質是灰白色金屬，硬而脆，結構類似于金剛石。錫單質有三種同素異形體： 鉛單質：質

3、軟，能阻擋X射線。可作電纜的包皮，核反應堆的防護屏。13.2161灰錫(錫) 白錫(錫) 脆錫 白錫變?yōu)榉勰罨义a，此現(xiàn)象叫“錫疫”碳的化合物碳的化合物結構： CO(6+8=14e-)與N2（27=14e-）是等電子體, 結構相似。一個鍵兩個鍵:C O: 1.碳的氧化物(1) 一氧化碳(CO):C O:性質：作配位體，形成羰基配合物 Fe(CO)5, Ni(CO)4, Co2(CO)8 其中C是配位原子。還原劑：(g)CO(g)O21CO(g)22(g)3CO2Fe(s)3CO(g)(s)OFe232劇毒(2) 二氧化碳 (CO2)43 ：O C O ：經典的分子結構：O=C=OOC=O雙鍵鍵

4、長124pm (在CH3-C-CH3中)C O叁鍵鍵長113pmCO2中，碳、氧之間鍵長116pmC：sp雜化固體二氧化碳干冰OOC43 43 2.碳酸及其鹽 CO2溶于水，大部分為CO2H2O，極小部分為H2CO3CO32-的結構：CO32-(6+38+2=32e-)與BF3(5+39=32e-)為等電子體。C：sp2雜化COOO2-64 -71-332104.4 HCOH COH=K11-2-23-3104.7 COH HCO=K碳酸及其鹽的熱穩(wěn)定性： H2CO3MHCO3M2CO3 (g)COOMCOMCOOHCOMHCO2M(g)COOHCOH2II3II223I23I2232同一族金

5、屬的碳酸鹽穩(wěn)定性從上到下增加 BeCO3 MgCO3 CaCO3 SrCO3 BaCO3分解T/ 100 540 900 1290 1360過渡金屬碳酸鹽穩(wěn)定性差 CaCO3 PbCO3 ZnCO3 FeCO3 分解T / 900 315 350 282價電子構型 8e_ (18+2)e_ 18e_ (9-17)e_離子極化觀點：COOO2-M2+MCO3 MO + CO2 r(M2+) 愈小，M2+ 極化力愈大，MCO3 愈不穩(wěn)定； M2+ 為18e_，(18+2)e_ ，(9-17)e_ 構型相對于 8e_構型的極化力大， 其 MCO3 相對不穩(wěn)定。碳酸鹽的溶解度： 易溶鹽：Na2CO3

6、NaHCO3 K2CO3 KHCO3100溶解度 45 16 156 60(g/100g H2O)COOOCOOOHOCOOHH- 其它金屬(含Li)碳酸鹽難溶于水，且酸式鹽溶解度大于正鹽。氫鍵存在，形成二聚物或多聚物COOOHOOC2-HO可溶性碳酸鹽與金屬離子作用的產物類型：水溶液中存在碳酸鹽的水解： )( OHHCO OHCO-32-23強堿性 OHCOHOHHCO-322-3)CO(H)CO(322W231KK K=-)CO(H)CO( 321W232KKK=- 氫氧化物堿性較強的金屬離子與之反應生成碳酸鹽沉淀。 例如：Ba2+、Sr2+、Ca2+和Ag+等。 金屬離子加入可溶性碳酸鹽

7、時，生成沉淀的類型：(s)BaCOCOBa3-232氫氧化物堿性較弱的金屬離子與之反應生成碳酸羥鹽(堿式碳酸鹽)沉淀。 例如：Pb2+、Bi3+、Cu2+、Cd2+、Zn2+、Hg2+、Co2+、Ni2+和Mg2+等。 水解性強、兩性的金屬離子與之反應生成氫氧化物沉淀。例如：Al3+、Fe3+、Cr3+、Sn2+、Sn4+和Sb3+等。(g)3CO(s)Al(OH)2O3H3COAl2232-233(g)CO(s)CO(OH)MgOH2CO2Mg23222-232(g)CO(s)CO(OH)CuOH2CO2Cu23222-232硅的化合物硅的化合物1.硅的氧化物無定形體：石英玻璃、硅藻土、燧石

8、晶體：天然晶體為石英，屬于原子晶體純石英：水晶含有雜質的石英：瑪瑙，紫晶水晶石英鹽黑曜石紫晶縞瑪瑙瑪瑙Si采用sp3雜化軌道與氧形成硅氧四面體硅氧四面體二氧化硅 結構： 原料為天然結晶石英(水晶或純的二氧化硅) 或合成硅烷，經高溫在1600時熔化成粘稠液體，其內部結構變?yōu)椴灰?guī)則狀態(tài)，若急劇冷卻，因粘度大不易再結晶而形成石英玻璃。 石英玻璃石英玻璃高純石英玻璃可制光導纖維性質：(g)COSiONaCONaSiOOHSiONa2NaOHSiO2323222322O2H(g)SiF4HFSiO242 與堿作用 與HF作用2.硅酸及其鹽 H4SiO4 原硅酸硅酸 H2SiO3 偏硅酸 xSiO2yH2

9、O 多硅酸性質：12210132106 . 1107 . 1 SiOH-=，溶解度小，是二元弱酸KKSiO (SiO44-)PO(PO43-)SO(SO42-)ClO(ClO4-)1.611.541.491.441.771.731.701.69-0.16-0.19-0.21-0.25制備：浸透過CoCl2的硅膠為變色硅膠。膠凍狀硅酸硅膠-H2O2NaClSiOH2HClSiONa3232(g)2NH2NaClSiOHCl2NHSiONa332432可溶性：Na2SiO3 (水玻璃) 、K2SiO3不溶性：大部分硅酸鹽難溶于水， 且有特征顏色。硅酸鹽水中花園 硅酸鹽結構復雜, 一般寫成氧化物形式

10、，它的基本結構單位為硅氧四面體。白云石：K2O 3Al2O3 6SiO2 2H2O泡沸石：Na2O Al2O3 2SiO2 nH2O4.硅的鹵化物 SiX4 SiF4 SiCl4 SiBr4 SiI4聚集態(tài) g l l s（氟硅酸）4HClSiOHO3HSiCl3224水解：熔沸點 低 高 分子量 小 大SiFH 2HFSiF6244HFSiOH O3HSiF3224金剛砂（SiC）：用石英和焦碳在電爐中反應制得SiO2 + 3C SiC + 2CO化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，機械強度大，熱膨脹率低，可做高溫結構陶瓷材料氮氮 和和 磷磷(Nitrogen and Phosphorus)主要內容主要

11、內容一、氮族元素概述一、氮族元素概述二、氮族元素的單質二、氮族元素的單質三、氮的化合物三、氮的化合物四、磷的化合物四、磷的化合物氮族(VA)：N，P，As，Sb， Bi價電子構型：ns2np3NPAsSbBi+5+5+5(+5)+3+3+3+3氧化值+5|-3-3-3(-3)最大配位數(shù)46666M2O3酸性酸性兩性兩性 堿性 氨 膦 胂 SbH3 BiH3MH3堿性減弱，穩(wěn)定性下降NH3 PH3 AsH3 SbH3 BiH3 氮族元素概述氮族元素概述N、P：非導電體，能形成酸性氧化物； As：金屬外貌/非金屬同素異形體，能形成兩性氧化物，歸類于準金屬或非金屬均可；Sb、Bi：電阻高于金屬，具有

12、特征的相當長的液態(tài)金屬溫度范圍；熔點：從N到As依次遞增，從Sb到Bi熔點下降；As、Sb、Bi可以形成共價化合物； 氮氣是無色、無臭、無味的氣體。沸點為 -195.8C。微溶于水。常溫下化學性質極不活潑，加熱時與活潑金屬Li，Ca，Mg等反應，生成離子型化合物。氮族元素的單質氮族元素的單質白磷 紅磷磷的同素異形體磷的同素異形體紅磷白磷黑磷隔絕空氣高溫高壓C400 P4化學性質活潑，空氣中自燃，溶于非極性溶劑。 較穩(wěn)定，400以上燃燒，不溶于有機溶劑。磷的燃燒紅磷的結構AsSbBi 氮、磷為非金屬，砷、銻為準金屬，鉍為金屬。結構：N：sp3雜化，三角錐形1.氮的氫化物NH100.8pm107.

13、3o.HH(1) 氨 (NH3)氮的化合物氮的化合物工業(yè)：(g)2NHO2HCaClCa(OH)Cl2NH322243222NH3HNFe 30MPa C500450制備：實驗室：性質： 易溶于水，易形成一元弱堿O6HNO4)(5O4NHO6H2N)(3O4NH2Pt232223空氣純 強還原性_OHNH OHNH OHNH42323 取代反應)Ag(NHNH2AgNHNHH2334322C5703H2NaNH2Na2NH 催化NH2-NH2聯(lián)氨(肼)，NH 亞氨基，N 氮化物 加合反應銨鹽一般為無色晶體，絕大多數(shù)易溶于水HNHHH(2) 銨鹽石蕊試紙法 (紅藍)4NH的結構：現(xiàn)象：紅棕到深褐

14、Nessler試劑法 (K2HgI4)N：sp3雜化，正四面體4NH的鑒定：O3H7II(s)NH HgHg O4OH2HgINH22244-水解： + H2O H3O+ + NH34NH揮發(fā)性非氧化性酸銨鹽O(g)H(g)CO(g)NHHCONHO(g)H(g)CO(g)NH2CO)(NHHCl(g)(g)NHClNH2233422332434非揮發(fā)性，非氧化性酸銨鹽443424433434HSONH(g)NHSO)(NHPOH(g)NH3PO)(NH 熱穩(wěn)定性差氧化性酸銨鹽O2HONNONHO9H2HNON4NO5NHO4H(s)OCr(g)NOCr)(NHO2H(g)NNONH22342

15、32C24034232272242224 催化劑2.氮的氧化物O4H2NO)3Cu(NO)(8HNO3Cu2233稀22222Fe(NO)NOFe)2NOCl(Cl2NO2NOO2NO氯化亞硝酰O6HNO(g)4(g)5O(g)4NH2C80023 鉑絲網(1) 一氧化氮(NO)制備：性質：無色氣體，水中溶解度較小。 (2) 二氧化氮(NO2)N：價電子2s22p3，sp2雜化后 有毒，有特殊臭味的紅棕色氣體NO2HNOOH3NO322 溶于水 用堿吸收OHNaNONaNO2NaOH2NO2232結構：33 性質：（無色）（紅棕色）422ON 2NO冷卻C1403.氮的含氧酸及其鹽N：sp2雜

16、化后：22224422HNO2OHNONOHNONaHSOSOHNaNO 冷凍冷(1) 亞硝酸及其鹽制備：結構：亞硝酸（HNO2）亞硝酸(HNO2)NO+NO2性質： 弱酸(藍色) 不穩(wěn)定22_NOH HNO4_100 . 6 =K a223222NONOOH ONOH 2HNO亞硝酸鹽制備：堿吸收法 222NONO 2NaOH2NaNOH O性質： 絕大部分無色, 易溶于水, (AgNO2 淺黃色不溶)極毒是致癌物。 金屬活潑性差,對應亞硝酸鹽穩(wěn)定性差主AgNO2MNO31.04V/NO)(HNO2=E0.96V/NO)(NO-3=E1.磷的氫化物 (膦 PH3)結構：與NH3相似性質：無色

17、氣體，似大蒜臭味，劇毒 強還原性：4323POH2OPH制備：KIOHPHKOHIPH23423223232233Mg(OH)2PHO6HPMg3Mg(OH)2NHO6HNMg次磷酸鉀22324PO3KHPHO3H3KOHP磷的化合物磷的化合物2.磷的氧化物104 26424OPOPPO) 足 不 (O O2(足)性質：P4O6白色易揮發(fā)的蠟狀晶體，易溶于有機溶劑。P4O10白色雪花狀晶體，強吸水性。33264PO4H)O(6HOP冷歧化43523104PO4HO6N12HNOOP43342104PO4H6SOSO6HOP432104PO4HO6HOPP8PO12H)O(H18O5P43264

18、熱462343P O6H O()3H POPH 熱(1) 次磷酸( H3PO2)及其鹽性質：一元中強酸3.磷的含氧酸及其鹽結構：OPHHHOAgNO3 HgCl2 CuCl2 NiCl2AgHgCuNi- 0.499V)PO/HPO(H2333=EA-.565V1)PO/H(HPO2223-=EB強還原劑K a=1.010-2(2) 亞磷酸 (H3PO3)及其鹽性質：二元中強酸：34333PHPO3HPO4H受熱歧化結構：HOOPHHO2106.3-=K 17100 . 2-=K 2=- 0.76V)PO/HPO(H3343EA=- 1.12V)/HPO(PO-23-34EB2H2AgPOHOH2AgPOH43233強還原性：(3) 磷酸及其鹽 特性：脫水縮合后形成 焦磷酸、聚磷酸、(聚)偏磷酸。結構：性質：三元中強酸OPHHHOOO 107 . 63-=Ka18102 . 6 -=Ka2 10.5431-=Ka3磷酸(H3PO4) 焦磷酸 H4P2O7OPOHHOOHOPOHHOOHOPOHHOOOPOHOH+H2O聚磷酸聚磷酸(n個磷酸脫n-1個H2O) n=2 焦磷酸 n=3 三(聚)磷酸OPOHHOOHOPOHHOOHOPOHHOOHOPOHHOOOPOHOOPOHOHO2H2(聚)偏磷酸(聚)偏磷酸 (n個H3PO4脫n個H2O)偏磷酸：HPO3