第21講 碳族元素

1、無機化學(xué)無機化學(xué)18.1 18.1 碳族元素概述碳族元素概述18.2 18.2 碳族元素的單質(zhì)碳族元素的單質(zhì) 18.3 18.3 碳的化合物碳的化合物18.4 18.4 硅的化合物硅的化合物18.5 18.5 錫、鉛的化合物錫、鉛的化合物中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院第十八章第十八章 碳族元素碳族元素 無機化學(xué)無機化學(xué)掌握碳單質(zhì)的同素異形體和碳的重要化合物掌握碳單質(zhì)的同素異形體和碳的重要化合物,特別是碳酸鹽的性質(zhì)特別是碳酸鹽的性質(zhì)熟悉硅及其化合物熟悉硅及其化合物,特別是硅酸鹽的性質(zhì)特別是硅酸鹽的性質(zhì)了解錫、鉛的重要化合物了解錫、鉛的重要化合物氧化物、氫氧化物氧化物、氫氧化物和硫化物及

2、其性質(zhì)以及和硫化物及其性質(zhì)以及Sn()的還原性和的還原性和Pb()的難溶鹽和的難溶鹽和Pb()的氧化性的氧化性 本章學(xué)習(xí)要求本章學(xué)習(xí)要求無機化學(xué)無機化學(xué)18.1 18.1 碳族元素概述碳族元素概述 碳族碳族(IVA)：碳：碳(carbon , C), 硅硅(silicon, Si), 鍺鍺(germanium, Ge), 錫錫(tin, Sn), 鉛鉛(lead, Pb)18.1 碳族元素概述碳族元素概述 價電子構(gòu)型：價電子構(gòu)型：ns2np2無機化學(xué)無機化學(xué)18.1 18.1 碳族元素概述碳族元素概述存在存在碳：碳：金剛石、石墨；煤、石油、天然氣金剛石、石墨；煤、石油、天然氣; 碳酸鹽碳酸鹽;

3、 CO2 ; 生物體內(nèi)等生物體內(nèi)等硅：硅：SiO2和各種硅酸鹽和各種硅酸鹽鍺：鍺：硫銀鍺礦硫銀鍺礦4Ag2SGeS2 硫鉛鍺礦硫鉛鍺礦2PbS GeS2錫：錫：錫石錫石 SnO2鉛：鉛：方鉛礦方鉛礦 PbS，白鉛礦，白鉛礦 PbCO3金剛石金剛石錫石錫石方鉛礦方鉛礦無機化學(xué)無機化學(xué)18.2 18.2 碳族元素單質(zhì)碳族元素單質(zhì)18.2 碳族元素單質(zhì)碳族元素單質(zhì)18.2.1 18.2.1 碳碳 ( (同素異形體同素異形體) )金剛石金剛石：原子晶體：原子晶體,硬度最大硬度最大,熔點最高。熔點最高。 石石 墨墨：層狀晶體：層狀晶體 ，質(zhì)軟，有金屬光澤。過渡型晶體，質(zhì)軟，有金屬光澤。過渡型晶體 。富勒

4、烯富勒烯：原子排列為球體或橢球體，：原子排列為球體或橢球體，C60、C70 等。分等。分子晶體。子晶體。 碳納米管碳納米管：由類似石墨的六邊形網(wǎng)格所組成的管狀物，：由類似石墨的六邊形網(wǎng)格所組成的管狀物，管子一般由單層或多層組成管子一般由單層或多層組成,兩端封閉。兩端封閉。 無定形碳無定形碳：無定形碳實際是石墨的微晶體：無定形碳實際是石墨的微晶體 。無機化學(xué)無機化學(xué)18.2 18.2 碳族元素單質(zhì)碳族元素單質(zhì)石墨石墨(sp2雜化雜化)金剛石金剛石 (sp3雜化雜化)無機化學(xué)無機化學(xué)18.2 18.2 碳族元素單質(zhì)碳族元素單質(zhì)足球烯足球烯 (富勒烯富勒烯) C60 (sp2雜化雜化)碳納米管碳納米

5、管無機化學(xué)無機化學(xué)18.2 18.2 碳族元素單質(zhì)碳族元素單質(zhì)18.2.2 18.2.2 硅和鍺硅和鍺u硅硅有晶態(tài)有晶態(tài)(銀灰色銀灰色)和無定形和無定形(黑色粉末黑色粉末)兩種。兩種。 無定形硅無定形硅晶態(tài)硅晶態(tài)硅晶態(tài)硅類似金剛石；采用區(qū)域熔煉法制備超純晶態(tài)硅類似金剛石；采用區(qū)域熔煉法制備超純單晶硅單晶硅硅不與任何酸作用，但能溶于硅不與任何酸作用，但能溶于HF和和HNO3的混合液中的混合液中強堿能與硅生成硅酸鹽強堿能與硅生成硅酸鹽Si + 2KOH + H2O K2SiO3 + 2H2 (g)無機化學(xué)無機化學(xué)鍺單質(zhì)：灰白色金屬，鍺單質(zhì)：灰白色金屬， 硬而脆硬而脆(結(jié)構(gòu)類似金剛石結(jié)構(gòu)類似金剛石)

6、超高純鍺也通過區(qū)域熔煉法制備。超高純鍺也通過區(qū)域熔煉法制備。鍺鍺18.2 18.2 碳族元素單質(zhì)碳族元素單質(zhì)鍺鍺無機化學(xué)無機化學(xué)18.2 18.2 碳族元素單質(zhì)碳族元素單質(zhì)錫錫單質(zhì)的三種同素異形體單質(zhì)的三種同素異形體18.2.3 18.2.3 錫和鉛錫和鉛 灰錫灰錫(錫錫) 白錫白錫(錫錫) 脆錫脆錫 在空氣中，錫在表面生成一層致密的保護膜在空氣中，錫在表面生成一層致密的保護膜 有一定的抗腐蝕性有一定的抗腐蝕性 。錫無毒。錫無毒 。13.2161鉛鉛單質(zhì)：質(zhì)軟，能阻擋單質(zhì)：質(zhì)軟，能阻擋X射線。射線。 鉛鹽的毒性大鉛鹽的毒性大 。金屬錫金屬錫金屬鉛金屬鉛無機化學(xué)無機化學(xué)18.3 18.3 碳的化

7、合物碳的化合物18.3 碳的化合物碳的化合物18.3.1 18.3.1 一氧化碳一氧化碳結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) CO與與N2是等電子體是等電子體, 結(jié)構(gòu)相似結(jié)構(gòu)相似 :C O:C O: 一個一個鍵鍵兩個兩個鍵鍵無機化學(xué)無機化學(xué)18.3 18.3 碳的化合物碳的化合物性質(zhì)性質(zhì) 作為配體，形成羰基配合物作為配體，形成羰基配合物(C為配位原子為配位原子) Fe(CO)5 Ni(CO)4 Co2(CO)8 還原劑還原劑 (g)CO(g)O21CO(g)22(g)3CO2Fe(s)3CO(g)(s)OFe232 劇毒劇毒無機化學(xué)無機化學(xué)18.3 18.3 碳的化合物碳的化合物18.3.2 18.3.2 二氧化碳二氧化

8、碳結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) C sp雜化雜化 直線型分子直線型分子 ：OO ：C43 CO2的溫室效應(yīng)。的溫室效應(yīng)。 CO2分子中除了分子中除了鍵外，尚存在鍵外，尚存在2個三中心四電子大個三中心四電子大鍵鍵CO2的偶極矩為零。的偶極矩為零。 無機化學(xué)無機化學(xué)18.3 18.3 碳的化合物碳的化合物18.3.3 18.3.3 碳酸及其鹽碳酸及其鹽 CO2溶于水，主要為溶于水，主要為CO2H2O，極少為，極少為H2CO3 在在298K時，時，c(CO2) : c(H2CO3) = 600 : l 11-2-23-3-71-332104.7 COH HCO104.2 HCOH COHKK CO32-的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)CO

9、32-與與BF3為等電子體為等電子體C：sp2雜化雜化COOO2-64 無機化學(xué)無機化學(xué)18.3 18.3 碳的化合物碳的化合物 碳酸鹽的溶解度碳酸鹽的溶解度易溶鹽易溶鹽 Na2CO3 NaHCO3 K2CO3 KHCO3100溶解度溶解度 45 16 156 60(g/100g H2O)COOOHOOHOC2-存在氫鍵，形成存在氫鍵，形成二聚物或多聚物二聚物或多聚物COOOCOOOHOCOOHH-其它金屬其它金屬(含含Li)碳酸鹽難溶于水碳酸鹽難溶于水, 且酸式鹽溶解度大于正鹽。且酸式鹽溶解度大于正鹽。無機化學(xué)無機化學(xué)18.3 18.3 碳的化合物碳的化合物碳酸及其鹽的熱穩(wěn)定性碳酸及其鹽的熱

10、穩(wěn)定性 H2CO3 MHCO3 60%)，且具有優(yōu)良的耐火，且具有優(yōu)良的耐火性和耐氣候性，可在地鐵、影院、電視發(fā)射中心等防火和隔音性和耐氣候性，可在地鐵、影院、電視發(fā)射中心等防火和隔音要求較高的場合，用作吸音材料。要求較高的場合，用作吸音材料。無機化學(xué)無機化學(xué)氧化錫氣敏材料氧化錫氣敏材料易燃、易爆、有毒、有害氣體的監(jiān)測、報警和控制。金屬氧化易燃、易爆、有毒、有害氣體的監(jiān)測、報警和控制。金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器在氣敏傳感器中占有重要的地位。由于氣體響物半導(dǎo)體傳感器在氣敏傳感器中占有重要的地位。由于氣體響應(yīng)過程主要發(fā)生在敏感材料表面，所以薄膜型氣敏材料被廣泛應(yīng)過程主要發(fā)生在敏感材料表面，所以薄膜型氣

11、敏材料被廣泛采用。采用。SnO2是目前應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體氣敏材料。是目前應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體氣敏材料。SnO2在空氣在空氣中穩(wěn)定，對中穩(wěn)定，對CO、H2、CH4等還原性氣體響應(yīng)靈敏。吸附氣體引等還原性氣體響應(yīng)靈敏。吸附氣體引起起SnO2表面電子得失，半導(dǎo)體能帶發(fā)生改變，產(chǎn)生可以檢測的表面電子得失，半導(dǎo)體能帶發(fā)生改變，產(chǎn)生可以檢測的電信號，可以監(jiān)測氣體并檢測氣體濃度。電信號，可以監(jiān)測氣體并檢測氣體濃度。SnO2氣敏傳感器敏感氣敏傳感器敏感薄膜可以采用磁控濺射、氣相沉積、溶膠薄膜可以采用磁控濺射、氣相沉積、溶膠-凝膠等方法制備。通凝膠等方法制備。通過對過對SnO2摻雜不同的材料，還可以制作成對不同氣體敏感的傳摻雜不同的材料，還可以制作成對不同氣體敏感的傳感器，提高傳感器的靈敏度、選擇性和響應(yīng)性。感器，提高傳感器的靈敏度、選擇性和響應(yīng)性。SnO2氣敏傳感