第12章 碳族元素

12.2.1碳族元素概述12.2.2碳及其重要化合物12.2.3硅及其重要化合物12.2.4錫、鉛及其重要化合物12.2.1碳族元素概述IVA:C、Si、Ge、Sn、Pb價(jià)電子層構(gòu)型：ns2np2;主要氧化值：+2、+4;形成共價(jià)化合物由于惰性電子對(duì)效應(yīng)明顯，Ge、Sn的M（II）有較強(qiáng)還原性，易被氧化；Pb（IV）化合物有較強(qiáng)氧化性，易被還原為Pb（II）.

自然存在和豐度碳硅煤、石油、天然氣白云石、石灰石動(dòng)植物、CO2碳是自然界化合物種類最多的元素，達(dá)400多萬(wàn)種，它是有機(jī)物的骨架元素。豐度0.027%27.7%硅酸鹽礦，石英礦。鍺：硫銀鍺礦4Ag2S?GeS2硫鉛鍺礦2PbS?GeS2。錫：錫石SnO2。鉛：方鉛礦PbS，白鉛礦PbCO3。

硅是構(gòu)成各種礦物的主要元素金剛石石墨金剛石石墨碳-60金剛石晶瑩美麗，光彩奪目，是自然界最硬的礦石。在所有物質(zhì)中，它的硬度最大。在所有單質(zhì)中，它的熔點(diǎn)最高，達(dá)3823K。石墨很軟，具有潤(rùn)滑性，導(dǎo)電導(dǎo)熱，密度比金剛石小，熔點(diǎn)比金剛石僅低50K，為3773K。1996年10月7日，瑞典皇家科學(xué)院決定把1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予RobertFcurl.Jr(美國(guó))、HaroldWKroto(英國(guó))和RichardESmalley(美國(guó))，以表彰他們發(fā)現(xiàn)C60。12.2.2碳及其重要化合物一、單質(zhì)碳：三種同素異形體C-60（富勒烯）三種碳單質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)圖層狀結(jié)構(gòu)SP2雜化SP3雜化用途和性質(zhì)金剛石俗稱鉆石，除用作裝飾品外，主要用于制造鉆探用的鉆頭和磨削工具，是重要的現(xiàn)代工業(yè)原料，價(jià)格十分昂貴。由于石墨能導(dǎo)電，具有化學(xué)惰性，耐高溫，易于成型和機(jī)械加工，所以石墨被大量用來(lái)制作電極、高溫?zé)犭娕肌③釄?、電刷、?rùn)滑劑和鉛筆芯。C60可做超級(jí)耐高溫的潤(rùn)滑劑，被視為“分子滾珠”。把K、Cs、Tl等金屬原子摻進(jìn)C60分子的籠內(nèi)，就能使其具有超導(dǎo)性能?？捎糜谥瞥傻秃哪茈姍C(jī)。再有C60H60這些相對(duì)分子質(zhì)量很大的碳?xì)浠衔餆嶂禈O高，可做火箭的燃料。二、碳的重要化合物

結(jié)構(gòu)：COCO(6+8=14e-)與N2（2×7=14e-）是等電子體,結(jié)構(gòu)相似。

1、碳的氧化物

（1）一氧化碳(CO)：CO的性質(zhì)a.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。

b.還原劑：c.劇毒：與血液中攜帶O2的血紅蛋白結(jié)合成穩(wěn)定的配合物，使其失去輸送O2的能力?？諝庵兄灰?/800體積比的CO就能使人在半小時(shí)內(nèi)死亡。（2）二氧化碳(CO2)大氣中的CO2僅占0.033%左右，它是控制氣候的關(guān)鍵角色。CO2對(duì)地球溫度的影響常被稱作溫室效應(yīng)。溫室效應(yīng)地球從太陽(yáng)輻射的100~5000nm波長(zhǎng)范圍的光吸收能量。它主要吸收400~700nm范圍內(nèi)的可見光。因?yàn)榈厍虮砻鏈囟鹊?，它所釋放的熱輻射是波長(zhǎng)大于4000nm的紅外輻射。這種IR輻射只能被水分子和二氧化碳所吸收。隨著工業(yè)的發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，自19世紀(jì)開始CO2的濃度不斷地升高。大氣中CO2濃度增高主要源于礦物原料的燃燒，某些氣象專家推測(cè)地球的平均溫度將增加1~3℃。

溫室氣體還包括氟氯烴，甲烷，一氧化二氮，以及各種易揮發(fā)的有機(jī)化合物。 各種溫室氣體對(duì)全球變暖的影響（見圖1）各種溫室氣體對(duì)全球變暖的影響CO2溶于水，大部分CO2?H2O,極小部分H2CO32、碳酸及其鹽

（1）碳酸00a.熱穩(wěn)定性：

熱穩(wěn)定性與陽(yáng)離子的極化能力有關(guān)，極化力越強(qiáng)，穩(wěn)定性越差。H+的極化力大于任一金屬離子。

熱穩(wěn)定性規(guī)律：

正鹽>酸式鹽>碳酸

正鹽中：M2CO3>MCO3>過(guò)渡金屬碳酸鹽>(NH4)2CO3同一族金屬的碳酸鹽穩(wěn)定性從上到下增加(2)碳酸鹽：正鹽、酸式鹽

掌握三個(gè)性質(zhì)：思考：下列碳酸鹽中穩(wěn)定性最強(qiáng)和最差的各是什么？CaCO3Na2CO3BaCO3ZnCO3b.溶解度：

堿金屬(Li除外)碳酸鹽和銨鹽易溶，其余均難溶。溶解度規(guī)律：S酸式鹽>S正鹽

如:SCa(HCO3)2>SCaCO3

易溶的碳酸鹽(如Na+、K+、NH4+的碳酸鹽)溶解度反常：

S酸式鹽<S正鹽

Na2CO3NaHCO3K2CO3KHCO3100℃溶解度451615660(g/100gH2O)2----氫鍵存在，形成二聚物或多聚物易水解：Na2CO3水解顯強(qiáng)堿性NaHCO3水解顯弱堿性

氫氧化物金屬離子（堿金屬離子和NH4+除外）+可溶碳酸鹽碳酸鹽堿式碳酸鹽

c.水解性?

（1）強(qiáng)水解性金屬離子，特別是兩性的，氫氧化物溶解度較小，生成氫氧化物沉淀

規(guī)律:

(3)碳酸鹽和相應(yīng)的氫氧化物溶解度相近，生成堿式碳酸鹽（Cu2+,Mg2+,Zn2+,Pb2+）(2)金屬氫氧化物溶解度比相應(yīng)碳酸鹽的大碳酸鹽

(Ca2+、Sr2+、Ag+、Cd2+、Mn2+)12.2.3硅及其重要化合物1、單質(zhì)硅2、硅烷3、硅的鹵化物4、二氧化硅5、硅酸及其鹽1、單質(zhì)硅：有兩種

無(wú)定型體：灰黑色粉末，比晶體硅活潑

晶體：原子晶體，類似于金剛石硅的制備

單晶硅：重要的半導(dǎo)體材料Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H23Si+4HNO3+12HF3SiF4+4NO+8H2O電爐2C＋SiO2=======Si＋2CO↑723-773KSi(粗硅)＋2Cl2=======SiCl4

SiCl4＋2H2======Si(純)＋4HCl12000c多晶硅單晶硅

數(shù)量和穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如烷烴

最簡(jiǎn)單的硅烷：SiH4(無(wú)色氣體)性質(zhì)：(1)自燃：(2)強(qiáng)還原性：(3)水解：微量堿作催化劑(4)熱穩(wěn)定性差：用于高純硅的制備2.硅烷：

(SinH2n+2n=1~6)3、硅的鹵化物SiX4SiF4SiCl4SiBr4SiI4聚集態(tài)glls

分子量小大溶沸點(diǎn)低 高水解：SiCl4+3H2O=H2SiO3+4HClSiF4＋3H2O＝H2SiO3+4HFSiF4＋2HF＝H2SiF6（氟硅酸,強(qiáng)酸性）4、二氧化硅SiO2是原子晶體，基本結(jié)構(gòu)單元是硅氧四面體，SiO4四面體間通過(guò)共用頂角氧原子彼此連接起來(lái)，在三維空間里多次重復(fù)這種結(jié)構(gòu)，形成硅氧網(wǎng)格形式的SiO2晶體。原子比Si:O＝1:2。Si-O以共價(jià)單鍵結(jié)合。SiO2是最簡(jiǎn)式,不代表一個(gè)簡(jiǎn)單分子，而CO2代表一個(gè)簡(jiǎn)單分子。SiOOOOSiO4四面體sp3

晶體：天然SiO2晶體為石英。純石英：水晶含有雜質(zhì)的石英：瑪瑙，紫晶、碧玉、煙水晶等無(wú)定型體：石英玻璃、硅藻土、蛋白石（貓眼SiO2·xH2O）石英16000c石英玻璃（熱膨脹系數(shù)小，可透過(guò)可見光和紫外光，可作紫外燈管和高級(jí)光學(xué)儀器）

SiO2存在形態(tài)（原子晶體）SiO2的性質(zhì)：熔點(diǎn)高，硬度大，不導(dǎo)電，不溶于水酸性氧化物，不活潑，但容易被堿和氫氟酸腐蝕：SiO2＋4HFSiF4↑＋H2OSiO2＋2NaOHNa2SiO3＋H2OSiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑熔融5.硅酸及硅酸鹽硅酸：通式：xSiO2·yH2O：

xy原硅酸H4SiO412偏硅酸H2SiO311一般用偏硅酸H2SiO3代表硅酸硅酸是二元弱酸，白色膠凍狀，溶解度小K10＝2×10-10K20＝1×10-12制備：剛生成的硅酸主要以H4SiO4單分子形式存在。H4SiO4單分子形式硅酸溶膠硅酸凝膠

硅膠放置加酸電解質(zhì)烘干活化CoCl2浸泡-烘干變色硅膠硅膠的制備簡(jiǎn)圖-H2O半透明，白色，有許多細(xì)小的孔隙，比表面積大，吸附力很強(qiáng)，吸附各種氣體和水蒸氣，作干燥劑、吸附劑的體。精密儀器的干燥劑為多硅酸,含水多,白色透明,軟而富有彈性固體

硅酸鹽：地殼質(zhì)量的95%為硅酸鹽礦。

可溶性：Na2SiO3、K2SiO3不溶性：大部分硅酸鹽難溶于水，且有特征顏色（p349）水中花園SiO2＋Na2CO3Na2SiO3+CO2Na2SiO3的實(shí)際組成xNa2O·ySiO2，俗稱水玻璃，水解呈堿性,也稱泡花堿，用途很廣，用于做粘合劑，防腐劑，軟水劑，洗滌劑和肥皂的填充劑，也是制硅膠和分子篩的原料。硅酸鹽熔融普通玻璃：Na2SiO3.CaSiO3.4SiO2玉或翡翠：NaAl(SiO3)212.2.4錫、鉛及其重要化合物1、錫、鉛的單質(zhì)2、錫、鉛的氧化物和氫氧化物3、錫、鉛的鹽類4、錫、鉛的硫化物1、錫、鉛的單質(zhì)

錫：銀白色，有三種同素異形體灰錫(α錫)>13.2℃白錫(β錫)161℃脆錫白錫長(zhǎng)期在低溫下放置會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉勰畹幕义a,此現(xiàn)象稱為”錫疫”馬口鐵（鍍Sn鐵皮）焊錫（Sn-Pb合金）青銅（Cu-Sn合金）

鉛：質(zhì)軟，層性好，延展性不好，有極高的鍛接性能。能阻擋X射線。錫、鉛能形成氧化數(shù)為+2、+4的化合物。

由于惰性電子對(duì)效應(yīng)：穩(wěn)定性：Sn(IV)>Sn(II)

Sn(II)強(qiáng)還原性Pb(II)>Pb(IV)

Pb(IV)強(qiáng)氧化性

SnO(黑)PbO（橙黃）Sn(OH)2（白）

Pb(OH)2

（白）（兩性偏堿）（兩性偏堿）SnO2（白）

PbO2（褐色）Sn(OH)4（白）Pb(OH)4(棕)

（兩性偏酸）（兩性偏酸）

酸性增強(qiáng)共性：難溶于水，有顏色，兩性2.錫、鉛的氧化物和氫氧化物堿性增強(qiáng)

過(guò)量OH-HNO3或HAcH+濃HNO3放置適量OH-過(guò)量OH-過(guò)量OH-適量OH-適量OH-H+重要反應(yīng)：442-

Pb3O4——鉛丹：鮮紅(化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，作防銹漆。）

可看作：Pb2PbO4或2PbO·PbO2

Pb2O3：橙色

可看作：PbPbO3或PbO·PbO2PbPbO3+2HNO3Pb(NO3)2+PbO2+H2O鉛的氧化物：

PbO：橙黃色（用于制造鉛蓄電池等）

PbO2：褐色，強(qiáng)氧化劑。3PbO2

Δ

Pb3O4+O2與稀硝酸反應(yīng),可證明有兩種不同氧化數(shù)的Pb存在混合氧化物Sn2+,Hg2+的相互鑒定3、錫、鉛的鹽類

（1）、Sn(II)鹽的還原性（堿性介質(zhì)中更強(qiáng)）鑒定Bi3+（2）、Pb(IV)的氧化性（在酸性介質(zhì)中）