第十五章 碳族元素

第十五章

碳族元素

本章主要介绍： 碳与硅的成键特征及差异性，Pb2+的稳 定性；碳、硅的单质、氢化物、氧化物、 卤化物及含氧酸盐的结构、制备、性质和 用途；锡、铅的单质及其重要化合物的性 质和用途；无机化合物的水解性规律。

一、教学要求：1、初步掌握C与Si的成键特征及差异性，Pb2+的稳定性； 2、对C及其化合物的学习要求是： ① 碳的同素异性体——石墨、金刚石、C60系列； ② 石墨插入化合物的性质； ③ CO的结构和配位性； ④ CO2的结构、性质、用途及对大气环境的影响； ⑤ 碳酸盐与碳酸氢盐的溶解性和热稳定性规律。 3、掌握硅、二氧化硅、硅胶和硅酸钠的性质和用途； 4、掌握锡、铅及其重要化合物的性质和用途； 5、掌握CO32-、SiO32-、Sn2+、Pb2+的鉴定方法； 6、掌握无机化合物的水解性规律。 二、教学时数： 4学时 (P565-566典型习题见后)

第十五章ⅢA5B 13Al 31Ga

碳族元素ⅥA8O 16S 34Se

ⅣA6C 14Si 32Ge

ⅤA7N 15P 33As

ⅦA9F 17Cl 35Br

49In81Tl

50Sn82Pb

51Sb83Bi

52Te84Po

53I85At

0 2He 10Ne 18Ar 36Kr 54Xe 86Rn

碳族元素中：C、Si性质较相似，且类B;而C、Si与 Ge、Sn、Pb之间性质差异较大。

Ge、Sn、Pb —— 锗分族

§15-1 碳族元素的通性碳族元素的基本性质见下页表 (1) 价层结构 —— ns2np2因C的价层无 2d 轨道，所以， C的配位数最 高为4。而Si与其它元素化合时，形成的共价键数 最高可达6。 C 常以sp3、sp2、sp 杂化轨道成键，C易与 C、O、N、S、P等形成多重键。

元 性 质 原子序数 价层结构 主要氧化数 共价半径 / pm 离子半径/ pm

素

C6 2s22p2 +4(+2) 77 16 1086 2353 4621 6223 122.5 2.25

Si14 3s23p2 +4(+2) 118 42 787 1577 3232 4356 119.7 1.90

Ge32 4s24p2 +4,+2 122 53 73 762 1537 3302 4410 115.8

Sn50 5s25p2 +4,+2 141 71 93 709 1412 2943 3930 120.6

Pb82 6s26p2 (+4)+2 154 84 120 716 1450 3081 4083 101.3

M4+ M2+

电离能 ( kJ· -1) mol E1 / kJ· -1 mol 电负性(xp)

I1 I2 I3 I4

2.01(Ⅳ) 1.80(Ⅱ) 1.87(Ⅱ)

(2) C的自相成键能力特强，碳的化合物众多因C-C键能大，且C-H、C-O、C-F键能均较 大，这是决定碳的化合物众多的原因。(碳的化合物约400多万种，它是有机物的骨架元素)表：碳、硅、硼 一些单键 平均键能值比较(kJ mol-1)C—C Si—Si B—B C—H Si—H B—H 345.6 222293±21

C元素自相成链能力最强， 它构成了有机物的骨架。硼与氧结合的键 能最大，其次是 硅，它们主要以 氧化物矿存在。

411±7 318 380

C—O Si—O B—O C—F Si—F B—F

357.7 452 561~690 485 565613±53

(3) Si 常以sp3、sp3d2 杂化轨道成键， 并以单键为主 。Si 也能自相成键，但因Si—Si键能仅为222 kJ· -1, mol 比C—C键能小得 多(C—C为 345.6 kJ· -1), mol 因此Si 链化合

物较少。Si 主要是亲氧元素(Si—O,452 kJ· -1)。 mol Si 的含氧化合物均由[SiO4] 四面体组成； 另外，Si 与半径较小的配位原子F可组成配位数为6 的SiF62-,其它情况下，配位数一般为4。 (4) Ge矿不多，随其它矿伴生。 Ge的化合物和晶态Ge有特殊用途，本章不与讨论。

现代科技中的晶体——高能粒子探测器锗酸铋(BGO)晶体是一种新型 闪烁晶体，在基本粒子、空间物理 和高能物理等研究领域有广泛应用。 丁肇中教授在西欧核研究中心 领导的L3实验使用大量BGO。上海硅酸盐研究所生产的长25 cm、 重5 kg的BGO晶体以分辨率最高、 光衰量最低、均匀性最好等优点 在国际市场竞争中取胜，被国际科 技界公认为佼佼者。

(5) Sn、Pb元素的电势图：锡、铅的电势图： φAθ / V : Sn4+ 0.15 Sn2+ -0.14 Sn PbO21.455

φBθ / V : Sn(OH)62- -0.96 HSnO2- -0.79 Sn HPbO2PbO2 -0.34 0.248 Pb PbO

Pb

2+ -0.126

Pb

1.685

PbSO4

-0.350

Sn、Pb 的低价(Ⅱ)化合物表现出离子性， 高价(Ⅳ)化合物表现出共价性。 其中： Sn2+表现出还原性；但Pb2+特别稳定。 Pb (Ⅳ)的化合物不稳定，表现出氧化剂。 Pb的化合物的性质表明了6s2电子的惰性。

§15-2 碳的单质及其化合物2-1 碳在自然界的分布丰度—— 0.027% 大气中： CO2 矿：难溶性碳酸盐、石墨、金刚石、煤、石油、 天然气等。 生物体中：蛋白质、脂肪、碳水化合物。 碳是地球上化合物最多的元素，生物界的主角。

2-2 单质碳碳(carbon),源自carbo,也就是木炭，这种物质 发现得很早。下图显示出它的三种自然形式——

钻石、炭和石墨：

碳的同素异形体：金刚石：晶莹美丽，光彩夺目，是 自然界最硬的矿石；在所有物质中 它的硬度最大，莫氏硬度10;在所 有单质中它的熔点最高，达3823K。金刚石中的C — sp3杂化，无限连接 的正四面体。大量矿在南非和扎伊尔。 人工合成是在1600~1800K、6.0 109Pa 下，FeS作溶剂、催化剂，由石墨转化 而成。主要用作装饰品、表轴、钻头和 磨削工具等。金刚石是重要的现代工业 原料，价格十分昂贵。

石墨很软，具有润滑性，良好的 导电、导热性。密度比金刚石小。 熔点比金刚石仅低50K ,为3773K。

石墨结构(红、灰色球均为C)

石墨是世界上最软的矿石。 在石墨晶体中，层中的碳原子以 sp2 杂化轨道成键， 构成六角平面的网状结构；层中还有未参加杂化的 p轨道 形成的大 键 mm 。离域的 电子可以在整个平面层中 活动，所以石墨具有层向的良好导电、导热性质 …… 此处隐藏：1261字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……