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第十五章 碳族元素 PowerPoint PPT Presentation


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End. Close. 第十五章 碳族元素. § 15.1 碳族元素概述. §15.2 碳族元素的单质. §15.3 碳的化合物. 1. 碳的氧化物. 2. 二氧化碳 (CO 2 ). 3. 碳酸及其盐. §15.4 硅的化合物. 1. 硅的氧化物. 2. 硅酸及硅酸盐. 3. 硅的氢化物 ( 硅烷 Si n H 2n+2 , n=1 ~ 6 ). 4. 硅的卤化物 SiX 4. §15.5 锡、铅的化合物. 2. 锡、铅的盐类. 1. 锡、铅的氧化物和氢氧化物. 3. 锡、铅的硫化物.

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第十五章 碳族元素

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


4565764

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第十五章 碳族元素

§15.1 碳族元素概述

§15.2 碳族元素的单质

§15.3 碳的化合物

1. 碳的氧化物

2. 二氧化碳(CO2)

3. 碳酸及其盐

§15.4 硅的化合物

1. 硅的氧化物

2. 硅酸及硅酸盐

3. 硅的氢化物(硅烷 SinH2n+2 ,n=1~ 6)

4. 硅的卤化物 SiX4

§15.5 锡、铅的化合物

2. 锡、铅的盐类

1. 锡、铅的氧化物和氢氧化物

3. 锡、铅的硫化物

§15.6 无机化合物的水解性


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End

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本章重点:

  • 碳的氧化物、碳酸盐

  • 锡和铅的化合物

  • 无机盐的水解性


4565764

氧化值

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§15.1 碳族元素概述

碳族(IVA):C、Si、Ge、Sn、 Pb

价电子构型:ns2np2

最大

配位数

金属晶体

单质可形成原子晶体


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成键情况:

1、C半径小、电负性大、无d 轨道,表现较大差异:

最高配位数为4;成键能力强;

C-C、C=C、C≡C、C-H、C-O、

形式多,键能高,使碳化合物种类逾百万

2、Si-Si (222KJ·mol-1)<C-C(345.6~)

硅化合物种类远少于碳;

Si-O( 452KJ·mol-1)>C-O( 357.7~ )

为亲氧元素,Si-O-Si链构成矿物界。

3、锗分族Ge、Sn、Pb随Z↑,+4化合态稳定性↓

+2化合态稳定性↑——惰性电子对效应明显。


4565764

End

Close

存在形式:

碳:金刚石、石墨;煤、石油、天然气;

碳酸盐;动植物; CO2 ,构成生物界

硅:SiO2和各种硅酸盐,构成矿物界

锗:硫银锗矿 4Ag2S•GeS2,

硫铅锗矿2PbS • GeS2 。

锡:锡石 SnO2 。

铅:方铅矿 PbS,白铅矿 PbCO3 。


4565764

End

Close

硫银锗矿

方铅矿

锡石


4565764

End

Close

§15.2 碳族元素的单质


4565764

End

Close

碳单质的同素异形体:

金刚石:原子晶体,硬度最大,熔点最高。

石墨:层状晶体 ,质软,有金属光泽。

足球烯或富勒烯:C60, C70等。C60是1985年用激光轰击石墨作碳的气化实验时发现的。

C60是由12个五边形和20个六边形组成的32面体。

无定形碳:木炭、焦炭、炭黑(活性炭)

C60

碳纳米管

碳纤维


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End

Close

石墨 (sp2杂化)

金刚石 (sp3杂化)


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End

Close

足球烯,富勒烯,C60 (sp2杂化)

C60 的发现者之一R.E.Smalley教授


4565764

13.2℃

161℃

灰锡(α锡) 白锡(β锡) 脆锡

End

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硅单质:有无定形体和晶体两种,其晶体类似金刚石。熔点高硬度大,具金属光泽。

能导电,随T↑导电性↑,作半导体材料。

锗单质:是灰白色金属,硬而脆,结构类似于金刚石。高纯锗为良好半导体材料。

锡疫?

锡单质有三种同素异形体:

铅单质:质软,密度大,能阻挡X射线。可作电缆的包皮,核反应堆的防护屏。


4565764

End

Close

化学性质:

常温下

高温下


4565764

End

Close

锡 无毒、耐腐蚀,马口铁—镀锡铁,制罐头盒

焊锡(Sn-Pb),青铜(Cu-Sn)。

与酸作用

与碱作用


4565764

End

Close

不与水作用,但

×

与酸作用

中止反应,

作衬里或

输酸管道

×

有氧时溶于HAc

溶于浓碱


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End

Close

问题:

1、为什么CO2为气体,SiO2为固体?

2、为什么C的化合物种类远比Si的化合物多?

3、什么是变色硅胶?有何用途?变色原理?

4、比较Sn(II)Pb(II)Sn(IV)Pb(IV)氧化物

及其水合物的酸碱性、氧化性和还原性。

5、比较Na2CO3和NaHCO3的溶解性和热稳定性。

6、如何用实验证明Pb3O4和Pb2O3的组成?

7、比较SnCl4与SnCl2的熔点高低?


4565764

End

Close

8、比较热稳定性: Na2CO3 MgCO3

MgCO3 CaCO3 SrCO3 BaCO3

Na2CO3和NaHCO3

9、举例说明Sn(Ⅱ)的还原性?

10、举例说明Pb(Ⅳ)的氧化性? ?

11、铅的可溶必性盐?难溶盐?

12、如何鉴定Sn2+、Pb2+?

13、SnCl2的水解反应?


4565764

浓H2SO4

浓H2SO4

End

Close

§15.3 碳的化合物

1. 碳的氧化物

※ 一氧化碳(CO)

制取:

实验室:

工业制水煤气(CO和H2):由空气和水蒸气交替

通入赤热碳层


4565764

:C O:

:C O:

End

Close

结构:

CO(6+8=14e-)与 N2(2×7=14e-)

是等电子体, 结构相似。

一个σ键

两个π键

性质:

① 作配位体,形成羰基配合物 Fe(CO)5 ,

Ni(CO)4 , Co2(CO)8 , 其中C是配位原子。

② 还原剂:

检 CO

③ 剧毒


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End

Close

Fe(CO)5

Ni(CO)4

Co2(CO)8


2 co 2

O

C=O双键键长124pm (在CH3--C--CH3中)

C O叁键键长113pm

:O C O :

End

Close

2. 二氧化碳(CO2)

非极性分子,加压液化得固体二氧化碳—干冰

经典的分子结构:O=C=O

CO2中,碳、氧之间键长116pm

C:sp杂化


4565764

End

Close

碳酸


4565764

End

Close


4565764

+

+

=

-

-7

×

H

CO

H

HCO

K

4.4

10

2

3

3

1

+

+

=

-

2

-

-

11

×

HCO

H

CO

K

4.7

10

3

3

2

2-

End

Close

3. 碳酸及其盐

CO2溶于水,大部分CO2•H2O,极小部分H2CO3

CO32-的结构:

CO32- (6+3×8+2=32 e-)与 BF3(5+3×9=32 e-)

为等电子体。

C:sp2杂化


4565764

End

Close

碳酸及其盐的热稳定性:

①H2CO3<MHCO3<M2CO3

②同一族金属的碳酸盐稳定性从上到下增加

BeCO3 MgCO3 CaCO3 SrCO3 BaCO3

分解T/℃ 100 540 900 1290 1360


4565764

MCO3 MO + CO2

[

]

2-

2+

M

End

Close

③过渡金属碳酸盐稳定性差

CaCO3 PbCO3 ZnCO3 FeCO3

分解T /℃ 900 315 350 282

价电子构型 8 e_ (18+2) e_ 18 e_ (9-17) e_

离子极化观点:

r(M2+) 愈小,M2+ 极化力愈大,MCO3愈不稳定; M2+ 为18e_,(18+2)e_ ,(9-17)e_ 构型相对于 8e_构型的极化力大, 其 MCO3相对不稳定。


4565764

2-

-

-

-

End

Close

碳酸盐的溶解度:

易溶盐:Na2CO3 NaHCO3 K2CO3 KHCO3

100℃溶解度 45 16 156 60

(g/100g H2O)

氢键存在,形成

二聚物或多聚物

其它金属(含Li)碳酸盐难溶于水,且酸式盐溶解度大于正盐。


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+

+

2

-

-

-

CO

H

O

HCO

OH

(

)

强碱性

3

2

3

+

+

-

-

HCO

H

O

H

CO

OH

3

2

2

3

End

Close

可溶性碳酸盐与金属离子作用的产物类型:

水溶液中存在碳酸盐的水解:

金属离子加入可溶性碳酸盐时,生成沉淀的类型:

① 氢氧化物碱性较强的金属离子与之反应生成碳酸盐沉淀。

例如:Ba2+、Sr2+、Ca2+和Ag+等。

② 氢氧化物碱性较弱的金属离子与之反应生

成碳酸羟盐(碱式碳酸盐)沉淀。

例如:Pb2+、Bi3+、Cu2+、Cd2+、Zn2+、Hg2+、Co2+、Ni2+ 和Mg2+等。


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+

+

+

+

2

2

-

2Mg

2CO

H

O

Mg

(OH)

CO

(s)

CO

(g)

3

2

2

2

3

2

+

+

+

+

2

2

-

2Cu

2CO

H

O

Cu

(OH)

CO

(s)

CO

(g)

3

2

2

2

3

2

+

+

+

+

3

2

-

2

Al

3CO

3H

O

2

Al(OH)

(s)

3CO

(g)

3

2

3

2

End

Close

③ 水解性强、两性的金属离子与之反应生成

氢氧化物沉淀。

例如:Al3+、Fe3+、Cr3+、Sn2+、Sn4+和Sb3+等。

碳酸钠的制备:

索尔维(Solvay)氨碱法?

侯德榜联合制碱法?


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石英 粘稠液体 石英玻璃

(过冷液体)

急剧冷却

~1600℃

End

Close

§15.4 硅的化合物

1. 硅的氧化物

无定型体:石英玻璃、硅藻土、燧石

晶体:天然晶体为石英,属于原子晶体

纯石英:水晶

含有杂质的石英:玛瑙,紫晶,碧玉

混有杂质的石英细粒:砂粒

具有特殊性能


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End

Close

水晶

石英盐

黑曜(yao)石

紫晶

缟玛瑙

玛瑙


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End

Close

高纯度单晶硅片切割和刻蚀成集成电路

集成电路

晶体管


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End

Close

结构:

Si采用sp3杂化轨道与氧形成硅氧四面体

硅氧四面体

二氧化硅

性质:

① 与碱作用

腐蚀玻璃

② 与HF作用


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H4SiO4原硅酸

硅酸 H2SiO3偏硅酸

xSiO2•yH2O 多硅酸

-H2O

胶冻状硅酸

硅胶

End

Close

2. 硅酸及硅酸盐

性质:

H2SiO3溶解度小,是二元弱酸

硅胶

制备:

浸透过CoCl2的硅胶为变色硅胶,作干燥剂。


4565764

End

Close

(a) [SiO4]4- (b) Si2O76- (c) Si4O128- (d) Si6O1812-


Sio 4 4 si2o 7 6 s pod um en e

End

Close

SiO44- , Si2O76- , spodumene(锂辉石)结构


4565764

End

Close

可溶性:Na2SiO3 (水玻璃)、K2SiO3

不溶性:大部分难溶于水且有特征颜色。

硅酸盐

白 蓝 紫 红棕 肉 翠绿

水中花园


3 s i n h 2n 2 n 1 6

×

End

Close

*3. 硅的氢化物(硅烷 SInH2n+2) n=1~6

最简单的硅烷:SiH4(甲硅烷)

制取:

(了解)

性质:

自燃

  • 强还原性:

  • 水解:

  • 热稳定性差:


4 six 4

分子量 小 大

熔沸点 低 高

End

Close

4. 硅的卤化物 SiX4

SiF4 SiCl4 SiBr4 SiI4

聚集态 g l l s

制取:

刻蚀玻璃

水解:

(氟硅酸)


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适量OH-

过量OH-

+

2

2

-

Sn

Sn(OH)

(s,

)

[Sn(OH)

]

2

4

H+

适量OH-

过量OH-

+

2

-

Pb

Pb(OH)

(s,

)

[Pb(OH)

]

2

3

HNO3或HAc

适量OH-

过量OH-

+

4

2

-

Sn

-

H

SnO

(s,

)

[Sn(OH)

]

α

2

3

6

H+

放置

浓HNO3

Sn

-

H

SnO

(s,

)

β

不溶于酸或碱

2

3

+

+

+

β

-

Sn

4HNO

(

)

H

SnO

4NO

H

O

3

2

3

2

2

End

Close

§15.5 锡、铅的化合物

1. 锡、铅的氧化物和氢氧化物


Sn ii

-

0.154

0.136

+

+

4

2

E

/V

Sn

Sn

Sn

A

-

-

0.96

0.79

-

2

-

2

E

/V

[Sn(OH)

]

[Sn(OH)

]

Sn

B

6

4

End

Close

Sn(II)的还原性

沉淀白→灰→黑Sn2+,Hg2+的相互鉴定

鉴定Bi3+的反应

如何配制和保存SnCl2溶液?


Pb iv

-

1.45

0.126

+

2

E

/V

PbO

Pb

Pb

2

A

0.25

-

0.58

E

/V

PbO

PbO

Pb

2

B

+

+

+

Pb(OH)

NaClO

PbO

NaCl

H

O

2

2

2

+

+

+

2

-

2

+

+

+

+

5PbO

2Mn

4H

2MnO

5Pb

2H

O

2

4

2

+

+

+

PbO

4HCl(

)

PbCl

Cl

2H

O

2

2

2

2

+

+

+

2PbO

4H

SO

2Pb(HSO

)

O

2H

O

2

2

4

4

2

2

2

+

+

+

2PbO

2H

SO

2PbSO

O

2H

O

2

2

4

4

2

2

End

Close

Pb(IV)的氧化性


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+

+

+

Pb

PbO

4HNO

2Pb(NO

)

PbO

(

)

2H

O

褐色

2

4

3

3

2

2

2

End

Close

Pb的其他氧化物

PbO2受热分解:

四氧化三铅(Pb3O4 Pb3O4)----铅丹:鲜红色

可看作:

铅丹

三氧化二铅(Pb2O3):橙色

可看作:PbO·PbO2

氧化铅:(PbO):橙黄色


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End

Close

小结:

Pb(OH)4PbO2

氧化性减弱,酸性增强

Sn(OH)4

酸性增强

碱性增强

Sn(OH)2

Pb(OH)2

碱性增强,还原性减弱


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多数难溶:

End

Close

2. 锡、铅的盐类

水解:

无色液体,共价化合物,不导电,溶沸点低;强烈水解

铅白

溶解性:

少数可溶:Pb(NO3)2, Pb(Ac)2(弱电解质,有甜味,俗称铅糖),铅的可溶性化合物都有毒。


4565764

End

Close

Pb2+ Pb(OH) 3-

PbCl2(白) PbSO4(白) PbI2(黄) PbCrO4(黄)

PbCl42- Pb(HSO4)2PbI42- Pb2++Cr2O72-

OH-

浓H2SO4

I-

HNO3

浓HCl

Pb2+的鉴定:

PbCrO4溶于过量的碱,此点与黄色BaCrO4有别,SrCrO4溶于HAc,不溶于碱。


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PbS2

End

Close

3. 锡、铅的硫化物

SnS(棕) SnS2(黄) PbS(黑)

均不溶于稀盐酸

配位溶解(浓HCl)

SnS + 4HCl → H2SnCl4 + H2S

PbS + 4HCl → H2PbCl4 + H2S

SnS2 + 6HCl → H2SnCl6 +2H2S

碱溶 (SnS, PbS不溶)

氧化碱溶 (SnS2,PbS不溶)

(硫代锡酸盐,不稳定,遇酸分解)

PbS与HNO3作用


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End

Close

§15.6 无机化合物的水解性

盐的水解过程:

盐溶于水后发生水合作用,若离子极化作用强烈足以使水分子中O-H键断裂,则阳离子夺取OH-而释放出H+,或阴离子夺取H+而释放OH-从而破坏水的电离平衡,直到建立新的平衡。

  • 强酸的阴离子不水解

  • 弱酸的阴离子明显水解

  • 阳离子水解能力与极化作用有关。


4565764

End

Close

1、影响因素:

电荷和半径:

Z↑r↓的阳离子极化作用强,易水解。

电子层结构:

8e构型不水解

18e构型易水解

非稀有气体构型易水解

NF3不水解,PF3水解;CF4、CCl4不水解,SiCl4水解; BX3水解

空轨道:


4565764

End

Close

外界因素:温度、酸度

2、水解产物的类型:

(1)碱式盐


4565764

End

Close

(2)氢氧化物

(3)含氧酸或水合氧化物

小结 :

  • 阳离子的极化作用愈强,愈容易水解;

  • 共价型化合物中电正性原子必须有空轨道才可能水解;

  • 升高温度,促进水解。


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