碳族元素性质.docx
- 文档编号:29783077
- 上传时间:2023-07-26
- 格式:DOCX
- 页数:15
- 大小:168.70KB
碳族元素性质.docx
《碳族元素性质.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《碳族元素性质.docx(15页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
碳族元素性质
碳族元素
1、碳族元素的通性
碳原子结构及特性
碳族元素中,碳、硅是非金属,其余三种是金属,由于硅、锗的金属性和非金属性均不强,也有人称其为“准金属”。
碳族元素的外层电子构型为ns2np2
碳族元素的基本性质
碳族元素的电负性大,要失去价电子层上的1-2个p电子成为正离子是困难,它们倾向于将s电子激发到p轨道而形成较多的共价键,所以碳和硅的常见氧化态为+IV。
第一电离能在同组元素中,由上而下随着原子半径的增大,电离能减小,元素的金属性依次增强。
电子亲和能在同族元素中,自上而下原子半径逐渐增大,原子核对外来电子的吸引力逐渐减弱,自上而下,电子亲和能呈减小趋势。
可能是Sn的原子半径相对较小,外层电子云的密度小,对外来一个电子的排斥作用反而比Ge大,因而得到一个电子放出的的能量较大。
金刚石,晶体硅都为原子晶体,锗、锡、铅都为金属晶体。
碳元素的性质
碳的成键特征
①以sp、sp2、sp3三种杂化态与H、O、Cl、N等非金属原子形成共价化合物,C—C、C—H、C—O键的键能分别为331KJ·mol-1、415KJ·mol-1、343KJ·mol-1,键能越大,稳定性越高。
因此,C、H、O三种能形成数百万种的有机化合物,其中碳的氧化数从+4变到-4
②以碳酸盐的形式存在。
硅的成键特征
①以硅氧四面体的形式存在,如石英和硅酸盐矿中。
②Si—Si、Si—H、Si—O键的键能分别为197KJ·mol-1、320KJ·mol-1、386KJ·mol-1,除Si—O键,前两者的键能分别小于C—C、C—H,因此Si、H、O虽可以形成一些类似于C、H、O形成的有机物,但数量有限
碳和硅可以用sp、sp2和sp3杂化轨道形成1到4个σ键,但Sisp和sp2态不稳sp、定。
碳的原子半径小,还能形成pπ—pπ键,所以碳能形成多重键碳的原子半径小,
锡铅的成键特征
①以+2氧化态的形式存在于离子化合物中
②以+4氧化态的形式存在于共价化合物和少数离子型化合物中。
其中由于ns电子对随n增大(惰电子效应),铅在化合物中呈+2氧化态的趋势增强,因此+4氧化态的铅具有强的氧化性。
碳族元素在自然界中的分布
碳、硅在地壳中的丰度分别为0.023%、29.50%。
硅的含量在所有元素中居第二位,它以大量的硅酸盐矿和石英矿存在于自然界。
碳的含量虽然不多,但它(除氢外)是地球上化合物最多的元素。
大气中有CO2;矿物界有各种碳酸盐、金刚石、石墨和煤,还有石油和天然气等碳氢化合物动植物体中的脂肪、蛋白质、淀粉和纤维素等等也都是碳的化合物。
如果说硅是构成地球上矿物界的主要元素,那么,碳就是组成生物界的主要元素。
锗、锡、铅在自然界中以化合状态存在。
如硫银锗矿4Ag2S·GeS2,锗石矿Cu2S·FeS·GeS2,锡石矿SnO2,方铅矿PbS等
碳及其化合物
单质碳有三种同素异形体,金刚石、石墨和球碳。
木炭、焦炭、炭黑等都有石墨结构。
石墨结构
金刚石结构
(1)金刚石
金刚石是典型的原子晶体,属于立方晶系。
金刚石中每个碳原子均以sp杂化状态与相邻的四个碳原子结合成键。
金刚石的硬度为10,是硬度最高的物质。
金刚石也是熔点最高的物质,高达3823K。
纯金刚石透明无色,天然金刚石含杂质而多带颜色。
由于每个碳原子以sp3杂化所有价电子都参与了共价键的形成,晶体中没有离域π电子,所以金刚石不导点,几乎对所有的化学试剂显惰性。
在空气中加热到800℃以上时,燃烧生成CO2。
(2)石墨
石墨的熔点略低于金刚石。
石墨硬度为1,是最软的晶体之一,呈灰黑色。
石墨具有层状结构,每个碳原子以sp2杂化轨道和邻近的3个碳原子以共价单键相联结,构成片状结构。
每层上的原子各提供一个含成单电子的p轨道形成一个∏nn大π键,这些离域电子使得石墨具有良好的导电性,常用作电极。
层与层之间靠分子间作用力结合在一起,但相互交错。
由于层间的分子间作用力很弱,所以层间易于滑动,故石墨可以作润滑剂。
石墨对一般化学试剂也显惰性,但比金刚石活泼,在500℃可被氧化成CO2,也可被浓热的HClO4氧化成CO2。
依此可以出去金刚石中的石墨。
(3)球碳
科学家认为C60将是21世纪的重要材料
(i)C60分子具有球形的芳香性,可以合成C60Fn,作为超级润滑剂。
(ii)C60笼内可以填入金属原子而形成超原子分子,作为新型催化剂或催化剂载体,具有超导性,掺K的C60,Tc=18K,Rb3C60Tc=29K,它们是三维超导体。
(iii)C60晶体有金属光泽,其微晶体粉末呈黄色,易溶于苯,其苯溶液呈紫红色。
C60分子特别稳定,进行化学反应时,C60始终是一个整体。
碳的氧化物
一氧化碳
CO是一种无色无味的气体,不与水作用,属中性氧化物。
CO可以与血液中的血红素中的铁元素结合生成羰基化合物,使血液失去运输氧的功能。
空气中若含有1/800体积的CO就使人在半小时内死亡。
CO有还原性和加合性,将CO通入PdCl2溶液,可立即生成黑色沉淀,此反应可用于CO的定性检验。
CO+PdCl2+2H2OCO2+2HCl+Pd↓
CO与CuCl的酸性溶液的反应进行得很完全,以至于可以用来定量吸收CO。
CO+CuCl+2H2OCu(CO)Cl·2H2O
冶金工业上CO是重要的还原剂。
FeO+COFe+CO2
CO能与许多过渡金属结合生成羰基配合物,Fe(CO)5、Ni(CO)4,Cr(CO)6等。
这些羰基配合物的生成、分离、加热分解是制备这些高纯金属的方法之一。
工业上将空气和水蒸气交替通入红热炭层,混合气体含CO40%,CO25%,H250%C+H2O称之为水煤气。
C+H2O=Δ=CO+H2
或碳的不完全燃烧,得到的气体含CO25%,CO24%,N270%(体积比)这种混合气体称为发生炉煤气。
2C+O2=2CO
发生炉煤气和水煤气都是工业上的燃料气。
实验室中制备少量CO是用浓硫酸使甲酸脱水来实现。
HCOOH+浓H2SO4=CO↑+H2O
二氧化碳
CO2是一种无色无味的气体,无毒,但大量的CO2可令人窒息。
空气中CO2的体积分数为0.03%。
人呼出的的气体中CO2的体积分数为4%。
2在5.2atm、CO-56.6℃时可冷凝为雪花状的干冰。
CO2中,C原子采取sp杂化,2个含成单电子的sp杂化轨道分别与2个O原子的含成单电子的2p轨道重叠形成2个σ键;中心C原子上还有2个含成单电子的2p轨道,垂直于键轴,相互间也垂直;每个O原子上还有1个含成单电子的2p轨道和一个含成对电子的2p轨道,同样垂直于键轴,相互间也垂直,这样3个原子对称性匹配的3个2p轨道相互重叠形成一个π键,另3个对称性匹配的2p轨道也重叠形成另一个π键。
CO2构型为直线型。
CO2可溶于水,常温下,饱和CO2溶液的浓度0.03~0.04mol·dm-3。
CO2不助燃,可用于灭火,但不能扑灭燃着的Mg.
2Mg+CO2=2MgO+C
CO2通入石灰水中生成白色沉淀。
CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O
由此可以鉴定CO2。
工业用CO2主要来源于碳酸盐的热分解,如:
CaCO3=CaO+CO2↑实验时可用碳酸钙与盐酸反应制备少量CO2
CaCO3+HCl=CaCl2+CO2↑+H2O
碳酸及其盐
碳酸人们习惯上将CO2的水溶液称为碳酸,实际上CO2在水中主要以水和分子的形式存在,只有极少部分生成H2CO3。
CO2+H2O=H2CO3K=1.8×10-3
如果水中的CO2全部转化成CaCO3,则CaCO3的电离常数为K1=4.3×10-7,
K2=4.8×10-11,碳酸是一种中强酸。
但通常情况下,CO2水合与H2CO3的浓度比为600,CO2的水溶液仅显弱酸性。
H2CO3=H++CO32-K=2.4×10-4
所以人们通常将碳酸看作弱酸。
碳酸很不稳定,只能存在于水溶液中。
在H2CO3分子中,中心碳原子采用sp2杂化,与端O之间形成1个σ键,个1π键与羟基O之间形成2个σ键,因此,H2CO3分子呈平面三角形。
碳酸盐
碳酸正盐中除碱金属(Li+除外),铵及铊(Tl+)盐外,均难溶于水,但难溶的正盐其酸式盐溶解度均较大,易溶的正盐其酸式盐的溶解度反而减小。
氢键存在,形成二聚物或多聚物。
碳酸盐的热稳定性相对较低,阳离子的极化性和变形性越大,碳酸盐的热稳定性越低。
同一族金属的碳酸盐稳定性从上到下增加
同一周期金属,从左到右,碳酸盐稳定性降低
过渡金属碳酸盐稳定性差
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。
金属离子电荷越高,半径越小,电负性越大,其极化能力越强,碳酸盐越易分解碳酸盐易水解。
硅及其化合物
硅及其化合物
单质
单质硅有无定性和晶体两种,晶体硅结构与金刚石相同,属于原子晶体,可导电,导电率随温度的升高而增大,熔、沸点较高,硬而脆,呈灰色,有金属外貌,是典型的半金属。
常温下,硅不活泼,不与水、空气、酸反应,但能溶于碱液,但加热时与许多非金属单质化合,还能与某些金属反应。
Si+2OH-+H2O-SiO3+2H2↑
(1)与金属和非金属反应
2与钙、镁、铜、铁等化合生成硅化物2Mg+Si=MgSi
(2)与酸反应
硅遇到氧化性的酸发生钝化,它可溶于HF-HNO3的混合酸中。
3Si+4HNO3+18HF=3H2SiF6+4NO↑+8H2O
硅与氟化氢反应生成SiF4
硅与氢氟酸反应H2SiF6
(2)与浓碱反应无定形硅能与强碱反应放出氢气:
Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑
(3)硅在高温下与水蒸气反应生成H3SiO3和H2
SiO2与C混合,在高温电炉中加热制备单质硅。
用作半导体用的超纯硅,需用区域熔融的方法提纯。
高纯硅主要用于制造半导体,当硅中掺杂磷时,因磷成键后尚多余一个电子,就构成n型半导体,若硅中掺杂硼时,因硼成键后尚缺少一个电子,就构成了p型半导体。
二氧化硅
SiO2是无色晶体
,原子晶体,熔沸点分别为1713℃、2230℃,难溶于普通酸,但溶于热碱和氢氟酸中。
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O
SiO2(s)+4HF(g)=SiF4(g)+2H2O(g)
原因:
Si-F键能大,极其稳定(590kJ·mol)SiO2以SiO4四面体为结构单元,“无限大分子”。
每个氧原子为两个四面体共有,Si:
O=1:
2
整个晶体可看作是一个巨大分子,SiO2是最简式
纯SiO2硬度大、熔点高、高温加热不再是晶体,而是玻璃化
硅酸及其盐
硅酸
目前实验室发现的硅酸有5种,组成常以xSiO2·yH2O表示随形成条件而异,但通常以H2SiO3表示。
H2SiO3是二元弱酸,Ka1=4.2×10-10,Ka2=1.0×10-12,和碱反应生成硅酸钠,在强碱性溶液(pH≥14时),主要以SiO32-的形式存在,当pH在11~13.5之间时,主要以Si2O52-存在,pH<11缩合成较大的同多酸根离子,pH再低时,则以硅酸凝胶析出,当pH=5.8时,凝胶速率最快。
在0℃、pH=2~3的水溶液中,SiCl4可水解成0.1mol·dm-3的H4SiO4溶液。
常温下,用80%的硫酸与粉状Na2SiO3反应可以得到H2SiO3溶液。
硅酸盐
除Na2SiO3和K2SiO3易溶于水外,其他绝大多数硅酸盐难溶于水。
工业上最常用的硅酸盐就是Na2SiO3。
Na2SiO3只能存在于碱性溶液中,遇到酸性物质就会生成硅酸:
H2O+SiO32-+2CO2=H2SiO3+CO32-
SiO32-+2NH4+=H2SiO3+2NH3
Na2SiO3常用作黏合剂,也常用作洗涤剂添加物。
无论在水溶液中还是在自然界中,硅酸盐中Si总以
[SiO4]四面体的形式存在。
硅酸盐种类极多,其结构可分为链状、片状和三维网
络状,但其基本结构单元都是硅氧四面体。
常见的硅酸盐组成结构
①两个[SiO4]以角氧相连,Si∶O=1∶3.5,
化学式为Si2O72-
②[SiO4]以两个角氧分别和另外两个
[SiO4]相连成长链状结构,Si∶O=1∶3
③[SiO4]以角氧构成双链,Si∶O=4∶
④[SiO4]以三个角氧和其他三个[SiO4]连成层状结构,Si∶O=2∶5
⑤[SiO4]以四个角氧和其他四个[SiO4]连成骨架状结构,Si∶O=1∶2
分子筛—分子筛—合成铝硅酸盐
自然界中存在的某些硅酸盐和铝硅酸盐具有笼形三维结构,这些均匀的笼可以选择地吸附一定大小的分子,这种作用称为分子筛作用,通常把这样的硅酸盐和铝硅酸盐称为沸石分子筛。
合成A型分子筛通常使用的原料是水玻璃、铝酸钠、氢氧化钠和水。
合成的A型分子筛的化学式一般为:
Na2O·Al2O3·2SiO2·5H2O化学式中硅原子和铝原子的个数比称为硅铝比,型分子筛的硅铝比一般为A1。
由于骨架中铝氧四面体的存在,骨架显负电性,而Na+存在与A型分子筛的笼中起着中和骨架负电荷的作用。
由于A性分子筛有着大小均匀的笼形结构,对于大小合适的分子有选择性吸附作用,加上笼内的静电作用,故分子筛的选择性远远高于活性碳等吸附性。
目前A型分子筛常用于气体干燥、净化、富集氧气及轻油脱蜡;X型(Na86[Al86Si106O384]·264H2O)和Y型(Na56[Al56Si136O384]·250H2O)分子筛常用于石油的催化裂化,也常用于其他有机反应的催化;硅铝比较高的丝光沸石分子筛(Na8[Al8Si40O96]·24H2O)和ZSM-5分子筛耐酸性能好,热稳定性高,广泛地用在其他低硅铝比分子筛难以使用的催化反应中。
锗、锡、铅及其化合物
一、
从Ge到Pb+2氧化态稳定性增大从Pb到Ge+4氧化态稳定性增大
Ge(s)+GeO2(s)
2GeO(s)rGm=47kJ·mol1
Sn(s)+SnO2(s)
2SnO(s)rGm=67kJ·mol1
PbO2+4H++2e
Pb2++2H2Oφ=+1.45V
GeO2+4H++2e
Ge2++2H2Oφ=0.15V
自然界中存在锡石(tinstone):
SnO2,方铅矿(galena):
PbS
铅存在于Uranium和Thorium矿中,这是由于铅是U和Th的放射性衰变的产物
二、
1.:
灰锡(α锡)
白锡(β锡)
脆锡
锡制品长期处于低温会毁坏,这是β锡转变为α锡的缘故,这一现象叫做锡瘟(Tindisease),灰锡是粉末状,β锡低于13.6℃转变为α锡,但转变速度极慢,温度降至48℃,转变速度最快,α锡本身就是这类反应的催化剂。
2.
(1)Sn是两性金属
Sn+2HCl
SnCl2+H2↑
Sn+2OH-+2H2O
+H2↑
Ge只有在H2O2(氧化剂)存在下,才溶于碱
Ge+2KOH2H2O2
K2[Ge(OH)6]
Pb也能与碱反应:
Pb+2H2O+2KOH
K2[Pb(OH)4]+H2↑
(2)与氧化性酸反应:
a.Pb与任何浓度的硝酸反应都得到Pb(NO3)2
b.Sn与浓HNO3反应得到Sn(IV),与稀HNO3反应得到Sn(II)
3Sn+8HNO3(稀)
3Sn(NO3)2+2NO+4H2O
Sn+HNO3(浓)
H2SnO3+4NO2+H2O
三、 1.卤化物EHal4EHal2
(1)SnCl2
a.水解性SnCl2+H2O
Sn(OH)Cl↓+H++Cl-
在配制SnCl2(aq)必须防止氧化(
)和水解,用盐酸酸化蒸馏水,并在SnCl2(aq)中加入Sn粒:
SnCl4+Sn
2SnCl2
b.还原性
SnCl2+2HgCl2
SnCl4+Hg2Cl2
Hg2Cl2+SnCl2
SnCl4+2Hg↓
(2)GeCl4、SnCl4也强烈水解
GeCl4+2H2O
GeO2↓+4HCl
SnCl4+4H2O
Sn(OH)4+4HCl
在盐酸中:
SnCl4+2HCl
H2SnCl6
(3)PbCl2在冷水中溶解度小,但在热水中溶解度大,在盐酸中溶解度增大
因为PbCl2+2Cl-
(4)PbCl4在低温下稳定,在常温下即分解:
PbCl4
PbCl2+Cl2
PbF4m.p.=600℃PbCl4m.p.=15℃
2.硫化物
(1)SnS:
H2S+Sn2+
SnS↓(暗棕色)+2H+
SnS不溶于Na2S溶液中,但可溶解于中等浓度的盐酸和碱金属的多硫化物溶液中
SnS+4Cl-+2H+
+H2S↑
SnS↓+H2S↑
(2)SnS2
Sn4++2H2S
SnS2↓+4H+
SnS2+S2
(3)PbS:
Pb2++S2
PbS↓(黑色)
PbS可溶于浓HCl和稀HNO3、H2O2,不溶于Na2S和无氧化性的稀酸
PbS+4HCl(浓)
H2S↑+H2PbCl4
3PbS+
+8H+
3Pb2++3S↓+2NO↑+4H2O
由于Pb(IV)有极强的氧化性,所以PbS2不存在
3.一些铅的化合物
(1)氧化物
PbO(黄色)密陀僧,Pb2O3(PbO·PbO2)(黄色),Pb3O4(2PbO·PbO2)(红色)铅丹,PbO2(黑色)
Pb2O3、Pb3O4、PbO2都具有强氧化性
5PbO2+2Mn2++4H+
5Pb2++
+2H2O
PbO2+4HCl
PbCl2+Cl2↑+2H2O
(2)Pb(NO3)2
易水解:
Pb2++
+H2O
Pb(OH)NO3↓+H+
易分解:
2Pb(NO3)2
2PbO+4NO2+2H2O
(3)Pb(CH3COO)2易溶于水,难离解,毒性大
Pb(Ac)2+Cl2+4KOH
PbO2+2KCl+2KAc+2H2O
(4)PbSO4 可溶于浓H2SO4中,也可溶于NH4Ac或NaAc溶液中
PbSO4+H2SO4(浓)
Pb(HSO4)2
PbSO4+H2SO4
PbSO4(白色)
PbAc2(可溶)+
(5)PbCrO4(黄色)
PbCr2O7(可溶)
(6)铅的有机化合物
Na4Pb(钠铅合金)+4C2H5Cl
Pb(C2H5)4+4NaCl
四乙基铅是汽油抗震剂,其△fHm=217.6kJ·mol1,但在常温下尚能稳定存在。
由于用Pb(C2H5)4作为汽油抗震剂,汽油燃烧后的废气中含有铅的化合物,污染环境,已开发出不含铅的抗震剂,称为无铅汽油。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 元素 性质
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)