1、1 碳族元素概述碳族元素概述 A 族元素族元素 CSiGeSnPb 價層電子構型價層電子構型 ns2np2 主要氧化值主要氧化值 0、+2、+4 從從C Pb +2 氧化態穩定性增強氧化態穩定性增強 +4 氧化態穩定性減弱氧化態穩定性減弱 ns2 穩定性穩定性惰性電子對效應惰性電子對效應 2 碳碳 C 單質單質 石墨，金剛石，石墨，金剛石，C60 ，C70 無機化合物無機化合物 CO2 ，白云石，白云石 MgCa (CO3)2 ， 石灰石、大理石、方解石石灰石、大理石、方解石 CaCO3 有機化合物有機化合物 動植物體，煤動植物體，煤 ，石油，石油 ， 天然氣天然氣 碳元素是構成有機物骨架的元

2、素碳元素是構成有機物骨架的元素3 硅硅 Si 以以 SiOSi 鍵存在，豐度排第鍵存在，豐度排第 2 位位 存在于水晶、石英、存在于水晶、石英、SiO2 和其它硅酸鹽礦物中和其它硅酸鹽礦物中 硅元素是構成無機物骨架的元素硅元素是構成無機物骨架的元素 鍺鍺 Ge 鍺石礦鍺石礦 Cu2SFeSGeS2 錫錫 Sn 錫石礦錫石礦 SnO2 , 云南個舊稱為錫都云南個舊稱為錫都 鉛鉛 Pb 方鉛礦方鉛礦 PbS，白鉛礦白鉛礦 PbCO3 4141 碳單質及其化合物碳單質及其化合物1 碳的同素異形體碳的同素異形體1411 碳元素的單質碳元素的單質 （1）金剛石）金剛石 原子晶體，硬度最大，熔點原子晶體，

3、硬度最大，熔點 （3823 K）最高的單質，化學性）最高的單質，化學性質很穩定。質很穩定。 碳原子碳原子 sp3 等性雜化，無離等性雜化，無離域域 電子電子 ，不導電。，不導電。金剛石的晶體結構金剛石的晶體結構5（2）石墨）石墨 硬度較小，熔點較高，硬度較小，熔點較高，表現出一定程度的化學活性。表現出一定程度的化學活性。 碳原子以碳原子以 sp2 雜化，形成片雜化，形成片層結構層結構 。 每個碳原子的未參與雜化的每個碳原子的未參與雜化的 p 電子，形成大電子，形成大 鍵。鍵。這些離域電子使得石墨具有良好導電性。層間的分子這些離域電子使得石墨具有良好導電性。層間的分子間力很弱，所以層間易于滑動，

4、故石墨質軟具有潤滑間力很弱，所以層間易于滑動，故石墨質軟具有潤滑性。可制作電極、熱電偶、坩鍋、鉛筆芯等。性。可制作電極、熱電偶、坩鍋、鉛筆芯等。 nn6（3）碳原子簇）碳原子簇 C60 室溫下為分子晶體，室溫下為分子晶體，具有較高的化學活性。具有較高的化學活性。 60 個碳原子構成近似于球個碳原子構成近似于球形的形的 32 面體，即由面體，即由 12 個正五個正五邊形和邊形和 20 個正六邊形組成，個正六邊形組成，相當于截角正相當于截角正 20 面體。面體。 每個碳原子以每個碳原子以 sp2 雜化軌道和相鄰三個碳原子相連，雜化軌道和相鄰三個碳原子相連，未參加雜化的未參加雜化的 p 軌道在軌道在

5、 C60 的球面形成大的球面形成大 鍵。鍵。 C60 分子分子(富勒烯富勒烯 )的結構的結構 7（3）碳原子簇）碳原子簇 1985 年，年，C60 的發現是人的發現是人類對碳認識的新階段，是科學類對碳認識的新階段，是科學上的重要發現。美國科學家上的重要發現。美國科學家 Curl 和和 Smalley 教授及英國科教授及英國科學家學家 Kroto 教授為此獲得教授為此獲得 1996 年諾貝爾化學獎。年諾貝爾化學獎。 思考題：根據思考題：根據C60 的結構，的結構，12 個五邊形，個五邊形，20 個六邊形，試計算一個個六邊形，試計算一個C60 分子中，有多少個單分子中，有多少個單鍵和雙鍵？鍵和雙鍵

6、？82 碳單質的還原性碳單質的還原性 在冶金工業上，焦炭用來還原金屬氧化物，如：在冶金工業上，焦炭用來還原金屬氧化物，如： ZnO + C Zn ( g ) + CO ( g ) (1) 該反應為何在該反應為何在1200K溫度下進行？產物為什么是溫度下進行？產物為什么是CO，而不是而不是 CO2？ 該反應可以看作是下列兩反應差的該反應可以看作是下列兩反應差的 2 C + O2 2 CO （b） 2 Zn + O2 2 ZnO （d） 可通過各反應的可通過各反應的 rGm 隨溫度隨溫度 T 的變化來說明的變化來說明 。 129 根據根據 rGm = rHm T rSm ，作，作 rGm 隨溫度隨

7、溫度 T 的變化的變化 曲線，是斜率為曲線，是斜率為 -rSm 的直線。的直線。 C + O2 CO2 (a)rSm = 2.9 JK-1mol-1 2 C + O2 2 CO (b) rSm = 178.8 JK-1mol-1 2 CO + O2 2 CO2 (c) rSm = -173.0 JK-1mol-1 2 Zn + O2 2 ZnO (d) rSm = -201 JK-1mol-110rGm / kJmol1 在在 (d) (b) 兩線交點所對應的溫度兩線交點所對應的溫度 T1 1200K 下，反下，反應應 (d) 和反應和反應 (b) 的的rGm相等，反應相等，反應 (1) 的的

8、rGm 0當當 T T1 時，反應時，反應 (1) 的的rGm T2 時，產物為時，產物為 CO2，而不是，而不是 CO。12 1 一氧化碳一氧化碳1412 碳的含氧化合物碳的含氧化合物 （1）實驗室制備：）實驗室制備： 方法一：將甲酸滴加到熱濃硫酸中，方法一：將甲酸滴加到熱濃硫酸中， HCOOH CO + H2O CO 氣體在水中的溶解度很小，從水中逸出。氣體在水中的溶解度很小，從水中逸出。 方法二：草酸晶體與濃硫酸共熱，方法二：草酸晶體與濃硫酸共熱， H2C2O4 CO2 + CO + H2O 生成的混合氣體通過固體生成的混合氣體通過固體 NaOH，吸收掉，吸收掉 CO2 和少和少 量的水

9、汽得到純凈的量的水汽得到純凈的 CO。13 （2）工業制備：）工業制備： 將空氣和水蒸氣交替通入紅熱炭層，通入空氣時：將空氣和水蒸氣交替通入紅熱炭層，通入空氣時： 2 C + O2 = 2 CO rHm = -221.04 kJmol-1 得到的氣體的體積組成為：得到的氣體的體積組成為： CO：CO2 ：N2 = 25： 4：70 （發生爐煤氣）（發生爐煤氣） 通入水蒸氣時的反應：通入水蒸氣時的反應： C + H2O = CO + H2 rHm = 131.30 kJmol-1 得到的混合氣體的體積組成為：得到的混合氣體的體積組成為： CO ：CO2 ：H2 = 40 ：5：50 （水煤氣）（

10、水煤氣）14 思考題：為什么制水煤氣要將空氣和水蒸氣交思考題：為什么制水煤氣要將空氣和水蒸氣交替通入紅熱炭層？替通入紅熱炭層？ 提示：提示： 因為通入水蒸氣時，體系吸收熱量，溫度降低，因為通入水蒸氣時，體系吸收熱量，溫度降低，交替通入氧氣才可以維持反應體系的溫度。交替通入氧氣才可以維持反應體系的溫度。（3）CO 的分子軌道式：的分子軌道式：一個一個 鍵鍵 兩個兩個 鍵鍵(含一個配位鍵含一個配位鍵)222222s2222KK() () () () ()yzxsppp15（4）性質）性質1）作配位體，形成羰基配合物，如：）作配位體，形成羰基配合物，如：Fe(CO)5, Ni(CO)4, Co2(C

11、O)8 其中其中C是配位原子是配位原子 3）劇毒）劇毒 2）還原劑）還原劑 微量的微量的 CO 通入通入 PdCl2 溶液中，會使溶液變黑，溶液中，會使溶液變黑，可鑒定可鑒定 CO： CO + PdCl2 + H2O Pd + CO2 + 2 HCl 16 2 二氧化碳二氧化碳 工業上工業上 CO2 用于制備純堿、小蘇打、碳酸氫氨、用于制備純堿、小蘇打、碳酸氫氨、啤酒、飲料、干冰。啤酒、飲料、干冰。 在常壓下，干冰不經熔化，于在常壓下，干冰不經熔化，于 194.5 K 時直接升時直接升華氣化，因此常用來做制冷劑和人工造雨。華氣化，因此常用來做制冷劑和人工造雨。 著火的鎂條在著火的鎂條在 CO2

12、 氣中能繼續燃燒，所以氣中能繼續燃燒，所以 CO2 不助燃也是相對的。不助燃也是相對的。1743 ：O C O ：經典的分子結構：經典的分子結構：O=C=OOC=O雙鍵鍵長雙鍵鍵長124pm (在在CH3-C-CH3中中)C O叁鍵鍵長叁鍵鍵長113pmCO2中，碳、氧之間鍵長中，碳、氧之間鍵長116pmC：sp雜化雜化固體二氧化碳：干冰固體二氧化碳：干冰18OOC43 43 193 碳酸和碳酸鹽碳酸和碳酸鹽碳酸分子和碳酸根負離子的結構示意圖碳酸分子和碳酸根負離子的結構示意圖64 1） 碳酸碳酸 碳酸碳酸 H2CO3 是二元弱酸，其解離平衡常數是二元弱酸，其解離平衡常數 如下如下: H2CO3

13、 H+ + HCO3 4.46107 HCO3 H+ + CO32 4.681011 1K2K202） 碳酸的鹽類碳酸的鹽類 碳酸的鹽類有兩種碳酸的鹽類有兩種碳酸鹽和碳酸氫鹽碳酸鹽和碳酸氫鹽。 堿金屬的碳酸鹽及碳酸銨易溶于水，但堿金屬的碳酸鹽及碳酸銨易溶于水，但 Li 和和其它的金屬的碳酸鹽難溶于水。其它的金屬的碳酸鹽難溶于水。 CaCO3 等難溶的碳酸鹽，其對應的碳酸氫鹽等難溶的碳酸鹽，其對應的碳酸氫鹽 Ca(HCO3)2 等的溶解度則較大。等的溶解度則較大。 易溶的易溶的 Na2CO3 和和 (NH4)2CO3 等，其對應的等，其對應的碳酸氫鹽碳酸氫鹽 NaHCO3 和和 NH4HCO3

14、的溶解度卻相對的溶解度卻相對較小。較小。 21 氫氧化物堿性較強的金屬離子與之反應生成碳氫氧化物堿性較強的金屬離子與之反應生成碳酸鹽沉淀。酸鹽沉淀。 例如：例如：Ba2+、Sr2+和和Ca2+等。等。 金屬離子加入可溶性碳酸鹽時，生成沉淀的類型：金屬離子加入可溶性碳酸鹽時，生成沉淀的類型：(s)BaCOCOBa3-232氫氧化物堿性較弱的金屬離子與之反應生成碳酸氫氧化物堿性較弱的金屬離子與之反應生成碳酸羥鹽羥鹽(堿式碳酸鹽堿式碳酸鹽)沉淀。沉淀。 例如：例如：Pb2+、Bi3+、Cu2+、Cd2+、Zn2+、Hg2+、Co2+、Ni2+和和Mg2+等。等。 CO32 + H2O HCO3 +

15、OH 22 水解性強、兩性的金屬離子與之反應生成氫氧水解性強、兩性的金屬離子與之反應生成氫氧化物沉淀。化物沉淀。例如：例如：Al3+、Fe3+、Cr3+、Sn2+、Sn4+和和Sb3+等。等。(g)3CO(s)Al(OH)2O3H3COAl2232-233+(g)CO(s)CO(OH)MgOH2CO2Mg23222-232+(g)CO(s)CO(OH)CuOH2CO2Cu23222-232+23 OM2 O C 2 O MCO3(s) MO(s) CO2陽離子極化能力越強，越不穩定，分解溫度越低陽離子極化能力越強，越不穩定，分解溫度越低點擊點擊3） 碳酸碳酸和碳酸鹽和碳酸鹽的熱穩定性的熱穩定性

16、(反極化作用反極化作用)24（1）H2CO3 MHCO3 M2CO3（2）同一族金屬的碳酸鹽穩定性從上到下增加）同一族金屬的碳酸鹽穩定性從上到下增加 BeCO3 MgCO3 CaCO3 SrCO3 BaCO3分解分解 T / 100 540 900 1290 1360（3）過渡金屬碳酸鹽穩定性差）過渡金屬碳酸鹽穩定性差 CaCO3 PbCO3 ZnCO3 分解分解 T / 900 315 350 價電子構型價電子構型 8e (18+2)e 18e251 單質硅的性質單質硅的性質 晶體硅呈灰黑色，高熔點，高硬度。晶體硅呈灰黑色，高熔點，高硬度。 硅的所有價電子參與硅的所有價電子參與 鍵的形成，在

17、平常狀態下鍵的形成，在平常狀態下不導電。當高純硅中摻雜少于百萬分之一的磷原子時，不導電。當高純硅中摻雜少于百萬分之一的磷原子時，成鍵后就有了多余的電子；若雜質是硼原子，成鍵后成鍵后就有了多余的電子；若雜質是硼原子，成鍵后就有了空軌道。就有了空軌道。 高純硅是良好的半導體材料。高純硅是良好的半導體材料。142 硅單質及其化合物硅單質及其化合物1421 單質硅單質硅261) 常溫下，單質硅可與非金屬單質常溫下，單質硅可與非金屬單質 F2 發生反應發生反應 Si + 2F2 SiF4 Si 在常溫下不活潑，而在高溫下可以和在常溫下不活潑，而在高溫下可以和 O2、Cl2 、N2 反應，也可以和反應，也

18、可以和 Ca ，Mg ，Mn 等金屬反應。等金屬反應。2) 常溫下，單質硅可以和強堿溶液作用放出氫：常溫下，單質硅可以和強堿溶液作用放出氫： Si + 4 OH SiO44 + 2 H2 但卻不能和水、酸作用。但卻不能和水、酸作用。3) 加熱或在有氧化劑存在的條件下，可以和氫氟酸反應：加熱或在有氧化劑存在的條件下，可以和氫氟酸反應：3 Si + 18 HF + 4 HNO3 3 H2SiF6 + 4 NO + 8 H2O272 單質硅的制取單質硅的制取粗硅的取得粗硅的取得：SiO2 + 2 C Si (粗粗) + 2 CO粗硅提純：粗硅提純： Si + 2 Cl2 SiCl4 ( l )電爐電爐1800 400600 蒸餾得純蒸餾得純 SiCl4 ，用活潑金屬鋅或鎂還原，用活潑金屬鋅或鎂還原 SiCl4 得純硅：得純硅： SiCl4 + 2 Zn Si (純純) + 2 ZnCl2 28用區域熔融法進一步提純得到生產半導體用的高純硅。用區域熔融法進一步提純得到生產半導體用的高純硅。291422 硅的含氧化合物硅的含氧化合物1 二氧化硅二氧化硅 1）結構）結構：Si 采用采用 sp3 雜化軌道與氧形成硅氧四面體雜化軌道與氧形成硅氧四面體Cristobalite(方石英方石英) 化學鍵化學鍵 輪廓線輪廓線 氧原子氧原子 硅原子硅原子 氧原子氧原子