1、無(wú)機(jī)化學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)第18章 碳族元素18.1 18.1 碳族元素概述碳族元素概述18.2 18.2 碳族元素的單質(zhì)碳族元素的單質(zhì) 18.3 18.3 碳的化合物碳的化合物18.4 18.4 硅的化合物硅的化合物18.5 18.5 錫、鉛的化合物錫、鉛的化合物中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院第十八章第十八章 碳族元素碳族元素 無(wú)機(jī)化學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)第18章 碳族元素掌握碳單質(zhì)的同素異形體和碳的重要化合物掌握碳單質(zhì)的同素異形體和碳的重要化合物,特別是碳酸鹽的性質(zhì)特別是碳酸鹽的性質(zhì)熟悉硅及其化合物熟悉硅及其化合物,特別是硅酸鹽的性質(zhì)特別是硅酸鹽的性質(zhì)了解錫、鉛的重要化合物了解錫、鉛的重要化合物氧化物

2、、氫氧化物氧化物、氫氧化物和硫化物及其性質(zhì)以及和硫化物及其性質(zhì)以及Sn()的還原性和的還原性和Pb()的難溶鹽和的難溶鹽和Pb()的氧化性的氧化性 本章學(xué)習(xí)要求本章學(xué)習(xí)要求無(wú)機(jī)化學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)第18章 碳族元素18.1 18.1 碳族元素概述碳族元素概述 碳族碳族(IVA)：碳：碳(carbon , C), 硅硅(silicon, Si), 鍺鍺(germanium, Ge), 錫錫(tin, Sn), 鉛鉛(lead, Pb)18.1 碳族元素概述碳族元素概述 價(jià)電子構(gòu)型：價(jià)電子構(gòu)型：ns2np2無(wú)機(jī)化學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)第18章 碳族元素18.1 18.1 碳族元素概述碳族元素概述存在存在碳：碳：金剛石

3、、石墨；煤、石油、天然氣金剛石、石墨；煤、石油、天然氣; 碳酸鹽碳酸鹽; CO2 ; 生物體內(nèi)等生物體內(nèi)等硅：硅：SiO2和各種硅酸鹽和各種硅酸鹽鍺：鍺：硫銀鍺礦硫銀鍺礦4Ag2SGeS2 硫鉛鍺礦硫鉛鍺礦2PbS GeS2錫：錫：錫石錫石 SnO2鉛：鉛：方鉛礦方鉛礦 PbS，白鉛礦，白鉛礦 PbCO3金剛石金剛石錫石錫石方鉛礦方鉛礦無(wú)機(jī)化學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)第18章 碳族元素18.2 18.2 碳族元素單質(zhì)碳族元素單質(zhì)18.2 碳族元素單質(zhì)碳族元素單質(zhì)18.2.1 18.2.1 碳碳 ( (同素異形體同素異形體) )金剛石金剛石：原子晶體：原子晶體,硬度最大硬度最大,熔點(diǎn)最高。熔點(diǎn)最高。 石石 墨墨

4、：層狀晶體：層狀晶體 ，質(zhì)軟，有金屬光澤。過(guò)渡型晶體，質(zhì)軟，有金屬光澤。過(guò)渡型晶體 。富勒烯富勒烯：原子排列為球體或橢球體，：原子排列為球體或橢球體，C60、C70 等。分等。分子晶體。子晶體。 碳納米管碳納米管：由類(lèi)似石墨的六邊形網(wǎng)格所組成的管狀物，：由類(lèi)似石墨的六邊形網(wǎng)格所組成的管狀物，管子一般由單層或多層組成管子一般由單層或多層組成,兩端封閉。兩端封閉。 無(wú)定形碳無(wú)定形碳：無(wú)定形碳實(shí)際是石墨的微晶體：無(wú)定形碳實(shí)際是石墨的微晶體 。無(wú)機(jī)化學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)第18章 碳族元素18.2 18.2 碳族元素單質(zhì)碳族元素單質(zhì)石墨石墨(sp2雜化雜化)金剛石金剛石 (sp3雜化雜化)無(wú)機(jī)化學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)第18章

5、 碳族元素18.2 18.2 碳族元素單質(zhì)碳族元素單質(zhì)足球烯足球烯 (富勒烯富勒烯) C60 (sp2雜化雜化)碳納米管碳納米管無(wú)機(jī)化學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)第18章 碳族元素18.2 18.2 碳族元素單質(zhì)碳族元素單質(zhì)18.2.2 18.2.2 硅和鍺硅和鍺u硅硅有晶態(tài)有晶態(tài)(銀灰色銀灰色)和無(wú)定形和無(wú)定形(黑色粉末黑色粉末)兩種。兩種。 無(wú)定形硅無(wú)定形硅晶態(tài)硅晶態(tài)硅晶態(tài)硅類(lèi)似金剛石；采用區(qū)域熔煉法制備超純晶態(tài)硅類(lèi)似金剛石；采用區(qū)域熔煉法制備超純單晶硅單晶硅硅不與任何酸作用，但能溶于硅不與任何酸作用，但能溶于HF和和HNO3的混合液中的混合液中強(qiáng)堿能與硅生成硅酸鹽強(qiáng)堿能與硅生成硅酸鹽Si + 2KOH +

6、 H2O K2SiO3 + 2H2 (g)無(wú)機(jī)化學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)第18章 碳族元素鍺單質(zhì)：灰白色金屬，鍺單質(zhì)：灰白色金屬， 硬而脆硬而脆(結(jié)構(gòu)類(lèi)似金剛石結(jié)構(gòu)類(lèi)似金剛石)超高純鍺也通過(guò)區(qū)域熔煉法制備。超高純鍺也通過(guò)區(qū)域熔煉法制備。鍺鍺18.2 18.2 碳族元素單質(zhì)碳族元素單質(zhì)鍺鍺無(wú)機(jī)化學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)第18章 碳族元素18.2 18.2 碳族元素單質(zhì)碳族元素單質(zhì)錫錫單質(zhì)的三種同素異形體單質(zhì)的三種同素異形體18.2.3 18.2.3 錫和鉛錫和鉛 灰錫灰錫(錫錫) 白錫白錫(錫錫) 脆錫脆錫 在空氣中，錫在表面生成一層致密的保護(hù)膜在空氣中，錫在表面生成一層致密的保護(hù)膜 有一定的抗腐蝕性有一定的抗腐蝕性 。錫

7、無(wú)毒。錫無(wú)毒 。13.2161鉛鉛單質(zhì)：質(zhì)軟，能阻擋單質(zhì)：質(zhì)軟，能阻擋X射線(xiàn)。射線(xiàn)。 鉛鹽的毒性大鉛鹽的毒性大 。金屬錫金屬錫金屬鉛金屬鉛無(wú)機(jī)化學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)第18章 碳族元素18.3 18.3 碳的化合物碳的化合物18.3 碳的化合物碳的化合物18.3.1 18.3.1 一氧化碳一氧化碳結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) CO與與N2是等電子體是等電子體, 結(jié)構(gòu)相似結(jié)構(gòu)相似 :C O:C O: 一個(gè)一個(gè)鍵鍵兩個(gè)兩個(gè)鍵鍵無(wú)機(jī)化學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)第18章 碳族元素18.3 18.3 碳的化合物碳的化合物性質(zhì)性質(zhì) 作為配體，形成羰基配合物作為配體，形成羰基配合物(C為配位原子為配位原子) Fe(CO)5 Ni(CO)4 Co2(CO)

8、8 還原劑還原劑 (g)CO(g)O21CO(g)22(g)3CO2Fe(s)3CO(g)(s)OFe232 劇毒劇毒無(wú)機(jī)化學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)第18章 碳族元素18.3 18.3 碳的化合物碳的化合物18.3.2 18.3.2 二氧化碳二氧化碳結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) C sp雜化雜化 直線(xiàn)型分子直線(xiàn)型分子 ：OO ：C43 CO2的溫室效應(yīng)。的溫室效應(yīng)。 CO2分子中除了分子中除了鍵外，尚存在鍵外，尚存在2個(gè)三中心四電子大個(gè)三中心四電子大鍵鍵CO2的偶極矩為零。的偶極矩為零。 無(wú)機(jī)化學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)第18章 碳族元素18.3 18.3 碳的化合物碳的化合物18.3.3 18.3.3 碳酸及其鹽碳酸及其鹽 CO2溶于水，主

9、要為溶于水，主要為CO2H2O，極少為，極少為H2CO3 在在298K時(shí)，時(shí)，c(CO2) : c(H2CO3) = 600 : l 11-2-23-3-71-332104.7 COH HCO104.2 HCOH COHKK CO32-的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)CO32-與與BF3為等電子體為等電子體C：sp2雜化雜化COOO2-64 無(wú)機(jī)化學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)第18章 碳族元素18.3 18.3 碳的化合物碳的化合物 碳酸鹽的溶解度碳酸鹽的溶解度易溶鹽易溶鹽 Na2CO3 NaHCO3 K2CO3 KHCO3100溶解度溶解度 45 16 156 60(g/100g H2O)COOOHOOHOC2-存在氫鍵，形成存

10、在氫鍵，形成二聚物或多聚物二聚物或多聚物COOOCOOOHOCOOHH-其它金屬其它金屬(含含Li)碳酸鹽難溶于水碳酸鹽難溶于水, 且酸式鹽溶解度大于正鹽。且酸式鹽溶解度大于正鹽。無(wú)機(jī)化學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)第18章 碳族元素18.3 18.3 碳的化合物碳的化合物碳酸及其鹽的熱穩(wěn)定性碳酸及其鹽的熱穩(wěn)定性 H2CO3 MHCO3 60%)，且具有優(yōu)良的耐火，且具有優(yōu)良的耐火性和耐氣候性，可在地鐵、影院、電視發(fā)射中心等防火和隔音性和耐氣候性，可在地鐵、影院、電視發(fā)射中心等防火和隔音要求較高的場(chǎng)合，用作吸音材料。要求較高的場(chǎng)合，用作吸音材料。無(wú)機(jī)化學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)第18章 碳族元素氧化錫氣敏材料氧化錫氣敏材料易燃、

11、易爆、有毒、有害氣體的監(jiān)測(cè)、報(bào)警和控制。金屬氧化易燃、易爆、有毒、有害氣體的監(jiān)測(cè)、報(bào)警和控制。金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器在氣敏傳感器中占有重要的地位。由于氣體響物半導(dǎo)體傳感器在氣敏傳感器中占有重要的地位。由于氣體響應(yīng)過(guò)程主要發(fā)生在敏感材料表面，所以薄膜型氣敏材料被廣泛應(yīng)過(guò)程主要發(fā)生在敏感材料表面，所以薄膜型氣敏材料被廣泛采用。采用。SnO2是目前應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體氣敏材料。是目前應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體氣敏材料。SnO2在空氣在空氣中穩(wěn)定，對(duì)中穩(wěn)定，對(duì)CO、H2、CH4等還原性氣體響應(yīng)靈敏。吸附氣體引等還原性氣體響應(yīng)靈敏。吸附氣體引起起SnO2表面電子得失，半導(dǎo)體能帶發(fā)生改變，產(chǎn)生可以檢測(cè)的表面電子得失

12、，半導(dǎo)體能帶發(fā)生改變，產(chǎn)生可以檢測(cè)的電信號(hào)，可以監(jiān)測(cè)氣體并檢測(cè)氣體濃度。電信號(hào)，可以監(jiān)測(cè)氣體并檢測(cè)氣體濃度。SnO2氣敏傳感器敏感氣敏傳感器敏感薄膜可以采用磁控濺射、氣相沉積、溶膠薄膜可以采用磁控濺射、氣相沉積、溶膠-凝膠等方法制備。通凝膠等方法制備。通過(guò)對(duì)過(guò)對(duì)SnO2摻雜不同的材料，還可以制作成對(duì)不同氣體敏感的傳摻雜不同的材料，還可以制作成對(duì)不同氣體敏感的傳感器，提高傳感器的靈敏度、選擇性和響應(yīng)性。感器，提高傳感器的靈敏度、選擇性和響應(yīng)性。SnO2氣敏傳感器敏感薄膜可以采用磁控濺射、氣相沉積、溶氣敏傳感器敏感薄膜可以采用磁控濺射、氣相沉積、溶膠膠-凝膠等方法制備。通過(guò)對(duì)凝膠等方法制備。通過(guò)對(duì)SnO2摻雜不同的材料，還可以制作摻雜不同的材料，還可以制作成對(duì)不同氣體敏感的傳感器，提高傳感器的靈敏度、選擇性和成對(duì)不同氣體敏感的傳感器，提高傳感器的靈敏度、選擇性和響應(yīng)性。響應(yīng)性。無(wú)機(jī)化學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)第18章 碳族元素本章作業(yè)本章作業(yè)無(wú)機(jī)化學(xué)無(wú)