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第十五章 碳族元素 ⅣA族 C Si Ge Sn Pb 15-1 碳族元素的通性 C Si Ge Sn Pb 价电子层结构 ns2np2 主要氧化数 +4(+2) +4(+2) +4,+2 +4,+2 (+4)+2 原子半径 小-------------------------→大 问题: 随着原子序数的增大,稳定氧化态有什么 变化规律? PbO2+Mn2++H+ → Pb2++MnO42-+H2O 碳和硅的一些化学键与键能 化学键 C-C C-H C-O C=C C≡C Si-Si Si-O 键能/KJ·mol-1 348 416 344 620 810 222 452 结论:　 1. 含碳的有机化合物的数量达数百万种. 2. 硅的化合物比碳的化合物要少得多. 3. 硅是亲氧元素. 15-2 碳族元素的单质及其化合物 2-1 碳族元素在自然界中的分布 问题: 1. 举例说明碳以单质和化合物形式存在的物质有哪些? 碳的单质形式：金刚石、石墨 碳的化合物形式：二氧化碳、石灰石、煤、石油、天然气、白云石等。 2.举例说明硅以化合物形式存在的物质有哪些? 硅的化合物形式： 石英（SiO2)、 硅酸盐矿物：石棉 CaMg3(SiO3)4、沸石 Na2(Al2Si3O10)·2H2O、 云母 KAl2(AlSi2O10)(OH)2、滑石 Mg3(Si4O10)(OH)2、 高岭土 Al2Si2O5(OH)4、石榴石 Ca3Al2(SiO4)3、长石 KAl(Si3O8) 锗、锡、铅在自然界中以化合态存在。 硫银锗矿 4Ag2S·GeS2,锗石矿Cu2S·FeS·GeS2， 锡石矿 SnO2, 方铅矿 PbS等 2-2 碳族元素的单质 (1) 碳的同素异形体 金刚石、石墨、富勒烯 (2) 金刚石的人工合成 1. 原理: 石墨 ? 金刚石 ?H=1.897KJ·mol-1 2.25g·cm-3 3.51g·cm-3 问题:转化条件如何? 条件: 高温(1500～2500℃), 高压(5×106Pa～10×106Pa) 催化剂(Ni,Fe,Co,Mn,Cr等合金) 石墨转化为金刚石的机理 一般有两种说法: “溶剂”说： 石墨先溶解在溶剂---金属合金催化剂中成为单个碳原子，然后在冷却时直接生成金刚石。 “固相转化”说： 石墨的碳原子间的键不发生断裂而在催化剂作用下按一定方向位移直接转化成金刚石结构。 在高压下，各石墨层沿垂直于石墨层的方向相互接近，即层间距离被压缩。 在高温下，碳原子振动加剧，使原来错开半个格子的层间相对应的碳原子因反向振动而进一步靠近，相互吸引。 原来的平面六边形格子有规律地扭曲起来，层中的π电子分别向这些原子对的联线上集中，最后形成共价键，得到金刚石结构。 20世纪70年代末，随着等离子技术、微波技术和激光技术的发展和普及，人们开始从另一角度来思考人造金刚石的问题。 2. 1986年日本大坂大学的科学家完成了在硅片上用激光诱导沉积方法制备金刚石薄膜的研究。 CH4(g) + H2 (g) →金刚石薄膜 条件：微波放电（50KPa），硅基体温度950℃ 3. 点石成金：由CCl4合成金刚石 CCl4 + Na(过)→金刚石 （热解还原催化合成） 条件： 700℃，高压釜，催化剂Ni-Co-Mn合金，48h CCl4分子中，碳的sp3 轨道骨架在反应前后不发生变动，C-Cl键端的Cl原子首先被Na原子夺走，接着偶联为C-C键。 问题： ① CO2、CS2是否可作为合成金刚石的碳源 （含有碳元素的小分子）？为什么？ ② 2、3种方法中采用的碳源有什么共同特点？ 小结： 用石墨作原料合成金刚石，需高温、高压。由于石墨要使sp2轨道骨架→ sp3轨道骨架,因此合成条件苛刻。而以CCl4、CH4分子为原料，sp3轨道骨架不变，合成条件温和得多。 * *