碳族元素.张为宁分解.doc

第13章 碳族元素 本章要点难点 碳的单质 碳的氧化物与含氧酸盐 分子筛 锡、铅的化合物 二、章节设置介绍 13.1碳族元素概述 13.2碳及其化合物 13.3硅及其化合物 13.4锗锡铅及其化合物 三、本章学习目的 1、明确物质结构部分知识在本章中的运用，熟练掌握相关元素知识 2、能够运用所学知识解释生活生产中的现象 13.1碳族元素概述 碳族元素（Carbon group）指的是元素周期表A族的所有元素，包括碳（C）、硅（Si）、（Ge）、锡（Sn）、铅（Pb）五种。它们电子排布相似，有4个价电子。碳、硅是非金属，锗是金属元素，但金属性较弱，锡和铅是更为典型的金属元素。碳族元素在分布上差异很大，碳和硅在地壳有广泛的分布；锡、铅也较为常见，锗的含量则十分稀少，属于稀散型稀有金属。碳是碳循环的核心元素，以二氧化碳、碳酸盐和有机物的形式存在，硅以二氧化硅和硅酸盐为主，锗、锡、以二氧化物存在，铅以硫化物居多。 图13.1碳族元素在周期表中的位置 13.1.1碳族元素原子结构及性质 本章主要讨论碳、硅、锗、铅及其化合物。碳族元素的价层电子构型为ns2np2,基本性质列于表13.1。 表13.1碳族元素的性质 基本性质 C Si Ge Sn Pb 原子序数 6 14 32 50 82 相对原子质量 12.01 28.09 72.59 118.7 207.2 价层电子构型 2s22p2 3s23p2 4s24p2 5s25p2 6s26p2 共价半径/pm 77 117 122 140 147 M2+半径/pm — — 73 93 120 第一电离能/(kJ·mol-1) 1086.4 786.5 762.2 708.6 715.5 电子亲和能/(kJ·mol-1) 122.5 119.6 115.8 120.6 101.3 电负性Xp 2.55 1.90 2.01 1.96 2.33 单质熔点/℃ 4492(10.3MPa) 1414 937.4 231.93(白锡) 327.46 单质沸点/℃ 3825（升华） 3265 2833 2602 1749 （摘自《无机化学学习笔记》 P.224） 原子半径自上而下逐渐增大，第一电离能逐渐降低（锡和铅反常），电子亲和能逐渐升高（锡和铅反常），单质熔沸点逐渐降低。 13.1.2元素成键类型 1．价电子构型 价电子构型为ns2np2，价电子数目与价电子轨道数相等，它们被称为等电子原子。这些元素的电负性大，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。 2．成键特征 1）.碳、硅的成键特征： 碳以sp、sp2、sp3三种杂化状态与H、O、CI、N等非金属原子形成共价化合物，且C、H、O三种元素可形成成千上万种有机化合物。氧化数从+4变到—4。以碳酸盐的形式存在于自然界。 硅以硅氧四面体的形式存在，Si、H、O可形成一些类似于C、H、O形成的有机物，但因为键能小，故数量有限。 总之，碳和硅可以用sp、sp2和sp3杂化轨道形成2到4个σ键。碳的原子半径小，还能形成p-pπ键，所以碳能形成多重键(双键或叁键)，硅的半径大，不易形成p-pπ键，所以Si的sp和sp2态不稳定，很难形成多重键(双键或叁键)。 2). 锡、铅的成键特征： 以+2价氧化态的形式存在于离子化合物中，如SnO，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+4价氧化态的铅，由于惰性电子对效应，具有强的氧化性。 注：惰性电子对效应(effect of inert electron pair) 位于化学元素周期表第4.5.6周期的p区元素Ga,In,Tl;Ge,Sn,Pb;As,Sb,Bi等，有保留低价态，不易形成最高价的倾向，这叫惰性电子对效应。4Ag2S·GeS2 (硫银锗矿)、Cu2SFeS·GeS2 (锗石矿) SnO2 (锡石矿) PbS (方铅矿) 图13.2 金刚石的结构 石墨则是介于原子晶体和分子晶体之间的一种过渡型晶体，每个碳原子以sp2杂化状态与相邻的三个碳原子结合成键，构成平面层状正六边形结构，每层由p轨道上的单电子形成一个π的大π键；层间以分子间作用力力结合。熔点很高（高于金刚石的），质软，有滑腻感，有良好的导电性常被用作电极。显惰性但比金刚石活泼，在空气中500℃被氧化为CO2，可被热的浓HClO4氧化，据此可用于除掉人造金刚石中的石墨。 石墨可以作润滑剂、电极、铅笔芯、耐火材料。石墨在工业上被大量地用于制造电极、坩埚、某些化工设备，也可以作原子反应堆中的中子减速剂。 图13.3石墨的结构 碳元素的第三种晶体形态富勒烯（也称足球