12第十二章氮族碳族和硼族2

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第十二章氮族、碳族和硼族元素无机化学多媒体电子教案第二节碳族元素 12-2-1碳族元素概述0ⅢAⅣAⅤAⅥAⅦAHe氦2B硼C碳N氮O氧F氟Ne氖3Al铝Si硅P磷S硫Cl氯Ar氩4Ga镓Ge锗As砷Se硒Br溴Kr氪5In铟Sn锡Sb锑Te碲I碘Xe氙6Tl铊Pb铅Bi铋PoAt砹Rn氡12-2-1碳族元素概述称为碳族元素 ⅣA碳(C)硅(Si)锗(Ge)锡(Sn)铅(Pb)原子序数614325082价层电子构型2s22p23s23p24s24p25s25p26s26p2主要氧化数0、+2+40、+2+40、(+2)+40、+2+40、+2+4原子半径/pm77117122141175离子半径r(M4+)/pm1640536978r(M2+)/pm--73118119I1/(kJ·mol-1)1086786763709716电负性()2.51.81.81.81.9p含量不多，分布广，是地球上化合物种类最多的元素之一，是生物界的主要元素分布广，在地壳上的含量仅次于氧，主要以硅酸盐矿和石英矿存在常以硫化物伴生在其它金属硫化物矿中，是暗灰色、重而软的金属，晶态锗是重要的半导体材料常温下表面上有一层保护膜，在空气和水中稳定，可防腐蚀，马口铁(镀锡铁)是食品罐头材料铅主要以方铅矿(PbS)形式存在，是很软的重金属，强度不高它能挡住X射线，可制造铅玻璃、铅围裙等防护用品和防X射线的屏蔽材料、电缆包皮及铅蓄电池等主要以锡石(SnO2)存在，为银白色金属、质软、延展性好、无毒、耐腐蚀。同素异形体：灰锡、白锡、脆锡晶体类型：金刚石、金属型灰锡(-Sn)白锡(-Sn)脆锡(-Sn)白锡变为粉末状灰锡，此现象叫“锡疫”>13℃>161℃<-48℃ ⅣA碳(C)硅(Si)锗(Ge)锡(Sn)铅(Pb)原子序数614325082价层电子构型2s22p23s23p24s24p25s25p26s26p2主要氧化数0、+2+40、+2+40、(+2)+40、+2+40、+2+4原子半径/pm77117122141175离子半径r(M4+)/pm1640536978r(M2+)/pm--73118119I1/(kJ·mol-1)1086786763709716电负性()2.51.81.81.81.9p主要化合物+4+2、+4+2的氧化数(+4)高氧化数化合物稳定性减小低氧化数化合物稳定性增大即惰性电子对效应明显 ⅣA碳(C)硅(Si)锗(Ge)锡(Sn)铅(Pb)原子序数614325082价层电子构型2s22p23s23p24s24p25s25p26s26p2主要氧化数0、+2+40、+2+40、(+2)+40、+2+40、+2+4原子半径/pm77117122141175离子半径r(M4+)/pm1640536978r(M2+)/pm--73118119I1/(kJ·mol-1)1086786763709716电负性()2.51.81.81.81.9p非金属性减弱，金属性增强典型非金属准金属典型金属 12-2-2碳及其重要化合物碳的同素异形体金刚石石墨富勒烯碳原子簇（如C60）12-2-2碳及其重要化合物 碳的同素异形体原子晶体熔点高、硬度大室温下惰性工业上用作钻头、刀具、精密轴承等俗称钻石，可作装饰品薄膜可制作手术刀、集成电路、散热芯片及各种敏感器件金刚石 碳的同素异形体层状结构有金属光泽质软、能导电通常情况下，石墨比金刚石稳定可作电极、坩埚、润滑剂、铅笔芯等在工业上可采用静态加压法由石墨合成金刚石石墨 碳的同素异形体C60的分子结构由60个碳原子组成的32面体的空心球结构C60比较稳定。富勒烯碳原子簇可作高温润滑剂、耐热和防火材料。富勒烯碳原子簇将碱金属掺入C60晶体中,可制造超导材料。在酶抑制、抗病毒、DNA切割、光动力医疗法等方面有广泛应用前景 12-2-2碳及其重要化合物碳酸CO2溶于水即形成碳酸仅存在于水溶液中，至今尚未制得纯碳酸二元弱酸CO2+H2OH2CO3大部分CO2以水合分子形式存在H2CO3HCO3+H+K=4.5×10-7*a(1)HCO3CO3+H+K=4.7×10-11a(2)--2- 碳酸盐难溶碳酸盐对应的碳酸氢盐易溶如CaCO3(难溶）Ca(HCO3)2(易溶)(1)溶解性12-2-2碳及其重要化合物碳酸盐——除NH4、碱金属(Li除外)盐，一般难溶碳酸氢盐——一般易溶+钟乳石、石笋的形成自然界石灰石等在CO2、H2O作用下CaCO3+CO2+H2O→Ca(HCO3)2(难溶)(易溶)随着自然条件的变化，上述反应逆向重新析出CaCO3 碳酸盐难溶碳酸盐对应的碳酸氢盐易溶如CaCO3(难溶）Ca(HCO3)2(难溶)(1)溶解性易溶碳酸盐对应的碳酸氢盐溶解度较小12-2-2碳及其重要化合物碳酸盐——除NH4、碱金属(Li除外)盐，一般难溶碳酸氢盐——一般易溶+向浓碳酸钠溶液中通入CO2至饱和可析出NaHCO3Na2CO3+CO2+H2O→2NaHCO3(易溶)(溶解度小)如 碳酸盐碳酸盐——水溶液呈碱性碳酸氢盐——水溶液呈微碱性(2)水解性可溶性碳酸盐可作沉淀剂,分离某些离子碳酸盐碱式碳酸盐氢氧化物生成物反应物金属氢氧化物≈对应碳酸盐金属氢氧化物<对应碳酸盐溶解度金属氢氧化物>对应碳酸盐Ba2++CO3→BaCO32Ag++CO3→Ag2CO3如2-2-2Cu2++2CO3+H2O→Cu2(OH)2CO3+CO22Mg2++2CO3+H2O→Mg2(OH)2CO3+CO2如2-2-2Fe3++3CO3+3H2O→2Fe(OH)3+3CO22Al3++3CO3+3H2O→2Al(OH)3+3CO22-2-如 解释——根据离子极化概念2.热稳定性1.碱金属盐>碱土金属盐>过渡金属盐>铵盐2.碳酸盐>碳酸氢盐>碳酸一般规律:热稳定性热稳定性差，易分解MⅡCO3→MⅡO+CO22MⅠHCO3→MⅠ2CO3+H2O+CO2(3)热稳定性金属离子极化力增大+_+_+_+_+_+_+_+_+_ 解释——根据离子极化概念2.热稳定性(1)碱金属盐>碱土金属盐>过渡金属盐>铵盐(2)碳酸盐>碳酸氢盐>碳酸一般规律热稳定性差，易分解MCO3→MO+CO2MHCO3→M2CO3+H2O+CO2H+极化力强，反极化作用大3.热稳定性金属离子极化力增大+_+_+_+_+_+_+_+_+_1.当无外电场时，CO3中三个O2-被C4+极化而变形2.金属离子相当于外电场，对邻近的一个O2-产生反极化作用.当反极化作用强烈,可导致CO3破裂，碳酸盐分解3.金属离子的极化力越强，其反极化作用越强，碳酸盐越不稳定2-2- Mn+Li+Na+Mg2+Ca2+Sr2+Ba2+r(Mn+)/pm60956599113135Mn+电子构型288888分解温度/℃11001800402814109812771.碱金属碳酸盐稳定，难分解电荷少,半径大8电子构型极化力小反极化作用小碳酸盐稳定(3)热稳定性金属离子极化力增大+_+_+_+_+_+_+_+_+_ Mn+Li+Na+Mg2+Ca2+Sr2+Ba2+r(Mn+)/pm60956599113135Mn+电子构型288888分解温度/℃11001800402814109812772.碳酸盐:碱土金属比碱金属不稳定金属离子极化力增大+_+_+_+_+_+_+_+_+_同一周期电荷半径反极化作用稳定性碱金属∧∨∧∨碱土金属(3)热稳定性 Mn+Li+Na+Mg2+Ca2+Sr2+Ba2+r(Mn+)/pm60956599113135Mn+电子构型288888分解温度/℃11001800402814109812773.碱土金属碳酸盐从Mg到Ba稳定性增强半径,反极化作用金属离子极化力增大+_+_+_+_+_+_+_+_+_ Mn+Fe2+Cd2+Pb2+Ag+r(Mn+)/pm7497120126Mn+电子构型9∼171818+218分解温度/℃2823603152184.过渡金属碳酸盐稳定性较差金属离子极化力增大+_+_+_+_+_+_+_+_+_过渡金属离子具有非8电子构型,极化力强,反极化作用强(3)热稳定性 Ba(OH)2BaCO3(白色)CO3+2H+→CO2+H2O2-(稀HCl或H2SO4)(4)CO3的鉴定2- 12-3-3碳化硼和碳化硅12-2-3碳化硼和碳化硅碳化硼(B4C)用焦炭和氧化硼在电炉中反应制得2B2O3+7C→B4C+6CO有光泽的黑色晶体难熔，硬度大，是重要的工业磨料 12-2-3碳化硼和碳化硅碳化硅(SiC)用石英和焦碳在电炉中反应制得SiO2+3C→SiC+2CO俗称金刚砂熔点高，硬度大，可用作工业磨料化学稳定性和热稳定性好，机械强度大，热膨胀率低，可做高温结构陶瓷材料 12-3-4硅及其重要化合物12-2-4硅及其重要化合物卤化物通式为SiX4,均为无色常温SiF4SiCl4SiBr4SiI4气体液体液体固体制取2CaF2+SiO2+2H2SO42CaSO4+SiF4+2H2O硫酸与萤石和石英砂的混合物作用 卤化物通式为SiX4,均为无色常温SiF4SiCl4SiBr4SiI4气体液体液体固体性质1.与HF作用2HF+SiF4→H2[SiF6]2.纯氟硅酸不存在,在水溶液中稳定3.氟硅酸的酸性与硫酸相近重要盐(Na2[SiF6])是农业杀虫、灭菌剂、木材防腐剂可用于制造抗酸水泥、搪瓷等12-2-4硅及其重要化合物 卤化物通式为SiX4,均为无色常温SiF4SiCl4SiBr4SiI4气体液体液体固体制取1.加热硅与氯Si+2Cl2SiCl42.将二氧化硅、氯、碳直接加热SiO2+2C+2Cl2SiCl4+2CO12-2-4硅及其重要化合物 卤化物通式为SiX4,均为无色常温SiF4SiCl4SiBr4SiI4气体液体液体固体性质1.刺激性无色液体12-2-4硅及其重要化合物2.易水解，在潮湿空气中产生浓烟SiCl4+3H2O→H2SiO3+4HCl若NH3与SiCl4同时蒸发，因生成NH4Cl，烟雾更浓 二氧化硅(硅石)有两种形态无定形晶体如硅藻土石英12-2-4硅及其重要化合物水晶——无色透明的纯石英紫水晶(含少量Mn)烟水晶碧玉玛瑙鸡血石蛋白石(猫眼石)图像 二氧化硅(硅石)有两种形态无定形晶体如硅藻土石英石英在1600℃时熔化成粘稠液体，其内部结构变为不规则状态，若急剧冷却，因粘度大不易再结晶而形成石英玻璃石英玻璃具有许多特性1.热膨胀系数小，能透过可见光和紫外光，可制造高级化学器皿和光学仪器2.制光导纤维12-2-4硅及其重要化合物 二氧化硅(硅石)有两种形态无定形晶体如硅藻土石英与一般酸不起反应，与氢氟酸反应SiO2+4HF→SiF4+2H2OSiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2与氢氧化钠或纯碱共熔SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O12-2-4硅及其重要化合物 硅酸形式很多，组成常以xSiO2·yH2O表示随形成条件而异硅酸名称化学式xy备注正硅酸H4SiO412偏硅酸H2SiO311二偏硅酸H2Si2O521x≥2多硅酸三偏硅酸H4Si3O832焦硅酸H6Si2O723通常以H2SiO3表示12-2-4硅及其重要化合物 二元弱酸开始生成可溶于水的单硅酸以后逐步缩合脱水成硅酸溶胶H2SiO3HSiO3+H+K=2.5×10-10a(1)HSiO3SiO3+H+K=1.6×10-12a(2)--2-OHOHOHOHOHSiOH+OHSiOHHOSiOSiOH+H2OOHOHOHOH溶解度小SiO3+2H+→H2SiO32-硅酸12-2-4硅及其重要化合物 溶液溶胶悬浮液颗粒大小/pm<103103~105>105分散相分散介质溶胶固水凝胶水固硅酸12-2-4硅及其重要化合物在稀硅酸溶胶中加入电解质在适当浓度硅酸盐溶液中加酸凝胶演示 溶液溶胶悬浮液颗粒大小/pm<103103~105>105分散相分散介质溶胶固水凝胶水固硅酸12-2-4硅及其重要化合物在稀硅酸溶胶中加入电解质在适当浓度硅酸盐溶液中加酸凝胶演示 硅酸盐*制取：SiO2与碱性氧化物共熔SiO2+M2O→M2SiO3SiO2+2M2O→M4SiO4性质：1.除碱金属硅酸盐外，一般难溶过渡金属硅酸盐难溶于水,并具有特征颜色CuSiO3蓝绿色MnSiO3浅红色NiSiO3翠绿色Al2(SiO3)3无色透明CoSiO3紫色Fe2(SiO3)3红棕色硅花园——“水中花园”(演示) 制取：SiO2与碱性氧化物共熔性质：1.除碱金属硅酸盐外，一般难溶2.硅酸钠强烈水解,水溶液呈碱性硅酸钠水溶液俗称水玻璃,又称“泡花碱”市售水玻璃为粘稠状液体M(Na2O):M(SiO2)=1:3.3SiO3的鉴定——加入NH4Cl2-2NH3+2H2OSiO3+2NH4+2H2O→H2SiO3+2NH3·H2O2-+硅酸盐* 12-2-5锡、铅重要化合物12-2-5锡、铅重要化合物氧化物和氢氧化物氧化数+2SnO(黑色)PbO(黄或黄红色)+4SnO2(白色)PbO2(棕黑色)混合氧化物Pb3O4(铅丹)鲜红色相当于Pb2[PbO4]或2PbO·PbO2Pb2O3橙色PbO·PbO2PbPbO3+2HNO3→Pb(NO3)2+PbO2+H2OPb2[PbO4]+4HNO3→2Pb(NO3)2+PbO2+2H2O 氧化数+2SnO(黑色)Sn(OH)2(白色)两性偏碱PbO(黄或黄红色)Pb(OH)2(白色)两性偏碱+4SnO2(白色)Sn(OH)4(白色)两性偏酸PbO2(棕黑色)Pb(OH)4(棕色)两性偏酸酸性减弱、碱性增强酸性增强碱性减弱、Sn(OH)2+2H+→Sn2++2H2OSn(OH)2+2OH-→[Sn(OH)4]2-Pb(OH)2+2H+→Pb2++2H2OPb(OH)2+2OH-→[Pb(OH)4]2-氧化物和氢氧化物 酸性减弱、碱性增强酸性增强碱性减弱、氧化数+2SnO(黑色)Sn(OH)2(白色)两性偏碱PbO(黄或黄红色)Pb(OH)2(白色)两性偏碱+4SnO2(白色)Sn(OH)4(白色)两性偏酸PbO2(棕黑色)Pb(OH)4(棕色)两性偏酸-H2OSn(OH)4H2SnO3正锡酸偏锡酸-H2SnO3-H2SnO3制取Na2SnO3+HClSn+浓HNO3性质无定形粉末白色粉末溶于过量浓HCl和碱难溶于酸和碱氧化物和氢氧化物 盐类1.锡(Ⅱ)在碱性、酸性介质中均有的还原性(黑色)碱性介质：此为鉴定铋盐的方法2Bi3++6OH-+3[Sn(OH)4]2-→2Bi+3[Sn(OH)6]2-酸性介质：2HgCl2+SnCl2→Hg2Cl2+SnCl4(白色)Hg2Cl2+SnCl2→2Hg+SnCl4(黑色)SnCl2过量鉴定Sn2+的方法 1.锡(Ⅱ)在碱性、酸性介质中均有的还原性2.Pb(IV)的氧化性:PbO2是强氧化剂3.锡(Ⅱ)易水解,SnCl4在潮湿空气中冒白烟盐类2Mn2++5PbO2+4H+→2MnO4+5Pb2++2H2O(紫红色)PbO2+4HCl(浓)→PbCl2+Cl2+2H2O(白色)-SnCl2+H2O→Sn(OH)Cl+HCl(白色)配制SnCl2，需加入：1.浓HCl,防水解2.锡粒，防氧化SnO2+2H2O→Sn(OH)2+2OH-(白色)2- 1.锡(Ⅱ)在碱性、酸性介质中均有的还原性2.Pb(IV)的氧化性:PbO2是强氧化剂4.铅(Ⅱ)盐:绝大多数难溶于水PbI2+2KI→K2[PbI4]PbI2(金黄色)溶解度小,溶于沸水和KI溶液3.锡(Ⅱ)易水解,SnCl4在潮湿空气中冒白烟PbCl2难溶于冷水，溶于热水和浓HClPbCl2+2HCl(浓)→H2[PbCl4]PbSO4难溶于水,溶于浓H2SO4和饱和NH4OAc盐类PbSO4+H2SO4(浓)→Pb(HSO4)2PbSO4+2OAc-(浓)→Pb(OAc)2+SO42- 1.锡(Ⅱ)在碱性、酸性介质中均有的还原性2.Pb(IV)的氧化性:PbO2是强氧化剂4.绝大多数铅盐难溶于水3.锡(Ⅱ)易水解,SnCl4在潮湿空气中冒白烟5.硝酸铅与碳酸钠反应2Pb2++2CO3+H2O→Pb2(OH)2CO3+CO2(俗称铅白)2-6.Pb2+的鉴定Pb2++CrO4→PbCrO4(黄色）为黄色颜料，俗称铬黄2-盐类 硫化物+2SnS(棕色)PbS(黑色)+4SnS2(黄色)—碱性碱性酸性PbS不溶于水、稀盐酸、碱金属硫化物溶于浓盐酸和稀硝酸SnS溶于Na2S2SnS+S2SnS3H+(H2SnS3)SnS2+H2S2-2-PbS+4HCl(浓)→[PbCl4]2-+H2S+2H+3PbS+8H++2NO3→3Pb2++3S+2NO+4H2O- +2SnS(棕色)PbS(黑色)+4SnS2(黄色)/////碱性碱性酸性PbS不溶于水、稀盐酸、碱金属硫化物溶于浓盐酸和稀硝酸SnS2易溶于碱金属硫化物或硫化铵SnS2+S2-→SnS3(H2SnS3)→SnS2+H2SH+2-注意：这两组反应不同硫化物SnS溶于Na2S2SnS+S2SnS3H+(H2SnS3)SnS2+H2S2-2- 第二节结束第十二章氮族、碳族和硼族元素无机化学多媒体电子教案第二节结束 碳酸解离常数的计算碳酸解离常数的计算以上的解离常数值是按溶于水的CO2全部转为H2CO3计算的实际大部分CO2以水合分子(CO2·H2O)形式存在H2CO3HCO3+H+K=4.5×10-7a(1)HCO3CO3+H+K=4.7×10-11a(2)--2- 碳酸解离常数的计算k1(正)k1(逆)(1)CO2+H2OH2CO3===1.7Ⅹ10-3k1(正)3.9×10-2k1(逆)23K1 碳酸解离常数的计算(1)CO2+H2OH2CO3=1.7×10-3K1k2(逆)2.2×10-4K===4.3×107k2(正)9.4×1032(2)CO2+OH-HCO3k2(正)k2(逆)- 碳酸解离常数的计算(1)CO2+H2OH2CO3=1.7×10-3K1K2=4.3×107(2)CO2+OH-HCO3-KK12(1)-(2)得HCO3+H2OH2CO3+OH-K3===4.0×10-111.7×10-34.3×107-a(1)K=2.5×10-4K3=[c(H2CO3)/c][c(OH-)/c][c(H+)/c][c(HCO3)/c][c(H+)/c]×Ka(1)Ka(1)Kw1.0×10-14===4.0×10-11－ 碳酸解离常数的计算a(1)K=2.5×10-4即H2CO3H++HCO3-K2=4.3×107(2)CO2+OH-HCO3-(1)CO2+H2OH2CO3=1.7×10-3K1 碳酸解离常数的计算返回a(1)K=2.5×10-4a(1)K为H2CO3真正的Ka(1)a(1)K即为一般书所指的Ka(1)K=K1K=(1.7×10-3)(2.5×10-4)=4.2×10-7a(1)(1)+(3)CO2+H2OH++HCO3-(3)H2CO3H++HCO3-(1)CO2+H2OH2CO3=1.7×10-3K1K2=4.3×107(2)CO2+OH-HCO3- 返回讲述完毕请返回！ 硅酸盐硅酸盐玻璃、水泥、陶瓷都含有硅酸盐普通玻璃组成：Na2SiO3·CaSiO3·4SiO2加入不同的氧化物可呈现不同颜色加入氧化物玻璃颜色氧化钴蓝色氧化铈浅红色Fe2O3黄色市场出售的玉(即翡翠)为:NaAl(SiO3)2 天然硅酸盐天然硅酸盐种类繁多、结构复杂，通常视为SiO2和金属氧化物相结合的化合物名称组成正长石K2O·Al2O3·6SiO2白云石K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O泡沸石Na2O·Al2O3·2SiO2·nH2O高岭土Al2O3·2SiO2·2H2O石棉CaO·3MgO·4SiO2滑石3MgO·4SiO2·H2O 分子筛分子筛——起“筛选”作用能让气体或液体混合物中直径比孔径小的分子通过，直径大的留在外面分子筛的通式：Mx/n[(AlO2)x(SiO)y]·mH2OM——金属阳离子,一般为Na+、K+、Ca2+n——金属阳离子电荷数x/n——金属阳离子个数泡沸石是一种天然分子筛_ 人工合成分子筛以氢氧化钠、铝酸钠、水玻璃为原料型号组成4A型Na12[Al12Si12O48]·27H2O13X型Na86[Al86Si106O384]·264H2OY型Na56[Al56Si136O384]·250H2O丝光沸石型Na8[Al8Si40O96]·24H2OA型多用于气体的干燥、吸收和净化分离X型和Y型：用于石油产品的催化裂化、催化加氢、催化剂的载体丝光沸石型：耐酸、耐热，可在高温、强酸介质中使用返回 人工合成分子筛以氢氧化钠、铝酸钠、水玻璃为原料型号组成4A型Na12[Al12Si12O48]·27H2O13X型Na86[Al86Si106O384]·264H2OY型Na56[Al56Si136O384]·250H2O丝光沸石型Na8[Al8Si40O96]·24H2OA型多用于气体的干燥、吸收和净化分离X型和Y型：用于石油产品的催化裂化、催化加氢、催化剂的载体丝光沸石型：耐酸、耐热，可在高温、强酸介质中使用返回