无机化学&17-碳和硅课件.ppt

1、第第9章章 p区元素区元素-碳族元素碳族元素元元 素素 概概 述述 S区元素：碱金属区元素：碱金属(Li、Na、K、Rb、Ce)和碱土金属和碱土金属(Be、Mg、Ca、Sr、Ba)P区元素：区元素：硼族硼族、碳族碳族、氮族、氧族、卤族、稀有气体、氮族、氧族、卤族、稀有气体 D区：钛族、钒族、区：钛族、钒族、铬族、锰族、铁系元素铬族、锰族、铁系元素、铂系元素、铂系元素、C、Si、B的相似性和不同的相似性和不同 相似：相似：C和和Si的外围电子构形相同的外围电子构形相同ns2np2 BO键和键和SiO键都比较大，都主键都比较大，都主 要以含氧化合物形式存在。要以含氧化合物形式存在。不同：不同：与与

2、C不同，不同，Si的外层还有的外层还有3d空轨道，空轨道，半径比较大，半径比较大，Si的的sp和和sp2杂化不稳定杂化不稳定。B可以形成三中心两电子键。可以形成三中心两电子键。9.2 碳碳 9.2.1 碳单质碳单质 9.2.2 碳的氧化物碳的氧化物 9.2.3 碳酸及其盐碳酸及其盐9.2.1 碳单质碳单质 1.碳的同素异形体碳的同素异形体金刚石：原子晶体金刚石：原子晶体,硬度最大硬度最大,熔点最高。熔点最高。石墨：层状晶体石墨：层状晶体，质软，有金属光泽。，质软，有金属光泽。足球烯或富勒烯：足球烯或富勒烯：C60，C70 等。等。碳纳米管：石墨层卷联而成。碳纳米管：石墨层卷联而成。石墨烯石墨烯

3、：单层石墨单层石墨金刚石原子晶体结构金刚石原子晶体结构金刚石金刚石(sp3杂化杂化)石墨石墨层状混合晶体结构层状混合晶体结构 石墨石墨(sp2杂化杂化)C60结构结构足球烯，富勒烯，足球烯，富勒烯，C60 (sp2杂化杂化)分子晶体，易溶于非极性溶剂。分子晶体，易溶于非极性溶剂。碳纳米管的碳纳米管的STM（扫（扫描隧道显微照片）描隧道显微照片）碳碳 纳纳 米米 管管碳纳米管实物的碳纳米管实物的TEM图图活性炭和碳纤维活性炭和碳纤维碳纤维碳纤维活性炭是石墨和金刚石碎片无序连缀而成的碳活性炭是石墨和金刚石碎片无序连缀而成的碳单质；碳纤维是有机纤维炭化得到的。单质；碳纤维是有机纤维炭化得到的。Gra

4、phene石墨烯石墨烯Graphene:easy to make,hard to find.5 mm人造金刚石的合成人造金刚石的合成六面顶压机外观六面顶压机外观人造金刚石显微照片人造金刚石显微照片碳碳 的的 反反 应应 主要是活性炭的反应主要是活性炭的反应：C 2H2SO4（浓）（浓）CO22SO22H2O C（灼热）（灼热）H2O CO H2 3C CaO CaC2 CO煤液化的关键煤液化的关键聚氯乙烯的起点聚氯乙烯的起点9.2.2碳的氧化物碳的氧化物结构：结构：CO(6+8=14e-)与与N2（27=14e-）是是等电子体等电子体,结构相似。结构相似。C采取采取sp不等性杂化。不等性杂化。

5、一个一个键键两个两个键键:C O:1.一氧化碳一氧化碳(CO):C O:+-2Px两个两个sp杂化轨道杂化轨道的空间分布呈线的空间分布呈线形形+-+-.OO：2s2 2Px1 2Py1 3Pz2C：2s22Px12Py12Pz0sp不等性杂化不等性杂化C.2Pz2PyC原子的孤原子的孤电子对具有电子对具有强配位作用强配位作用性质：性质：作配位体，形成羰基配合物：作配位体，形成羰基配合物：Fe(CO)5,Ni(CO)4,Co2(CO)8 ，其中，其中C是配位原子。是配位原子。还原剂：还原剂：(g)CO(g)O21CO(g)22(g)3CO2Fe(s)3CO(g)(s)OFe232剧毒剧毒炼铁的核

6、心反应炼铁的核心反应2.二氧化碳二氧化碳 (CO2)43 ：O C O：经典的分子结构：经典的分子结构：O=C=OOC=O双键键长双键键长124pm (在在CH3-C-CH3中中)C O三键键长三键键长113pmCO2中，中，碳、氧之间键长碳、氧之间键长116pmC：sp杂化杂化固体二氧化碳干冰固体二氧化碳干冰 9.2.3.碳酸及其盐碳酸及其盐 CO2溶于水（溶于水（0.03molL-1），大部分），大部分CO2H2O，极小（，极小（3%）部分形成）部分形成H2CO3CO32-的结构：的结构：C：sp2杂化杂化COOO2-64+233H CO HHCO K1=4.410-7+2-33HCO H

7、 CO K2=4.710-11碳酸及其盐的热稳定性：碳酸及其盐的热稳定性：H2CO3MHCO3100oC过渡金属碳酸盐稳定性差过渡金属碳酸盐稳定性差 CaCO3 PbCO3 ZnCO3 FeCO3 分解分解T/900 315 350 282价电子构型价电子构型 8e_ (18+2)e_ 18e_ (9-17)e_离子极化观点：离子极化观点：COOO2-M2+MCO3 MO+CO2 r(M2+)愈小，愈小，M2+极化力愈大，极化力愈大，MCO3 愈不稳定；愈不稳定；M2+为为18e_，(18+2)e_，(9-17)e_ 构型相对于构型相对于 8e_构型的极化力大，构型的极化力大，其其 MCO3

8、相对不稳定。相对不稳定。生成生成碳酸盐碳酸盐沉淀。沉淀。（氢氧化物碱性较强的金属离子）氢氧化物碱性较强的金属离子）例如：例如：Ba2+、Sr2+、Ca2+和和Ag+等。等。金属离子加入可溶性碳酸盐时，生成沉淀的类型：金属离子加入可溶性碳酸盐时，生成沉淀的类型：(s)BaCOCOBa3-232生成生成碱式碳酸盐碱式碳酸盐沉淀。沉淀。（氢氧化物碱性较弱的金属离子）氢氧化物碱性较弱的金属离子）例如：例如：Pb2+、Bi3+、Cu2+、Cd2+、Zn2+、Hg2+、Co2+、Ni2+和和Mg2+等。等。生成生成氢氧化物氢氧化物沉淀。（沉淀。（水解性强或两性的金属离子水解性强或两性的金属离子）例如：例如

9、：Al3+、Fe3+、Cr3+、Sn4+和和Sb3+等。等。2+23222322Mg+2COH OMg(OH)CO(s)CO(g)2+23222322Cu+2COH OCu(OH)CO(s)CO(g)3+232322Al +3CO3H O2Al(OH)(s)3CO(g)9.2.3 硅硅 9.2.3.1 硅单质硅单质 9.2.3.2 硅的氢化物硅的氢化物 9.2.3.3 硅的卤化物硅的卤化物 9.2.3.4 硅的含氧化合物硅的含氧化合物9.2.3.1 硅单质硅单质 金刚石型的原子晶体，熔点高，硬度低于金刚石金刚石型的原子晶体，熔点高，硬度低于金刚石。人造高纯单晶硅棒人造高纯单晶硅棒切割出的晶圆切

10、割出的晶圆硅单质的制备：硅单质的制备：SiO22C Si(粗)2COSiO22C2Cl2 SiCl42COSiCl4 2H2 Si(纯)4HCl硅单质的反应：硅单质的反应：3Si 18HF 4HNO33H2SiF64NO8H2OSi2NaOHH2ONa2SiO32H29.2.3.2 硅的氢化物硅的氢化物 硅的氢化物的通式硅的氢化物的通式：SinH2n+21.硅的氢化物硅的氢化物(硅烷硅烷 SinH2n+2)242HSiC500SiHOH2SiOO2SiH22242232244HOHSiOK2MnO2KMnOSiH222244HOnHSiOO2)H(nSiH性质：性质：最简单的硅烷最简单的硅烷：

11、SiH4(甲硅烷甲硅烷)自燃自燃：在碱的催化下猛烈水解在碱的催化下猛烈水解：强还原性强还原性：热稳定性差热稳定性差：9.2.3.3 硅的卤化物硅的卤化物 SiX4 SiF4 SiCl4 SiBr4 SiI4聚集态聚集态 g l l s熔沸点熔沸点 低低 高高 分子量分子量 小小 大大（氟硅酸）（氟硅酸）4HClSiOHO3HSiCl3224水解：水解：SiFH 2HFSiF6244HFSiOH O3HSiF32249.2.3.4 硅的含氧化物硅的含氧化物 硅的氧化物硅的氧化物 硅酸及硅酸盐硅酸及硅酸盐1.硅的氧化物硅的氧化物无定型体：石英玻璃、硅藻土、燧石无定型体：石英玻璃、硅藻土、燧石晶体：

12、天然晶体为石英，属于原子晶体晶体：天然晶体为石英，属于原子晶体纯石英：水晶纯石英：水晶含有杂质的石英：玛瑙，紫晶含有杂质的石英：玛瑙，紫晶水晶水晶紫水晶紫水晶玛瑙玛瑙翡翠翡翠Si采用采用sp3杂化轨道与氧形成硅氧四面体杂化轨道与氧形成硅氧四面体硅氧四面体硅氧四面体二氧化硅二氧化硅 结构：结构：性质性质：(g)COSiONaCONaSiOOHSiONa2NaOHSiO2323222322O2H(g)SiF4HFSiO242 与碱作用与碱作用 与与HF作用作用2.硅酸及硅酸盐硅酸及硅酸盐 H4SiO4 原硅酸原硅酸硅酸硅酸 H2SiO3 偏硅酸偏硅酸 xSiO2yH2O 多硅酸多硅酸性质：性质：1

13、2210132106.1107.1 SiOH=，溶解度小，是二元弱酸溶解度小，是二元弱酸KK制备制备：浸透过浸透过CoCl2的硅胶为变色硅胶。的硅胶为变色硅胶。胶冻状硅酸胶冻状硅酸硅胶硅胶-H2O2323Na SiO +2HCl H SiO2NaCl 234233Na SiO +2NH Cl H SiO2NaCl+2NH(g)可溶性：可溶性：Na2SiO3(水玻璃水玻璃)、K2SiO3不溶性：大部分硅酸盐难溶于水，不溶性：大部分硅酸盐难溶于水，且有特征颜色。且有特征颜色。硅酸盐硅酸盐水中花园水中花园 硅酸盐结构复杂硅酸盐结构复杂,一般写成氧化物形式，一般写成氧化物形式，它的基本结构单位为硅氧四

14、面体。它的基本结构单位为硅氧四面体。白云石白云石：K2O 3Al2O3 6SiO2 2H2O泡沸石泡沸石：Na2O Al2O3 2SiO2 nH2O分子筛分子筛祖母绿原石；祖母绿原石；组成：硅酸铍铝组成：硅酸铍铝 硼和硅的相似性硼和硅的相似性 B-O键键(键能键能536kJmol-1)和和Si-O键键(键能键能455kJmol-1)都很稳都很稳定定 硼和硅都能与硼和硅都能与NaOH反应产生反应产生H2 2B+2NaOH(热浓热浓)+2H2O=2NaBO2+3H2 Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2 硼和硅的氢化物都自燃，都水解放出硼和硅的氢化物都自燃，都水解放出H2 卤化物都强烈水解卤化物都强烈水解 硼和硅的氟化物都易与硼和硅的氟化物都易与HF加合加合 BF3+HF=HBF4 SiF4+2HF=H2SiF6