无机化学第3版 宋天佑下册 14_碳族元素.ppt

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1、碳单质及其化合物硅单质及其化合物锗、锡、铅第14章碳族元素周期表中IVA族包括：统称为碳族元素。C，Si，Ge，Sn，Pb碳，硅，锗，锡，铅C和Si是非金属元素，Ge，Sn，Pb是金属元素。碳C单质石墨金刚石无机化合物CO2石灰石、大理石、方解石CaCO3白云石MgCaCO32（）碳在地壳中的质量分数为0.048%列第15位煤，石油，天然气动植物体，有机化合物硅Si以Si－O－Si键的化合态存在：水晶、石英、SiO2其他硅酸盐矿物硅在地壳中的质量分数为27.7%列第2位（曾用矽）1823年，瑞典人贝采里乌斯（Berz-elius)用金属钾还原四

2、氟化硅首次制得单质硅。锗Ge锗在地壳中的质量分数为1.510－4%锗石矿Cu5Cu，Fe6AsGeS12（）1886年，德国人温克勒（Winkler）发现了锗，并从硫银锗矿中分离出并确认了这种新元素。他将锗命名为“Germanium”以纪念他的祖国德国（Germany）。锗正是1869年门捷列夫所预言的“类硅”元素。锡Sn锡石矿SnO2锡在地壳中的质量分数为2.210－4%我国是锡储量最丰富的国家之一，云南的个旧是举世闻名的锡都。铅Pb方铅矿PbS铅在地壳中的质量分数为1.410－3%碳族元素基态原子的价电子层结构为ns2np2。它们的最

3、高氧化数为+4。IVA族元素的主要氧化数包括0，2，4。从C→Pb+2氧化态稳定性增强+4氧化态稳定性减弱ns2稳定性↑──惰性电子对效应14.1.1碳元素的单质14.1碳单质及其化合物1.碳的同素异形体碳主要有三种同素异形体。金刚石、石墨和碳簇（1）金刚石金刚石典型的原子晶体，属于立方晶系。莫氏硬度为10，是硬度最高的物质。金刚石中碳原子sp3等性杂化，每个碳原子与相邻四个碳原子成共价键。由于无自由电子，故金刚石不导电。（2）石墨硬度小，熔点极高，层状结构。石墨具有层状结构，每个碳原子以sp2杂化轨道与邻近的3个碳原子以共价单键相联结，构成

4、片层结构。每个碳原子均有1个未参与杂化的p电子，形成大π键nn。这些离域电子使得石墨在层向具良好的导电性。木炭和焦炭实际上都具有石墨结构。层间的分子间作用力小，易滑动，故石墨有润滑性。以C60为代表的碳单质的第三种同素异形体——碳簇，是20世纪80年代被人们发现的。（3）碳原子簇C60分子中的60个碳原子构成近似于球形的三十二面体，即由12个正五边形和20个正六边形组成的截角正二十面体。每个C原子以近似于sp2的杂化轨道与相邻3个碳原子相连，未参加杂化的p轨道在C60的球面形成大键。用纯石墨作电极，在氦气氛围中放电，令电弧中产生的碳烟沉积在

5、水冷反应器的内壁上，这种碳烟中存在着数量可观的C60、C70等碳原子簇。2.碳单质的还原性碳在空气中充分燃烧，生成CO2：C（s）+O2（g）——CO2（g）（a）碳单质最重要的性质是它的还原性。碳在氧气不足的情况下，生成CO：2C（s）+O2（g）——2CO（g）（b）一氧化碳可以与氧气进一步反应，生成二氧化碳：2CO+O2——2CO2（c）焦炭是冶金工业的重要还原剂，被用来还原金属氧化物矿物以冶炼金属。如：ZnO+C———Zn+CO1200K该反应可看作是反应2C（s）+O2（g）——2CO（g）（b）2Zn+O2——2ZnO（d）（b）－

6、（d）差的一半。作反应（b）和反应（d）以及反应（a）和反应（c）的吉布斯自由能△rGm随温度T变化的曲线：由公式△rGm＝△rHm－T△rSm可知△rGm对温度T作图，图像是直线，而其斜率是－△rSm。（a）2CO（g）+O2（g）——2CO2（g）碳作为还原剂，涉及如下三个反应（b）C（s）+O2（g）——CO2（g）（c）2C（s）+O2（g）——2CO（g）（a）2CO（g）+O2（g）——2CO2（g）（b）C（s）+O2（g）——CO2（g）（c）2C（s）+O2（g）——2CO（g）△rSm＝3J•mol－1•K－1△rSm＝17

7、9J•mol－1•K－1△rSm＝－173J•mol－1•K－1根据关系式△rGm＝△rHm－T△rSm作△rGm－T图。图中有反应（a），（b）和（c）的△rGm－T线－800△rGm/（kJ·mol－1）2731273T/K－200－400－600（a）（b）（c）反应的△rSm为正，其斜率为负。（c）2C（s）+O2（g）——2CO（g）－800△rGm/（kJ·mol－1）2731273T/K－200－400－600（a）（b）（c）反应的△rSm为负，其斜率为正。（a）2CO（g）+O2（g）——2CO2（g）－8002731273T

8、/K－200－400－600（a）（b）（c）△rGm/（kJ·mol－1）反应的△rSm约等于零，与横轴平行。－8002731273T/K－200－