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本课件为第十二章氮族、碳族和硼族元素之第二节碳族元素,围绕碳族元素概述、碳及其重要化合物碳的同素异形体金刚石石墨等内容展开,依次给出基本概念的定义、公式推导过程与典型计算示例,并配合图示说明判断方法与解题步骤。
第二节碳族元素封面:第十二章氮族、碳族和硼族元素第二节碳族元素
碳族元素概述:0He氦ⅦAⅥAⅤAⅣAⅢANe氖F氟O氧N氮C碳B硼2Ar氩Cl氯S硫P磷Si硅Al铝3Kr氪Br溴Se硒As砷Ge锗Ga镓4Xe氙I碘Te碲Sb锑Sn锡In铟5Rn氡At砹PoBi铋Pb铅Tl铊612-2-1碳族元素概述称为碳族元素
碳族元素概述(续)
碳族元素概述(续):铅(Pb)锡(Sn)锗(Ge)硅(Si)碳(C)ⅣA825032146原子序数6s26p25s25p24s24p23s23p22s22p2价层电子构型0、+2+40、+2+40、(+2)+40、+2+40、+2+4主要氧化数17514112211777原子半径/pm7869534016r(M4+)/pm离子半径11911873--r(M2+)/pm7167097637861086I1/(kJ·mol-1)1.91.81.81.82.5电负性()χp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
碳族元素概述(续):铅(Pb)锡(Sn)锗(Ge)硅(Si)碳(C)ⅣA825032146原子序数6s26p25s25p24s24p23s23p22s22p2价层电子构型0、+2+40、+2+40、(+2)+40、+2+40、+2+4主要氧化数17514112211777原子半径/pm7869534016r(M4+)/pm离子半径11911873--r(M2+)/pm7167097637861086I1/(kJ·mol-1)1.91.81.81.82.5电负性()χp非金属性减弱,金属性增强典型非金属准金属典型金属
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
碳的同素异形体原子晶体熔点高(续):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
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+ H2O H2CO3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-
碳及其重要化合物碳酸(续)
碳及其重要化合物碳酸(续):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
碳及其重要化合物碳酸(续):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
碳及其重要化合物碳酸计算示例
碳及其重要化合物碳酸计算示例计算示例
碳及其重要化合物碳酸计算示例计算示例(续:Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+Na+Li+Mn+13511399659560r(Mn+)/pm888882Mn+电子构型1277109881440218001100分解温度/℃1.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+_+_+_+_+_+_+_+_+_
碳及其重要化合物碳酸计算示例计算示例(续:Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+Na+Li+Mn+13511399659560r(Mn+)/pm888882Mn+电子构型1277109881440218001100分解温度/℃2.碳酸盐:碱土金属比碱金属不稳定金属离子极化力增大+_+_+_+_+_+_+_+_+_稳定性反极化作用半径电荷同一周期∨∧∨∧碱金属碱土金属(3)热稳定性
碳及其重要化合物碳酸计算示例计算示例(续:Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+Na+Li+Mn+13511399659560r(Mn+)/pm888882Mn+电子构型1277109881440218001100分解温度/℃3.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+_+_+_+_+_+_+_+_+_
碳及其重要化合物碳酸计算示例计算示例(续:Ag+Pb2+Cd2+Fe2+Mn+1261209774r(Mn+)/pm1818+2189∼17Mn+电子构型218315360282分解温度/℃4.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
碳及其重要化合物碳酸计算示例计算示例(续:Ba(OH)2BaCO3(白色)CO3+ 2H+→CO2+ H2O2-(稀HCl或H2SO4)(4)CO3的鉴定2-
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
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
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+2H2OΔ硫酸与萤石和石英砂的混合物作用
卤化物通式为
卤化物通式为(续):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+ 2COΔΔ12-2-4硅及其重要化合物
卤化物通式为(续)
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(续)
二氧化硅(续):(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+ CO2Δ与氢氧化钠或纯碱共熔ΔSiO2+ 2NaOH Na2SiO3+H2O12-2-4硅及其重要化合物
硅酸形式很多
硅酸形式很多(续):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-OH OH OH OHOH Si OH+OH Si OH HO Si O Si OH+H2OOH OH OH OH溶解度小SiO3+ 2H+→H2SiO32-硅酸12-2-4硅及其重要化合物
悬浮液溶胶溶液:>105103~ 105<103颗粒大小/pm分散介质分散相水固溶胶固水凝胶硅酸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
硅及其重要化合物:硅胶脱去凝胶中大部分水,得硅酸干胶(硅胶)硅胶为稍透明白色固体硅胶有很强的吸附能力,可作吸附剂、干燥剂、催化剂的载体变色硅胶——含氯化钴的硅胶含无水CoCl2[Co(H2O)6]Cl2吸水烘烤、脱水图像图像
硅酸盐*制取
硅酸盐*制取(续)
锡、铅重要化合物
锡、铅重要化合物(续):PbO(黄或黄红色)Pb(OH)2(白色)两性偏碱SnO(黑色)Sn(OH)2(白色)两性偏碱+2氧化数PbO2(棕黑色)Pb(OH)4(棕色)两性偏酸SnO2(白色)Sn(OH)4(白色)两性偏酸+4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
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
盐类1.锡(续):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-
盐类1.锡(续):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-
盐类1.锡(续):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:PbS(黑色)SnS(棕色)+2—SnS2(黄色)+4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-
硫化物(续)
硫化物(续)
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(续):k1(正)k1(逆)(1)CO2+ H2O H2CO3= = =1.7Ⅹ10-3k1(正) 3.9×10-2k1(逆) 23K1
碳酸解离常数的计算(续):(1)CO2+H2O H2CO3=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(续):(1)CO2+H2O H2CO3=1.7×10-3K1K2=4.3×107(2)CO2+OH-HCO3-KK12(1)-(2)得HCO3+H2O H2CO3+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(续):a(1)K=2.5×10-4即H2CO3H++HCO3-K2=4.3×107(2)CO2+OH-HCO3-(1)CO2+H2O H2CO3=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+ H2O H++HCO3-(3)H2CO3H++HCO3-(1)CO2+H2O H2CO3=1.7×10-3K1K2=4.3×107(2)CO2+OH-HCO3-
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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玻璃颜色加入氧化物蓝色氧化钴浅红色氧化铈黄色Fe2O3市场出售的玉(即翡翠)为:NaAl(SiO3)2
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组成名称K2O·Al2O3·6SiO2正长石K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O白云石Na2O·Al2O3·2SiO2·nH2O泡沸石Al2O3·2SiO2·2H2O高岭土CaO·3MgO·4SiO2石棉3MgO·4SiO2·H2O滑石
天然硅酸盐(续):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、水玻璃为原料组成型号Na12[Al12Si12O48]·27H2O4A型Na86[Al86Si106O384]·264H2O13X型Na56[Al56Si136O384]·250H2OY型Na8[Al8Si40O96]·24H2O丝光沸石型A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
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