17 第十七章 碳、硅、硼.ppt

第1页：第十七章 碳硅硼17.1

第十七章碳硅硼17.1 通性17.2 碳17.3 硅17.4 硼17.5 碳化物、硅化物和硼化物

第2页：轨道数

目与价电子轨道数相等，它们被

17-1通性17-1-1 元素的基本性质碳、硅、硼的一些基本性质列于书本表17-117-1-2 电子构型和成键性质1．价电子构型碳与硅的价电子构型为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。

硼的价电子层结构为2s22p1，价电子数少于价电子轨道数，所以它是缺电子原子。

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，硼为+III。

第3页：2．成键特征碳和硅可以用

2．成键特征碳和硅可以用sp、sp2和sp3杂化轨道形成1到4个σ键，但Si sp和sp2态不稳定。 碳的原子半径小，还能形成pπ—pπ键，所以碳能形成多重键。 硼B用sp和sp3杂化轨道成键时，除了能形成一般的σ键外，还能形成多中心键。

第4页：硼形成化学键的键能

3．碳、硅、硼形成化学键的键能P556表17-2。 碳、硅、硼都有自相结合成键的特性。 从表17—2中的数据可知C—C键的强度比Si—Si或B—B都大。

碳自相结合成链的能力最强，这些元素与氢形成的键比它们各自结合的健更牢，所以它们都有一系列的氢化物，如有机化学中的烃类化合物以及硅烷、硼烷等。 如果将硅和硼的氢化物燃烧或与水反应，它们都会转变成硅与硼的氧化物。 这说明Si一O键及B—O键更牢。

在自然界中硅、硼也确实是以含氧化合物的形式存在，而且它们的许多非金属氧化合物容易转变为氧化物或含氧化合物。 所以硅和硼都是亲氧元素。 从链能还可以知道它们和氟形成的化合物也是很稳定的。

第5页：17-1-3 自然村

17-1-3 自然村在和丰度碳、硅、硼在地壳中的丰度分别为0.023％、29.50％和1.2×10-3%。 硅的含量在所有元素中居第二位，它以大量的硅酸盐矿和石英矿存在于自然界。 碳的含量虽然不多，但它（除氢外）是地球上化合物最多的元素。

大气中有CO2 矿物界有各种碳酸盐、金刚石、石墨和煤，还有石油和天然气等碳氢化合物动植物体中的脂肪、蛋白质、淀粉和纤维素等等也都是碳的化合物。 如果说硅是构成地球上矿物界的主要元素，那么，碳就是组成生物界的主要元素。

硼在自然界中的含量更少，它同硅一样主要以含氧化合物矿石而存在。

第6页：单质同素

17-2碳17-2-1 单质同素异形体金刚石：原子晶体,硬度最大,熔点最高。 石墨：层状晶体，质软，有金属光泽。

足球烯或富勒烯：C60，C70等。 C60是1985年用激光轰击石墨作碳的气化实验时发现的。

C60是由12个五边形和20个六边形组成的32面体。 碳纤维

第7页：金刚石

石墨(sp2杂化)金刚石(sp3杂化)

第8页：足球烯

足球烯，富勒烯，C60 (sp2.26杂化)

第9页：17-2-2 碳的氧化物

17-2-2碳的氧化物、含氧酸及其盐结构：CO(6+8=14e-)与N2（2×7=14e-）是等电子体, 结构相似。 一个σ键两个π键:C O:1.碳的氧化物•一氧化碳(CO):C O

第10页：作配位体

• 作配位体，形成羰基配合物Fe(CO)5, Ni(CO)4, Co2(CO)8其中C是配位原子。
• 还原剂
• 剧毒

第11页：经典的分子结构

2.二氧化碳(CO2)：O C O ：经典的分子结构：O=C=OOC=O双键键长124pm (在CH3--C--CH3中)C O叁键键长113pmCO2中，碳、氧之间键长116pmC：sp杂化固体二氧化碳干冰

第12页：3.碳酸及其盐CO2溶于水

3.碳酸及其盐CO2溶于水，大部分CO2•H2O，极小部分H2CO3CO32-的结构：CO32-(6+3×8+2=32e-)与BF3(5+3×9=32e-)为等电子体。

第13页：17-2-2 碳的氧化物图示

第14页：①氢氧化物碱性较强的金

①氢氧化物碱性较强的金属离子与之反应生成碳酸盐沉淀。 例如：Ba2+、Sr2+、Ca2+和Ag+等。 金属离子加入可溶性碳酸盐时，生成沉淀的类型：②氢氧化物碱性较弱的金属离子与之反应生成碳酸羟盐(碱式碳酸盐)沉淀。 例如：Pb2+、Bi3+、Cu2+、Cd2+、Zn2+、Hg2+、Co2+、Ni2+和Mg2+等。

第15页：③水解性强

③水解性强、两性的金属离子与之反应生成氢氧化物沉淀。 例如：Al3+、Fe3+、Cr3+、Sn2+、Sn4+和Sb3+等。

第16页：17-2-3 碳的硫化物和卤

17-2-3 碳的硫化物和卤化物一、二硫化碳二硫化碳为无色有毒的挥发性液体，可以用硫蒸气与炽热的煤反应得到。 它在空气中极易着火，反应为：CS2+3O2=CO2+SO2它不溶于水，加热到423K，分解为二氧化碳和硫化氢。 二、碳的卤化物四氟化碳、四氯化碳、四溴化碳、四碘化碳

第17页：17-2-3 碳的硫化物和卤（续）

17-3硅17-3-1 单质硅的性质、制备和用途硅有两种晶型。 无定形及晶形两种同素异体。 前者为深灰黑色粉末，后者为银灰色。 有金属光泽，能导电，但导电率不及金属，且随温度的升高而增加。

硅在化学性质方面主要表现为非金属性。 象这类性质介乎于金属和非金属之间的元素称为“准金属”或“类金属”或“半金属”。 准金属是制半导体的材料。 纯硅在电子工业上有广泛的应用，它可以制晶体管和光电导器，制成纯硅晶片用于小型电子计算机中。

晶态硅具有金刚石那样的结构，所以它硬而脆(硬度为7.0)，熔点高，在常温下化学性质不活泼。 无定形碳比晶态碳活泼。

第18页：一、性质硅可以和金

一、性质硅可以和金属、非金属、酸以及碱反应.二、制备SiO2+2C=Si+2CO硅的提纯Si+2Cl2(g)=SiCl(l)SiCl4+2H2=Si+2HCl三、用途硅能使碳在铁中的溶解度降低 用作脱氧剂，变压器铁心，弹簧钢，制硅酮等。

第19页：17-3-2 硅烷性质

17-3-2硅烷性质：最简单的硅烷：SiH4(甲硅烷)

• 自燃
• 水解
• 强还原性
• 热稳定性差

第20页：金刚砂

金刚砂（SiC）

第21页：17-3-3 硅的卤化物

17-3-3硅的卤化物SiX4SiF4SiCl4SiBr4SiI4聚集态g l l s（氟硅酸）水解：熔沸点低高分子量小大

第22页：17-3-4 硅的化合物

17-3-4硅的化合物1.硅的氧化物无定型体：石英玻璃、硅藻土、燧石晶体：天然晶体为石英，属于原子晶体纯石英：水晶含有杂质的石英：玛瑙，紫晶

第23页：水晶石英盐黑曜石紫晶缟玛瑙

水晶石英盐黑曜石紫晶缟玛瑙玛瑙

第24页：氧形成硅

Si采用sp3杂化轨道与氧形成硅氧四面体硅氧四面体二氧化硅结构

第25页：碱作用

性质：①与碱作用②与HF作用

第26页：碱作用（续）

2.硅酸及硅酸盐H4SiO4原硅酸硅酸H2SiO3偏硅酸xSiO2•yH2O 多硅酸性质：12210132106.1107.1SiOH--×=×=，，溶解度小，是二元弱酸KK

第27页：变色硅胶

制备：浸透过CoCl2的硅胶为变色硅胶。 胶冻状硅酸硅胶-H2O2NaClSiOH2HClSiONa3232++(g)2NH2NaClSiOHCl2NHSiONa332432+++

第28页：硅酸盐

可溶性：Na2SiO3 (水玻璃)、K2SiO3不溶性：大部分硅酸盐难溶于水，且有特征颜色。 硅酸盐水中花园

第29页：硅酸盐结构复杂

硅酸盐结构复杂, 一般写成氧化物形式，它的基本结构单位为硅氧四面体。 白云石：K2O · 3Al2O3 ·6SiO2· 2H2O泡沸石：Na2O · Al2O3 ·2SiO2· nH2O分子筛

第30页：17-4 硼同素异形体

17-4硼同素异形体：无定形硼，晶形硼棕色粉末, 黑灰色化学活性高，硬度大熔点，沸点都很高。 α-菱形硼（B12）原子晶体

第31页：17-4-1 硼的化合物

17-4-1硼的化合物1.硼的氢化物硼烷分类：BnHn+4和BnHn+6例：B2H6B4H10乙硼烷丁硼烷有CH4，但无BH3最简单的硼烷：B2H6其结构并非如右图所示

第32页：硼烷的结构

硼烷的结构B：利用sp3杂化轨道，与氢形成三中心两电子键。 （氢桥）记作：要点：B的杂化方式，三中心两电子键、氢桥。

第33页：B4H10分子结构

B4H10分子结构

第34页：硼烷的性质①自燃高能燃料

硼烷的性质①自燃高能燃料，剧毒②水解含硼化合物燃烧火焰呈现绿色

第35页：③加合反应④

③加合反应④被氯氯化

第36页：①三氧化

①三氧化二硼B2O3B(无定形)B2O3H3BO3O2Mg或Al+H2O-H2O制备：原子晶体：熔点460°C无定形体：软化2.硼的含氧化合物结构

第37页：①三氧化（续）

性质：偏硼酸(原)硼酸xB2O3·yH2O 多硼酸B2O32HBO22H3BO3+H2O+H2O-H2O-H2O

第38页：①三氧化（续）

B：sp2杂化②硼酸H3BO3结构

第39页：合物加合

• 一元弱酸(固体酸)
• 与多羟基化合物加合
• 受热易分解=5.8×10-10

第40页：③硼砂硼酸根的结构

③硼砂硼酸根的结构

第41页：构成缓冲

性质：构成缓冲溶液pH=9.24 (20 ℃ )

• 水解呈碱性
• 与酸反应制H3BO3
• 脱水硼砂珠实验

第42页：3.硼的卤化物

3.硼的卤化物•BX3结构：B：sp2杂化•BX3性质：BXXX

第43页：3.硼的卤化物（续）

水解

第44页：4.氮化硼

4.氮化硼BN与C2是等电子体，性质相似：BN有三种晶型

• 无定型(类似于无定型碳)
• 六方晶型(类似于石墨) 作润滑剂
• 立方晶型(类似于金刚石) 作磨料

第45页：17-5 碳化物硅化物硼化物碳

17-5碳化物硅化物硼化物碳、硅、硼与一些电负性比该元素小的元素形成碳化物、硅化物和硼化物。 在这些二元化合物中有一些熔点高、硬度大，高温下强度好和耐化学腐蚀的物质，它们已成迄今新型材料中的重要组成部分，大有取代部分金属材料的趋势。

第46页：17-5-1 离子型化合物电负性低的金

17-5-1 离子型化合物电负性低的金属或它们的氧化物与碳强热得到离子型碳化物。 离子型碳化物又可进一步分为两类：第一类由IA、IIA（铍除外）族元素、货币金属，锌和镉以及一些镧系元素生成碳化物，它们含有C22-离子，与水反应会放出乙炔：CaC2(s)+2H2O(l)=Ca(OH)2(s)+C2H2(g)第二类是由铍，铝生成的碳化物Be2C和Al4C3，它们与水反应生成甲烷，Al4C3(s)+12H2O(l)=4Al(OH)3(s)+3CH4(g)Mg2Si(s)+4H+(qa)=2Mg2+(aq)+SiH4(g)6MgB2+12H+(aq)=6Mg2+(aq)+B4H10+8B+H2(g)

第47页：17-5-2 金属型化合物第

17-5-2金属型化合物第IVB、VB、VIB、VIIB及VIII族的d过渡元素的碳化物无为金属型化合物，碳原子嵌在金属原子密堆积晶格中的多面体孔穴内。 这就要求金属的原子半径大于130pm，以便使碳原子进入上述孔穴中。 有些过渡金属如铬、锰、钴、镍的半径小于139pm，碳原子进入这些金属晶格时，晶格发生了变形，所生成碳化物的性质介于离子型和金属型碳化物之间。 它们能被水和酸所水解，生成烃类和氢气的混和物。

金属碳化物按组成又可分为MC、M2C、M3C三类。 它们的导电性好、熔点高、有的熔点甚至超过原来的金属。 过渡金属的硅化物属于非整数比化合物，其组成式与元素的化合价无关，其中含硅量高的耐酸，在高温下抗氧性好。 硼几乎与所有金属生成金属型化合物。

金属硼化物的结构与金属互化物结构相似，随着组成中的硼原子数目增多，其结构就越复杂。 这些化合物一般都很硬，且耐高温、抗化学侵蚀，通常它们都具有特殊的物理和化学性质。

第48页：合物主要

117-5-3共价型化合物这类化合物主要是一些碳化物，如SiC，B4C。 前者为无色晶体，具有金刚石的结构，所以又名金刚砂。 B4C为黑色的固体，它的结构较复杂，但也是共价键相结合的三维网格晶体，同SiC一样，B4C硬度大，熔点高，具有化学隋性。