第七章碳和硅

第七章碳和硅一、碳族元素二、碳及其化合物三、硅及其化合物四、硅酸盐工业第一部分碳族元素一、1、碳族元素6C、14Si、32Ge、50Sn、82Pb2、碳族元素在周期表中位置处在活泼金属（ⅠA）向活泼非金属（ⅦA）过渡的中间位置3、碳族元素原子结构特点①最外层电子难得难失R②难形成简单离子③难形成离子键，易形成共价键（C、Si最为典型）Pb(Ac)2—→离子型共价型4、碳族元素的化合价特点①主要化合价：+2、+4、(-4)②Pb：+2价稳定；其余+4价稳定③Si一般不显+2价发散：SiO在自然界不存在，但能按下法制备：SiO2+Si=SiO。SiO在1800℃真空为黄褐色物质。SiO蒸冷却时分解为SiO2和Si。SiO在工业上称单氧硅，是绝缘材料。5、C存在游离态；Ge、Sn、Pb无游离态。二、递变性1、单质密度↑（金刚石例外）····2、单质熔点C—→Si（原子晶体）：熔沸点降低Ge—→Sn—→Pb（金属晶体）：熔沸点降低（Sn、Pb反常）3、氢化物稳定性依次减弱（Ge—→Pb的氢化物不直接化合）4、最高价氧化物对应水化物的酸性减弱H4RO4；(H2RO3)三、特殊性1、四种晶体类型原子晶体（金刚石、晶体硅、晶体锗）分子晶体：C60、C70金属晶体：Sn、Pb过渡晶体：石墨2、碳的化合物种类多3、Sn、Pb的金属性与金属活动性不一致金属性：PbSn金属活动性：SnPb4、化合价稳定性物质的氧化性、还原性CO、SnCl2—→强还原性PbO2—→强氧化性2Fe3++Sn2+==2Fe2++Sn4+PbO2+2Cl—+4H+==Pb2++Cl2↑+2H2O5PbO2+2Mn2++4H+==5Pb2++2MnO4—+2H2O第二部分碳及其化合物一、碳的单质1、同素异形体（1）金刚石：无色透明晶体，坚硬，不导电。（2）石墨：深灰色固体，导电（石墨炸弹）（3）无定形碳实际上是石墨的微小晶体和少量杂质木炭活性炭（具有吸附性）（4）球碳分子2、性质（1）稳定性：难氧化、难还原（2）还原性：C+CuO==2Cu+CO2↑C+Cl2==CCl4C+2S==CS2C+4HNO3==CO2↑+4NO2↑+2H2O一般地，C被氧化的产物可以是CO，也可以是CO2。当环境温度较高T1000℃，主要生成CO。当环境温度较高T710℃，主要生成CO2。（3）可燃性：C（4）氧化性C+2H2===CH4C+Si===SiC3C+CaO===CaC2+CO二、碳的氧化物1、CO2O=C=O（1）直线型分子晶体（2）性质：无色略带酸，微溶，无毒（但空气中含量过量产生窒息）不支持燃烧（相对）①氧化性：CO2+C==2COCO2+Mg===MgO+C3CO2+4Na==2Na2CO3+C②酸酐：CO2+H2OH2CO3CO2+NH3+H2O==NH4HCO3CO2+CaO==CaCO3CO2+NaOH==NaHCO3CO2+2NaOH==Na2CO3+H2O△△△△O2O2CO2高温高温高温△△点燃△发散1、用NaOH、CO2如何制Na2CO3.2、CO2+2NH3==CO(NH2)2+H2O2、CO（1）物性：无色、无味、难溶、有毒（与血红蛋白作用）（2）化性——还原性Fe2O3+3CO===2Fe+3CO2（炼铁）2CO+O2===2CO2（淡蓝色火焰）CO+H2O===CO2+H2（碳族元素其它RO均不与水反应）（3）制法HCOOH======CO+H2O（注：H2C2O4======CO↑+CO2↑+H2O）三、碳酸、碳酸盐1、碳酸（1）结构：HO—C—OH（甲酸的氧化产物）（2）二元弱酸①能使石蕊变红②酸性③成盐：正盐、酸式盐2、碳酸盐（1）CO32—：O—C—O平面三角形（2）性质①溶解性a.正盐：铵盐和碱金属易溶于水b.酸式盐：均溶于水②水解性a.CO32—水解只水解，程度大b.HCO32—水解HCO3—水解程度大于电离程度c.双水解催高温点燃高温浓H2SO4浓H2SO4O||—OHH2SO3、HAcHClO、H2SiO3、H2S、O||2—呈碱性Al3+、Fe3+Al(OH)3↓、Fe(OH)3↓CO2—、HCO3—CO2↑2Cu2++2CO32—+H2O==Cu2(OH)2CO3+CO2↑③热稳定性a.正盐酸式盐b.c.④酸解CO32——→HCO3——→H2CO3—→CO2↑—→H2O2H+四、硫化物和氯化物1、CS2（1）S=C=S（2）无色有毒挥发性液体（3）不溶于水，易溶解S单质，P4（4）易燃2、CCl4（1）正四面体，非极性溶剂。（2）无色液体，有机溶剂。（3）较稳定，不易燃，常用作高效灭火剂。—→CaCO3、ZnCO3、PbCO3加热分解Na、K、Ba的碳酸盐高温难分解NaHCO3——→Na2CO3+CO2+H2OCa(HCO3)2、Mg(HCO3)2低于100℃可分解△300℃H+H+第三部分硅及其化合物[在美国旧金山，有一个最大高科技工业园区，称之为“硅谷”，它是现代电子工业和计算机发展的基地]。一、硅的单质1、硅的存在硅在地壳中含量仅次于氧，只以化合态存在于自然界。硅酸盐2、物性同素异形体半导体（Ge）—→电子工业3、化性——主要非金属性质（难金属、类金属、半金属）（1）常温下Si+2F2==SiF4Si+4HF==SiF2↑+H2↑发散：Si在含氧酸中被钝化—→不反应Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2↑发散1、与NaOH溶液反应产生H2实与H2O反应非金属单质：Si金属：碱金属、碱土金属、Al2、Si与NaOH溶液反应实质Si+3H2O===H2SiO3+2H2↑H2SiO3+2NaOH===Na2SiO3+2H2O（2）常温下673KSi+2Cl2==SiCl41573K3Si+2N2==Si3N42273KSi+C==SiCSi+FeO==SiO2+Fe（炼钢脱氧）无定形：灰黑色粉末晶形：银灰色，有金属光泽，硬而脆，原子晶体（与金刚石结构相似）4eSi+O2==SiO2Si+2H2==SiH4Si+2Mg==Mg2Si△△△△△△873K发散：SiCl4（L）水解SiCl4+4H2O==H4SiO4↓+4HCl（白雾）3、工业制法SiOSi(粗)SiCl4Si(纯)——99.9999%SiO2+2C====Si+2COSi(粗)+2Cl===SiCl4(L)SiCl4+2H2===Si(纯)+4HCl二、硅的氢化物硅与碳相似，有一系列氢化物，不过由于硅自相结合成链的能力比碳差，生成的氢化物要少得多。到目前为止，已制得的硅烷不到12种。1、如：SiH4(g)Si2H6(g)Si3H8(L)Si4H10(L)一硅烷二硅烷……甲硅烷2、生成（由于硅与H2直接反应较难）常用金属硅化物与酸反应Mg2Si+4HCl==SiH4↑+2MgCl23、性质活泼（1）自燃：SiH4+2O2===SiO2+2H2O（2）强还原性：SiH4+2KMnO4==2MnO2↓+H2↑+K2SiO3+H2O（检验硅烷）（3）分解：热稳定性差SiH4====Si+2H2（制高纯硅）三、含氧化合物——SiO2（SiO只有在高温下存在Si+SiO2====SiO）1、结构（比较CO2）CO2：O=C=OEC=0RC直线型分子晶体SiO2：—O—Si—O—ESi—ORSi空间网状结构原子晶体2、形态及物理性质①SiO2也叫硅石（石英主要成分：SiO2）3273KH2高T←焦炭←电炉△高T773K1873K|O||O|②形态（天然）a.晶态—→石英矿纯石英—→水晶(透明，棱柱状石英)，立体网状结构，原子晶体（紫水晶、玛瑙、碧玉是含杂质有色晶体）（砂子也混有石英细粒）b.无定形态：硅澡土：多孔、质轻、松软、表面积大、吸附剂、催化剂载体、保温材料3、硬度大、熔点高4、石英玻璃（1）石英—→—→硬化石英玻璃（成分：SiO2，区别普通Na玻璃）（2）石英玻璃：热膨胀系数小，耐受温度剧变，能透过紫外线，光学仪器，光导纤维。3、化性——不活泼（1）酸酐（但不与H2O反应）SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O（碱对玻璃腐蚀）SiO2+CaO===CaSiO3（炼铁炉中造渣反应）SiO2+CaCO3====CaSiO3+CO2↑SiO2+Na2CO3===Na2SiO3+CO2↑（2）特性SiO2+4HF===SiF4+2H2O（HF对玻璃的腐蚀）SiO2+2Mg===2MgO+Si2Mg+Si===Mg2SiMgO+SiO2===MgSiO3SiO2+2C===Si+2CO↑4、用途制造光导纤维、光学仪器、玻璃原料、建筑材料四、硅酸（硅酸、原硅酸和由它们缩小结合而成酸）1、原硅酸HO—Si—OH不稳定，在空气中易发水，几乎不溶于水很弱的酸2、硅酸：HO—Si—OH难溶弱酸（H2CO3）水溶液胶体熔融冷却晶体排列打乱高温高温高温（玻璃熔炉中的主反应）高T高TOH||OHO||H2SiO3==SiO2+H2O3、制取：可溶盐加酸Na2SiO3——→H4SiO4↓———→H2SiO3白色胶状———→白色粉状4、多硅酸—→xSiO2·yH2O二硅酸：HO—Si—O—Si—OH三硅酸：HO—Si—O—Si—O—Si—OHn硅酸：H2n+2SnO3n+1←—nH4SiO4–(n–1)H2O5、硅胶（1）是单分子硅酸逐渐缩合失水变为多酸时，形成硅酸凝胶，将凝胶洗涤除去可溶性盐类，烘干胶水后形成。（2）约含水4%的SiO2，化学式为mSiO2·nH2O（3）多孔性固体，表面积大，吸附能力强。（4）干燥剂、吸附剂、催化剂载体对H2O、BCl3、PCl5等极性物质有较强吸附作用（5）常呈淡蓝色，添加无水CaCl2表示吸水程度粉红色五、硅酸盐（硅酸、原硅酸和由它们缩水结合而成的各种酸所对应的盐）1、典型——Na2SiO3①Na2SiO3水溶液俗称“水玻璃”、“泡花碱”，无色粘稠液体。矿物胶不能用带玻璃塞的玻璃装②反应：Na2SiO3+CO2+H2O==Na2CO3+H4SiO4↓（密封保存）HCl、H2SO4……③用途：矿物胶、防腐剂、耐火材料2、表示方法x·金属氧化物·ySiO2·zH2O△HCl或CO2空气中失水不是“风化”OH|OH||OH|OHOH|OH||OH|OHOH||OH吸水正长石：K[AlSi3O8]：K2O·Al2O3·6SiO2白云母：KAl2[Si3AlO10](OH)2：K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O高岭石：Al2(Si2O5)(OH)4：Al2O3·2SiO2·2H2OV最外层达8电子←—钾钒铀矿：K2H6U2V2O15—→K2O·V2O5·2VO3·3H2O第四部分硅酸盐工业一、比较水泥和玻璃的生产方法水泥玻璃主要设备回转窑玻璃熔炉原料石灰石、粘土纯碱、石灰石、石英（过量）反应原理发生复杂的物理、化学变化Na2CO3+SiO2===Na2SiO3+CO2↑CaCO3+SiO2===CaSiO3+CO2↑主要成分3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3Na2SiO3、CaSiO3、SiO2反应条件高温高温添加剂石膏PbO、硼砂、Co2O3、Co2O等1、玻璃态物质指没有固定熔点，能在一定温度内软化的非晶体物质，一般属于混合物，混合物有固定的熔沸点，纯净物有固定熔沸点。2、玻璃既不是晶体，也不是上述物质（Na2SiO3、CaSiO3、SiO2）机械混合，而是构成复杂的玻璃态物质。高温高温STS内容专题讲座——新型无机材料1、新型无机材料材料可以分为金属材料、有机高分子材料和无机材料三大类。本课所要介绍的新型无机材料主要是指近几十年来所发展起来的以特种陶瓷为代表的一些新型材料。这些新型无机材料与传统的无机材料主要有以下区别：（1）其生产原料不是直接取自自然界，而是通过化学过程加工制得。（2）其化学组成已远远超出了硅酸盐范围，既有氧化物，含氧酸盐，也有氮化物、碳化物、硼化物等。（3）其制造工艺有了重大发展，传统的陶瓷工艺虽然还常常采用，但工艺条件的控制要求更为严格。新型无机材料按