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碳族元素
碳族元素五元素，碳、硅、锗、锡、铅。外层结构和特点，主要化台阶，氢化物。金属和非金属分类，水化物和最高氧化物。
编辑于2021-05-07 23:11:03- 碳族元素
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碳族元素
碳族元素的通性
特点
1 · 惰性电子对效应 ： C,Si+Ⅳ氧化态稳定 ，Pb是+Ⅱ 氧化态稳定。
2.C-C,C-H,C-O键能很高，奠定了有机化合物众多的基础。
3. Si-Si键能低 ， 所以硅链不会太长 ， 硅化合物比碳化合物少得多。 Si-O键能高，对应化合物多。
4·本族元素单质易形成同素异形体。
成键特征

碳单质及其化合物
碳元素在自然界的分布
碳C
单质状态：主要是金钢石和石墨
碳酸盐矿
动植物体
有机矿物，煤，石油，天然气
可燃冰
大气中
碳元素的单质
碳的同素异形体 金刚石、石墨、碳原子簇
金刚石
天然存在的最硬的单质（硬度10）所有单质中熔点最高
原子晶体，C：sp³等性杂化，所有价电子都参与了共价键的形成，晶体中没有自由电子，应此不导电。室温下对所有化学试剂都显惰性。
用途：钻石，装饰品，钻头，磨削工具
石墨
硬度低1，层状结构
C：sp²杂化，层内πⁿn 键导电（层内）润滑剂
C60 (足球烯，富勒烯）简介
子主题
碳单质的还原性
碳的含氧化合物
CO和CO2
制备
HCOOH浓硫酸△CO↑＋H2O H2C2O4浓H2SO4△CO2↑(NaOH吸收)+CO↑+H2O 发生煤炉气（C+空气→CO+N2） 水煤气C+H2O→CO+H2 工业：CaCO3（石灰石）煅烧CO2↑+CaO 实验室：CaCO3+2HCI==CO2↑+CaCI2+H2O
CO
CO的结构
CO的性质
物理性质：无色，有毒气体，难溶于水，无味。
化学性质：1.可燃性2CO+O2=2CO2,蓝色火焰，放出大量热。 2.强还原性 FeO+CO=Fe+CO2(冶金) CO+PdCI2+H2O=CO2+2HCI+Pd↓(检验) 2Ag(NH3)2++CO+2H2O=2Ag↓+CO32-+4NH4+ 3.加和性 Ni+4CO=Ni(CO)4→4CO+Ni [Cu(NH3)2]Ac+CO+NH3→[Cu(NH3)3(CO)]Ac 4.其他反应：CO+H2=CH3OH
CO2
CO2 的结构

CO2 的性质
无色无味（酸味），不燃，不助燃，可灭火，但不能灭Mg,AI,P等引起的火灾。 CO2+Mg=2MgO+C; 4P+10CO2=P4O10+10CO 干冰-固体CO2（分子晶体），制冷剂。 用途：啤酒，饮料，纯碱，小苏打，铅白等。
碳酸和碳酸盐
碳酸：（H2CO3,水中主要CO·H2O）;二元弱酸 K₁=4.2×10-7 K2=5.6×10-11 碳酸盐：CO32- π46
水溶性 正盐：铵及碱金属（Li除外）盐易溶，余难溶。 酸式盐：大多易溶 S（难溶正盐）<S（相应酸式盐）eg:S(CaCO3)<S[Ca(HCO3)2] S（易溶正盐）<S（相应酸式盐）eg:S(Na2CO3)<S(NaHCO3) 溶解度的反常是由于HCO3-离子通过氢键形成双聚或多聚链状离子的结果 
热稳定性 无水碳酸盐的稳定性自上而下增加 碳酸正盐>碳酸氢盐>碳酸 碱金属碳酸盐>碱土金属碳酸盐>过渡金属碳酸盐
水解性 CO32-+H2O=HCO-3+OH-(强碱) Kh1(CO32-)=1.78×10-4 HCO32-+H2O=H2CO3+OH-(弱碱) Kh2(CO32-)=2.32×10-8 金属离子（碱金属除外）+Na2CO3=碳酸盐↓（或氢氧化物↓或碱式碳酸盐）
氢氧化物沉淀:S氢氧化物<S碳酸盐 AI3+,Fe3+,Cr3+,Sn2+,Sn4+,Sb3+等（水解性强） 2Fe3++3CO32-+3H2O=2Fe(OH)3↓+3CO2↑
碱式碳酸盐：S氢氧化物≈S碳酸盐 Mg2+,Pb2+,Cu2+,Bi3+，Zn2+,Hg2+，Cd2+等 2Cu2++2CO32-+H2O=2Cu2(OH)2CO3↓+CO2↑
碳酸盐沉淀：S氢氧化物>S碳酸盐 Ca2+,Sr2+,Ba2+,Ni2+,Ag+,Mn2+等（难水解） Ba2++ CO32-=BaCO3↓
碳化物
离子型碳化物
离子型化合物中，与碳原子直接相连的原子属于ⅠA,ⅡA,ⅢA,ⅣA族，如CaC2,Mg2CO3,AI4C2等。这类碳化物中，不一定有离子键，但由于有典型的金属原子，故称离子型碳化物
易水解
Mg2C3+4H2O=2Mg(OH)2+HC≡C-CH3↑
AI4C3+12H2O=4AI(OH)3+3CH4↑
间充型碳化物
重过渡金属原子半径大，在晶格中充填碳原子，形成间充型碳化物。间充型碳化物仍保持金属光泽，其硬度和熔点比原来的金属还高。如Zr,Hf,Nb,Ta,Mo,W等重过渡金属均可形成间充型碳化物
共价型碳化物
B4C和SiC(金刚砂)等属于共价型碳化物，共价型碳化物主要特点是高硬度。以金刚石的硬度为10，则SiC的硬度为9，B4C可用来打磨金刚石
硅单质及其化合物
硅元素在自然界的分布
硅Si 靠Si-O键联结成各种链状，层状和立体状结构，构成各种岩石及其风化产物-土壤和泥沙。
硅酸盐矿 绿柱石 Be3AI2Si6O18 完美绿柱石晶体可加工为宝石含有Fe,Mn,Cr,Ti等不同金属呈不同颜色。 单质硅的性质
单质硅
单质硅的性质 Si:原子晶体，类似于金刚石，灰黑色，高熔点，高硬度，脆，能刻划玻璃。由于Si-O键的键能相当大，所以自然界中没有发现单质硅的存在。低温下稳定，只与强氧化剂和强碱作用，高温时可与许多物质反应。高纯硅可做半导体材料。 常温下：Si+2F2=SiF4 *Si+4OH-=SiO44-+2H2↑ Si的化学也是高温化学。
单质硅的产生和纯化 SiO2+2C=Si+2CO↑(1800℃) Si+2CI2△SiCI4 SiCI4+2Zn△Si+2ZnCI2
硅的含氧化合物
SiO2
俗名：石英，海砂，水晶，碧玉，玛瑙等。 原子晶体，Si:O=1:2,熔点高，硬度大，难溶于水。
SiO2的化学性质 高温下被Mg,AI,B还原 SiO2+2Mg（AI,B）→Si+MgO(B2O3,AI2O3) 除F2,HF外不与其他X2和酸反应 SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O→H2SiF6（腐蚀玻璃） 溶于热强碱液或熔融Na2CO3 SiO2+2OH-=SiO32-+H2O SiO2+Na2CO3= Na2SiO3+CO2↑ 光缆：高纯SiO2熔融体中拉出的直径约100μm的细丝（光导纤维）→光缆。
硅酸盐和硅酸
硅酸
通式xSiO2·yH2O 正硅酸H4SiO4(二元酸) 偏硅酸H2SiO3 K=2.5×10-10;K=1.6×10-12 二偏硅酸H2Si2O5 焦原硅酸H6Si2O7 Na2SiO3+2HCI=H2SiO3↓+2NaCI Na2SiO3+2NHCI=H2SiO3↓+2NaCI+2NH3↑
硅胶
稍透明的白色固态物质，内部有很多微小的空隙，内表面积很大有很强的吸附性，可作吸附剂，干燥剂，和催化剂载体。
变色硅胶干燥剂 用CoCI2溶液浸泡硅酸凝胶，然后干燥活化得到，CoCI2污水时呈蓝色，当干燥剂吸水后，随吸水量的不同，硅胶呈蓝紫-紫-粉红，最后【Co（H2O）6】2+使硅胶呈粉红色，说明硅胶吸水已经饱和，再使用时需要重新烘干。
硅酸盐
碱金属硅酸盐易溶，余难溶，重金属硅酸盐有特征颜色（水中花园实验）。
SiO2不同比例的碱性氧化物共熔，可得到确定组成的硅酸盐 最简单：偏硅酸盐（Na2SiO3）→水玻璃 正硅酸盐（Na4SiO4） 普通玻璃：Na2CO3，CaCO3和SiO2共熔得到的硅酸钠和硅酸钙的混合物。组成为Na2CO3·CaCO3·4SiO2（加不同的金属氧化物可得不同颜色玻璃） 结构：SiO2和硅酸盐的基本结构单元均为SiO4四面体
铝硅酸盐 硅氧四面体中，如有部分硅被铝取代，则网络骨架带负电，骨架空隙中必须存在中和电荷的阳离子，此矿物即为铝硅酸盐
分子筛 某些笼形的天然硅酸盐和铝硅酸盐可以选择地吸附一定大小的分子,起到筛分分子的作用。
硅的氢化物
C-H化合物，有机物。Si-H化合物，通式为SinH2n+2(n=1~6)
硅烷的性质
物性：无色，无臭气体
化性
热稳定性SiH4<CH4
SiH4Si+2H2
2CH4C2H2+3H2
还原性SiH4>CH4
SiH4+2O2SiO2+2H2O
SiH4+2KMnO4→2MnO2+K2SiO3+H2O+H2
易水解3d轨道
SiH4+(n+2)H2OSiO2.nH2O+4H2
SiH4制法
SiO2+4MgMg2Si+2MgO
Mg2Si+4HCl→SiH4(不纯）+2MgCl2
SiCI4+LiAlH4→SiH4(纯)+LiCl+AlCl3
卤化物
C,Si-MX4 CCI4无色液体,四面体型非极性分子,难溶于水,易溶于有机溶剂。 由于分子轨道全被电子填满,所以不活泼,常温下不与酸碱反应,不水解。 用途:有机溶剂,灭火剂(如:电器火灾)。
SiF4无色带刺激性臭味的气体,易溶于水并水解。  Na、K、Ba的氟硅酸盐难溶于水;Li、Ca的氟硅酸盐能溶于水
SiCI4:无色液体,易挥发,有强烈的刺激性。潮湿空气中因水解产生白色烟雾。 Si+2Cl2=SiCl4 SiO2+2C+2Cl2=SiCl4+2CO SiCI4+4H2O=H4SiO4+4HCI
锗、锡、铅
锗，锡，铅单质
Ge:原子晶体，金刚石型晶体结构，比Si活泼，能溶于氧化性酸（浓硫酸，浓硝酸）中得到四价Ge,难溶于NaOH，也不与空气中的氧气，水和非氧化性酸作用，高纯锗也是较好的半导体材料
Sn:灰锡（α）→白锡（β）→脆锡（γ）白锡：有延展性金属，<286K逐步转化为粉末状灰锡而自行毁坏（锡役），马口铁为渡锡薄铁。
Pb:质软，密度大，纯铅在空气中不稳定→Pb(OH)2或pb2(OH)2CO3
与金属单质的反应
Sn+2Cl2SnCl4
Sn+O2SnO2
Ge+2SGeS2
与酸碱的反应
Ge+4HNO3(浓)=GeO2.H2O↓+4NO2↑+H2O
Sn+2HCI(热、浓)=SnCl2+H2↑
3Sn+8HNO3(冷、稀)=3Sn(NO3)2+2NO↑+4H2O
Sn+4HNO3(浓)=H2SnO3(SnO2.H2O)↓+4NO2↑+H2O
Sn+2OH-+4H2O=Sn(OH)62-+2H2↑
Pb+2HCl(aq)=PbCl2+H2↑
Pb+OH-+2H2O=Pb(OH)3-+2H2↑
Pb+4HNO3(浓)=Pb(NO3)2+2NO2↑+2H2O
Pb+3H2SO4(浓)=Pb(HSO4)2+SO2↑+2H2O
锗，锡，铅的化合物
锗，锡，铅的氧化物
Sn的氧化物
SnO:难溶于水的黑色固体，两性
SnO+2HCI=SnCl2+H2O
SnO+2NaOH=Na2SnO2+H2O
SnO2:难溶于水的白色固体，两性偏酸
SnO2+2NaOH(熔融)=Na2SnO3+H2O
Pb的氧化物
PbO(密陀僧）：黄色，难溶于水，两性偏碱，溶于HAc和HNO3→Pb2+
PbO2:暗棕色，难溶于水，两性偏酸，强氧化性
PbO2+4HCI(浓)=PbCl2↓+CI2↑+2H2O
2PbO2+2H2SO4(浓)=2PbSO4↓+O2↑+2H2O
5PbO2+2Mn2++4H+=2MnO4-+5Pb2++2H2O
PbO2+2NaOH=Na2PbO3+H2O
工业上PbO2主要用于制造铅蓄电池（正极）
负：PbSO4+2e-=Pb+SO42-
正：PbO2+SO42-+4H++2e-=PbSO4+2H2O
总反应：PbO2+Pb+2H2SO42PbSO4+2H2O
Pb3O4:(铅丹，红铅），红色粉末
Pb3O4+4HNO3=2Pb(NO3)2+PbO2↓+2H2O
做红色颜料，油漆船舶和桥梁钢架
Pb3O4+8HCI=3PbCI2+CI2+4H2O
Pb3O4+4HI=2PbI2+PbO2+2H2O
Pb3O4+8HI=3PbI2+I2+4H2O
锗，锡，铅的氢氧化物及含氧酸盐
Sn
Sn2++2OH-=Sn(OH)2↓（白，两性）
Sn(OH)2+2H+=Sn2++2H2O
Sn(OH)2+2OH-=Sn(OH)42-
Sn4++4NH3.H2O→ɑ.H2SnO3↓白，俩性偏酸Sn+HNO3(浓)→β.H2SnO3
Ɑ-锡酸，无定型体，易溶于碱和浓盐酸
Sn(OH)4+2OH-=Sn(OH)62-
Sn(OH)4+6HCI=H2[SnCI6]+4H2O
亚锡酸根离子Sn(OH)42-为强还原剂
Bi3+的鉴定反应
3Sn(OH)42-+2Bi3++6OH-=2Bi(黑)+3Sn(OH)62-
Bi(OH)3+CI2+3NaOH=NaBiO3↓+2NaCI+3H2O
2Bi3++3S2-=Bi2S3↓
Pb
Pb2++2OH-=Pb(OH)2↓白色，俩性偏碱
Pb(OH)2+2HNO3=Pb(NO3)2+2H2O
Pb(OH)2+OH-=Pb(OH)3-
Pb(OH)3-+CIO-→PbO2↓+CI-+H2O+OH-
Pb(OH)4↓棕色，俩性，不稳定。
锗，锡，铅氢氧化物的酸碱性

铅的含氧酸盐
易溶盐
Pb(NO3)2,Pb(Ac)2(铅糖，有毒)
难溶盐
PbSO4(白),制白色油漆
pbSO4+H2SO4(热、浓）=pb(HSO4)2
PbSO4+2NH4Ac(饱和)=Pb(Ac)2+(NH4)2SO4
PbSO4+3NaOH(过量、热)=Na[Pb(OH)3]+Na2SO4
PbCrO4黄↓（铬黄颜料的主成分）
Pb2++CrO42-=PbCrO4↓(中性或微酸性中形成)鉴定Pb2+或CrO42-离子
能溶于氢氧化钠及强酸
PbCrO4+3NaOH=Na[Pb(OH)3]+Na2CrO4
2PbCrO4+4HNO3=2Pb(NO3)2+H2Cr2O7+H2O
2CrO42-(黄)+2H+=Cr2O72-(橙红)+H2O S(MCrO4)<S(MCr2O7)
PbCO3↓,白色，有毒，俗名铅白，用于防锈油漆和陶瓷工业
锗，锡，铅的卤化物
Sn的卤化物
SnCI2
2Fe3++Sn2+=2Fe2++Sn4+
2Sn2++O2+4H+=2Sn4++2H2O
2HgCI2+SnCI2=SnCI4+Hg2CI2↓
Hg2CI2+SnCI2=SnCI4+2Hg↓
2HgCI2+SnCI2+2HCI=H2SnCI6+Hg2CI2↓
水解：SnCI2+H2O=Sn(OH)CI↓+HCI
SnCI4
无色液体共价化合物,溶于有机溶剂遇水强烈水解,在潮湿空气中发烟。
SnCI4+2H2O=SnO2+4HCI↑
SnCI4+(x+2)H2O=SnO2.xH2O+4HCI↑
在盐酸中：SnCI4+2HCI=H2SnCI6
Hg2CI2+SnCI2+2HCI=H2SnCI6+2Hg↓
Pb的卤化物
PbCI2
白色↓易溶于沸水和浓盐酸
PbCI2+2HCI=H2[PbCI4]
PbI2
黄色丝状有亮光↓易溶于沸水和KI
PbI2+2KI=K2[PbI4]
PbCl4
低温存在
PbO2+4HCI→(PbCI4)→PbCI2↑+CI2↑
Sn,Pb的硫化物
PbS+4HCI(浓)=H2S↑+H2[PbCI4]
3PbS+8H++2NO3-=3Pb2++3S↓+2NO↑+4H2O
PbS+4H2O2=PbSO4↓+4H2O(油画漂白)

锗、锡、铅的分布
锗Ge 锗石矿Cu2S.FeS.GeS2
锡Sn 锡石矿SnO2
铅Pb 方铅矿PbS,钒铅矿Pb5(VO4)3Cl
无机化合物的水解性
(1)一种阴离子的水解能力,与它的共轭酸的强度成反比。 强酸的阴离子(等)不水解它们对水的pH值无影响。 弱酸的阴离子(等)明显水解,使溶液pH值增大 (2)阳离子的水解能力与离子的极化能力有关,极化力强,水解程度越大。
影响水解的因素
电荷与半径
MA溶于水后能否水解,主要取决于M+或A离子对配位水分子影响的大小 正离子的电荷越高,半径越小,对水分子的极化作用越大,水解越容易 FeCI3+3H2O=Fe(OH)3+3HCI SiCI4+4H2O=H4SiO4+4HCI 低电荷和较大半径的离子在水中不易水解NaCI,BaCI2在水中基本不水解。
电子层结构
[思考题]为何Ca2+、Sr2+、Ba2+不易水解,Zn2+、Cd2+、Hg2+易水解? 18电子离子,有效核电荷高,极化作用强,易使配位水发生分解。8电子离子, 有效核电荷低,半径大,极化作用较弱,不易使配位水发生分解,即不易水解。
空轨道
SiX4+4H2O= H4SiO4+4HX
其他因素（外因）
温度：温度越高水解程度越大
Fe3++H2O=Fe(OH)2++H+
Fe3++3H2OFe(OH)3↓+3H+
酸度
Na2S+2H2O=H2S+2NaOH
SnCl2+H2O→Sn(OH)Cl↓+HCI
盐的浓度：盐溶液浓度越稀，水解程度越大
NaAc:Ac-+H2O=HAc+OH-
水解产物的类型
化合物的水解类型取决于正负离子的水解情况。负离子的水解产物一般为酸或酸式盐，正离子较复杂，常见的有以下类型
碱式盐（最常见类型）
BiCl3+H2O=BiOCl↓+HCI
SnCl2+H2O=Sn(OH)Cl↓+HCl
氢氧化物（常需加热促进水解）
FeCI3++3H2OFe(OH)3↓+3HCI
AICI3+3H2OAI(OH)3↓+3HCI
含氧酸
BCI3+3H2O=H3BO3+3HCI
PCI5+4H2O=H3PO4+5HCI
TiCI4+3H2O=H2TiO3+4HCI
聚合与配合
有些盐发生水解时先生成碱式盐，接着这些碱式盐再聚合为多核阳离子

有时水解产物还可以同未水解的无机物发生配合作用
SiF4+4H2OH4SiO4+4HF
2SiF4+4HF4H++2SiF62-
3SiF4+4H2OH4SiO4+4H++2SiF62-