碳族元素思维导图笔记

《碳族元素》碳族元素原子结构的特点、碳族元素化合价为正四价和正二价，文中有介绍碳族元素的性质及其递变规律还有讲了碳和硅的性质、用途。

碳族元素

• 1. 碳单质及其化合物
  • 碳单质
    • 碳的同素异形体
      • 金刚石
        • 金刚石是典型的原子晶体，属于立方晶系。金刚石的莫氏硬度为10，是硬度最高的物质。金刚石的熔点极高。由于金刚石晶体的每个碳原子都采取sp³杂化，所有价层电子都参与了共价键的形成，晶体中没有离域π电子，所以金刚石不导电
      • 石墨
        • 石墨的莫氏硬度为1，是最软的晶体之一。被大量用来制作电极、电刷、润滑剂、铅笔芯等
        • 石墨晶体具有层状结构，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连接，构成片层结构。每个碳原子均有一个未参与杂化的p电子，形成大π键。这些离域电子使得石墨在层向具有良好的导电性。石墨的层与层之间是以分子间力结合起来的，由于层间的结合力很弱，石墨质软具有润滑性
      • 碳原子簇（其分子式Cₓ中，x一般小于200）
        • C₆₀称为足球烯，富勒烯，C₆₀是碳的一种单质，而不是化合物，不是烯烃
    • 碳单质的还原性
      • 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
  • 碳的含氧化合物
    • 一氧化碳（CO）
      • 甲酸滴加到热的浓硫酸中：HCOOH=CO↑+H₂O 草酸晶体与浓硫酸共热：H₂C₂O₄=CO₂↑+CO↑+H₂O 浓硫酸所起的是脱水作用
      • 煤炉气的体积组成为V（CO）：V（CO₂）：V（N₂）=25：4：70 水煤气的体积组成为V（CO）：V（CO₂）：V（H₂）=40：5：50
      • CO属于还原性气体，它是冶金过程中的还原剂
      • 检验CO：CO气体可以还原溶液中的二氯化钯，使粉红色的溶液变黑：CO+PdCl₂+H₂0=CO₂+2HCl+Pd↓
      • 吸收CO：CuCl在酸性介质中与CO的反应进行得很完全:CO+ CuCl+2H₂0=Cu( CO)Cl·2H₂0
      • 在高温下，CO能与许多过渡金属反应生成金属羰基配位化合物，例如：Fe + 5CO=[Fe(CO)₅]（羰基配位化合物一般是剧毒的）
    • 二氧化碳（CO₂）
      • 在降温或加压时，CO₂较容易变成液体或固体（干冰），干冰可以升华，常用与制冷剂
      • 检验将CO₂气体通入澄清的石灰水中生成碳酸钙，会产生浑浊：CO₂+ Ca(OH)₂=CaCO↓+ H₂O：将CO₂气体通入澄清的石灰水中生成碳酸钙，会产生浑浊：CO₂+ Ca(OH)₂=CaCO↓+ H₂O
      • CO₂分子是直线形的，C原子和O原子之间有双键—σ键和π键（解释了CO₂的非极性和热稳定性）
    • 碳酸及其盐
      • 二氧化碳与水反应生成碳酸（H₂CO₃）。在H₂CO₃分子中，中心碳原子的轨道为 sp² 杂化轨道，与端基氧原子之间成一个σ键和一个π键，与两个羟基氧原子之间各成一个σ键（H₂CO₃分子呈平面三角形）
      • 除Li以外的碱金属的碳酸盐及碳酸铵易溶于水，其他金属的碳酸盐难溶于水
      • 易溶的Na₂CO₃和(NH₄)₂CO₃等，其对应的碳酸氢盐NaHCO₃和NH₄HCO₃的溶解度却相对较小（碳酸氢根之间由于存在氢键而缔合成相对分子质量较大的酸根造成的）（ H+的反极化）
      • 碳酸盐的热稳定性不是很高，低于对应的硫酸盐和硅酸盐。碳酸氢盐的热稳定性低于碳酸正盐，但都比碳酸稳定（离子极化理论）
  • 碳化物
    • 离子型碳化物，与碳原子直接相连的原子属于ⅠA,ⅡA,ⅢA族，不一定有离子键，但有典型的金属原子。离子型碳化物容易发生水解
    • 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（保持金属光泽，硬度和熔点比原来的金属还高）
    • 共价型碳化物的主要特点是高硬度
• 2. 硅单质及其化合物
  • 硅单质
    • 硅单质的性质
      • 自然界中没有单质硅存在，晶体硅呈灰黑色，高熔点，高硬度。硅的所有价层电子参与σ键的形成，所有平常状态下硅不导电
      • 在常温下，单质硅可以与F₂直接化合：Si+2F₂=SiF₄（但只有在加热的条件下它才能与Cl₂化合，与Br₂，I₂化合则需要更高的温度）
      • 硅的表面易形成SiO₂保护膜，在1000℃以上单质硅可以与氮气作用。高温下单质硅也可以与硫、磷、碳等作用（与硼相似，硅的化学也是高温化学）
      • 在常温下，单质硅可以与强碱溶液作用放出氢气：Si+ 40H⁻= SiO₄⁴⁻+ 2H₂↑（但却不能与水、酸作用）
      • 在常温下氢氟酸也不能与单质硅反应，加热或在有氧化剂存在的条件下，氢氟酸可与单质硅反应：3Si+18HF(aq)+4HNO₃(浓)=3H₂[SiF₆]+4NO↑+8H₂0
    • 硅单质的生产和纯化
      • 1、在1800℃的高温下，用碳还原二氧化硅：SiO₂+2C=Si+2CO↑ 2、加热条件下使硅与氯气反应：Si+2Cl₂=SiCl₄ 3、通过精馏提纯SiCl₄，用活泼金属锌或镁还原SiCl₄：SiCl₄+2Zn=Si+2ZnCl₂
      • 在制取单质方面，硼与硅的不同点是，制取硅的原料SiO₂是自然界中大量存在的，而制取硼的原料B₂0₃是经过一系列反应才得到的
  • 硅的含氧化合物
    • 二氧化硅
      • 二氧化硅晶体属于原子晶体，与CO₂的性质大为不同。自然界中的石英就是二氧化硅晶体，它是一种高熔点、高硬度的无色晶体
      • 二氧化硅和硅酸盐等所有的硅的含氧化合物，都以硅氧四面体(SiO₄)作为基本结构单元石英的各种晶型如α-石英、β-石英之间的转化，就是其内部硅氧四面体(SiO₄)排列方式的变化结果。石英玻璃可用来制光学仪器和高级化学器皿
      • 常温下，SiO₂对于盐酸、硫酸及碱液等显惰性，但可以与氢氟酸反应生成SiF₄或H₂[SiF₆]:SiO₂+4HF(aq)=SiF₄↑+ 2H₂0 SiO₂+6HF(aq)=H₂[SiF₆]+2H₂0
      • SiO₂可与热的强碱溶液及熔融的碳酸钠反应，生成可溶性硅酸盐：Si0₂+20H⁻=SiO₃²⁻+H₂0 Si0₂+Na₂CO₃=Na₂SiO₃+CO₂↑
      • Si0₂是硅酸的酸酐，它不溶于水，制取需先得到可溶性硅酸盐，再酸化以生成硅酸向一定浓度的Na₂Si0₃溶液中加酸，当体系的pH降低时，硅氧四面体(Si0₄)单元之间开始缩合，生成硅酸胶体溶液和盐,硅胶属于SiO₂只是内部的硅氧四面体(SiO₄)是杂乱无序的
      • 变色硅胶：将多孔性硅胶用CoCl₂溶液浸泡，干燥活化后制得.无水二氯化钻(CoCl₂)为蓝色，水合二氯化钻(CoCl₂·6H₂0)为红色，所以根据变色硅胶由蓝色逐渐变为红色可以判断硅胶的吸水程度。变色硅胶可以加热脱水再生反复使用。
    • 硅的含氧酸及其盐
      • 可溶性硅的含氧酸盐与酸作用生成硅的含氧酸：SiO₂+4H+ =H₄SiO₄↓（H₄Si0₄是一种比碳酸还弱的酸）
      • 硅的含氧酸可以表示成xSiO₂·yH₂O，即SiO₂的水合物的形式 x=1，y=1则表示硅酸(H₂SiO₃) x=2，y=1则表示焦硅酸(H₂Si₂0₅) x=1，y=2则表示原硅酸(H₄SiO₄) x=2，y=3则表示焦原硅酸(H₆Si₂0₇)
      • 自然界的硅酸盐矿物都是不溶性的。最常见的可溶性硅酸盐——硅酸钠(Na₂SiO₃)是一种玻璃态物质，其水溶液呈黏稠状，称为水玻璃（水玻璃在工业上可用作黏合剂，以及木材、织物的防腐剂）将一些小颗粒的金属盐类加入Na₂SiO₃溶液中，生成难溶性硅酸盐
      • 单聚硅酸根：单个的硅氧四体[自然界中存在的橄榄石(Mg₂SiO₄)就是这种原硅酸盐] 二聚硅酸根：两个硅氧四面体通过共用一个氧原子连接起来[自然界中的抗硅石(Sc₂Si₂0₇)就是这种焦原硅酸盐]
      • 链聚硅酸根：许多硅氧四面体连接成无限长的链，相邻两个硅氧四面体共用一个氧原子，这类硅酸盐具有纤维状结构（自然界中的石棉就具有这种结构）在无限长链聚硅酸根中硅氧原子比为1：3
      • 片层状聚硅酸根：每一个硅氧四面体通过共用3个氧原子分别与邻近3个硅氧四面体连接，形成片层状结构的硅酸根阴离子，片层之间靠与金属阳离子的静电引力结合在一起｛自然界中的云母[KMg₃(OH)₂Si₃Al₁₀就具有这种片层状结构｝无限大片层状硅酸根中硅氧原子比为1：2.5
      • 网络状聚硅酸根：硅氧四面体间通过共用4个氧原子而组成各种各样三维网络结构。这类结构中硅、氧原子比为1：2，最简式为SiO₂（自然界中大量存在沸石就是这种铝硅酸盐）
    • 铝硅酸盐分子筛的合成
      • 分子筛作用：有选择的吸附一定大小的分子
  • 硅的氢化物
    • 硅的氢化物，其化学式符合SiₓH₂ₓ₊₂（x≤6），最具代表性的是甲硅烷（SiH₄）
    • 硅烷的制取
      • 1、用SiO₂和金属Mg为原料制取硅化镁：SiO₂+ 4Mg=Mg₂Si + 2Mg0 2、使硅化镁与盐酸反应，便得到甲硅烷：Mg₂Si + 4HCl(aq)=SiH₄↑ + 2MgCl₂（这样制得的甲硅烷中常含有乙硅烷、丙硅烷等杂质） 3、用强还原剂氢化铝锂在乙醚介质中还原SiCl₄制得高纯度的甲硅烷：SiCl₄+ LiAlH₄=SiH₄↑+ LiCl + AlCl₃
    • 硅烷的性质
      • 甲硅烷（SiH₄）为无色、无臭气体
      • SiH₄的分解温度比甲烷低得多
      • SiH₄的还原性比甲烷强，SiH₄在空气中可以自燃：SiH₄+20₂=SiO₂+ 2H₂0
      • 甲烷不能使KMnO₄溶液褪色，SiH₄可以与KMnO₄溶液反应：SiH₄+ 2KMn0₄(aq)=2Mn0₂↓+K₂SiO₃+ H₂O+H₂
      • SiH₂易发生水解反应：SiH₄+(n+2)H₂O=SiO₂·nH₂O↓+4H₂（SiH₄与硼烷相似，甲烷不发生水解反应）
  • 硅的卤化物
    • 四氯化硅(SiCl₄)是易挥发的无色液体，遇到水甚至潮湿的空气就会发生强烈的水解：SiCl₄+ 4H₂0=H₄SiO₄↓+4HCl↑(SiCl₄之所以发生水解反应，是因为中心Si原子有空3d轨道，当H₂0分子以其具有孤电子对的带有部分负电荷的O原子端与Si原子接近时，可以被接受而形成sp³d杂化的五配位中间体，H和Cl离去，再由sp³d杂化变成sp³杂化，继续取代生成硅酸)
    • SiCl₄可以在加热的条件下由硅和氯气反应制得。还可以由SiO₂氯化制得，将焦炭加到反应物SiO₂和氯气中一起加热：SiO₂+2C+2Cl₂=SiCl₄+CO
      • 热力学上的反应耦合：让一个△rGmθ远小于零的反应与它同时完成，于是整个过程的△rGmθ就可以小于零(不干扰总反去，但使反应正向进行)
    • 四氟化硅(SiF₄)是一种有刺激性臭味的气体，可由Si0₂与氢氟酸作用制得：SiO₂+4HF(aq)= SiF₄↑+2H₂0
    • SiF₄的水解反应与BF₃的水解反应相似：SiF₄+4H₂0=H₄Si0₄↓+ 4HF
    • HF进一步与过量的SiF₄反应得到氟硅酸——一种与H₂SO₄酸性相近的二元酸：SiF₄+2HF=2H⁺+[SiF₆]2⁻
• 3. 锗、锡、铅
  • 锗锡铅单质
    • 锗是灰白色金属，硬度熔点较高，高纯锗是一种良好的半导体材料
    • 锡有两种同素异形体，即灰锡(α型)和白锡(β型)。白锡是银白色的金属，有延展性，可以制成器皿。低于13.2℃时，白锡将慢慢地转变成粉末状的灰锡。锡制品若长期处于低温状态会自行毁坏。这种变化先从某一点开始，然后迅速蔓延，称为锡疫
      • 指定单质：△fHmθ=0，例如，锡（Ge）：白锡；碳（C）：石墨
    • 铅属于软金属，密度很大，熔点较低，平常呈暗灰色，新切开的铅表面有银灰色的金属光泽
    • 与非金属单质的反应
      • 锗、锡、铅单质在一定条件下可以与卤素、氧气及硫等非金属单质直接化合： Sn + 2Cl₂=SnCl₄ Sn+0₂=SnO₂ Ge + 2S=GeS₂ +2氧化数的Sn和Ge不稳定，易被氧化成更高的氧化态 Pb在上述类型的反应中只能被氧化到+2氧化数
      • 锗、锡、铅单质在一定条件下还可以与H₂直接化合：Ge+2H₂=GeH₄ GeH₄是一种无色气体。锡、铅金属性比锗强，故其氢化物稳定性较差
    • 与酸碱的反应
      • 锗的化学性质比硅活泼些，但是仍然不能和稀盐酸、稀硫酸作用。它能溶于浓硝酸等氧化性酸中生成氧化数为+4的Ge0₂·H₂0：Ge+4HNO₃(浓)=GeO₂·H₂0↓+4NO₂↑+H₂0
      • 锗不易溶于NaOH溶液中，但是熔融的苛性碱或碳酸钠能迅速地溶解单质锗，生成碱金属的锗酸盐
      • 锡的金属性比锗强些，可以与非氧化性的酸反应，生成Sn(Ⅱ)，放出氢气。锡在冷的稀盐酸中溶解缓慢，但迅速溶于热的浓盐酸中：Sn+2HCl(浓)= SnCl₂+ H₂↑ 锡可以与极稀的硝酸反应：3Sn+8HNO₃(极稀)=3Sn(NO₃)₂+ 2NO↑+4H₂0
        • 以上反应的产物均为Sn(Ⅱ)。Sn(Ⅱ)的还原性是很强的，如果金属锡与具有氧化性的物质作用，产物则为Sn(Ⅳ)。例如，锡与浓硝酸反应，产物为β-锡酸SnO₂·xH₂0，即水合二氧化锡：3Sn+4HNO₃(浓)=3SnO₂+ 4NO↑+2H₂0
      • 锡与氢氧化钠溶液反应放出氢气：Sn+20H⁻+4H₂0=[Sn(OH)₆]²⁻+2H₂↑
      • 与锡相似，铅与非氧化性的酸反应，产物为Pb(Ⅱ)：Pb+ 2HCl(aq)=PbCl₂+ H₂↑ 但是对于稀盐酸，生成的PbCl₂将附着在Pb的表面，阻止反应持续进行。对于浓盐酸，产物为H₂[PbCl₄]和H₂反应容易进行完全
      • 铅也可以与氢氧化钠溶液作用放出氢气：Pb+ OH⁻+ 2H₂0=[Pb(OH)₃]⁻ + H₂↑ 铅与锗、锡最大的不同点是，氧化性很强的浓硝酸和浓硫酸也不能将金属铅氧化至Pb(Ⅳ)：Pb+4HNO₃(浓)=Pb( NO₃)₂+2NOz₂↑+ 2H₂0 Pb+3H₂SO₄(浓)=Pb(HSO₄)₂+ SO₂↑+2H₂0 Pb(V)有很强的氧化性
  • 锗锡铅的化合物
    • 锗、锡、铅的含氧化合物
      • 诸、锡、铅都有MO和MO₂形式的氧化物。前者偏碱性，后者偏酸性。铅在空气中加热即得黄色的PbO，PbO俗称密陀僧或铅黄
      • 在碱性溶液中用NaClO氧化Pb(Ⅱ)的化合物可得棕黑色的二氧化铅(PbO₂)粉末：[Pb(OH)₃]⁻+Cl0⁻=PbO₂+ Cl⁻+ OH⁻+H₂0
      • PbO₂有相当强的氧化性，可以在酸性介质中将Mn²⁺氧化成MnO₄⁻：5Pb0₂+2Mn²⁺+4H⁺=5Pb²⁺+2MnO₄⁻+2H₂0 也可以将盐酸氧化成 Cl₂：Pb0₂+4HCl(aq)=PbCl₂+Cl₂↑+2H₂0
      • 在一定的条件下，加热PbO₂，除生成PbO外，还可以得到另外两种铅的氧化物：红色的Pb₃0₄(或称为铅丹)，橙色的Pb₂O₃它们可以分别看成2PbO·PbO₂和Pb0·PbO₂。其中的Pb(V)可以通过其强氧化性加以判断，而Pb(Ⅱ)与铬酸根反应将生成黄色的酸铅沉淀：Pb²⁺+CrO₄²⁻=PbCrO₄
      • 传统意义上的氢氧化铅经常是一氧化铅的水合物：将醋酸铅溶液加入NaOH溶液中即可获得白色的3PbO·H₂0结晶。新生成的水合氧化铅沉淀可溶于碱中得Pb(Ⅱ)酸根离子[Pb(OH)₃]
      • +2价锡盐的水解产物为水合氧化锡3SnO·H₂0。3Sn0·H₂O加热脱水得蓝黑色的SnO，金属锡在空气中燃烧可得灰色的SnO₂
      • β-锡酸化学性质不活泼，既不溶于浓盐酸，也不溶于KOH浓溶液中 SnCl₄在碱中水解可得白色胶状沉淀，这就是新生成的α一锡酸，其化学式也可表示为Sn0₂·xH₂0。它与β-锡酸的不同主要在于含水量及表面性质 α-锡酸化学性质活泼，易溶于浓盐酸，也易溶于碱溶液中。把它在母液中静置或加热时就逐渐变成β-锡酸
      • Sn(Ⅱ)的还原性很强。Sn²+作还原剂的典型反应是2HgCl₂+SnCl₂+2HCl(aq)=Hg₂Cl₂↓+H₂SnCl₆ Sn(Ⅱ)过量时，白色的Hg₂Cl₂沉淀将被还原成单质 Hg
      • 在碱中，Sn(Ⅱ)的存在形式为[Sn(OH)₃]⁻，称为亚锡酸根离子，其还原性更强，可以将Bi³⁺还原成黑色的金属Bi：3[Sn(0H)₃]⁻+2Bi³⁺+90H⁻=3[Sn(OH)₆]²⁻+2Bi↓
      • Ge²⁺和HGeO₂⁻的还原性比Sn²⁺和HSnO₂⁻的还原性还强。+2价锗、锡、铅中还原性最弱的当然是Pb(Ⅱ)
      • 在锗、锡、铅的含氧酸或氢氧化物中，H₂GeO₃是酸性最强的，而Pb(OH)₂是碱性最强的。H₂GeO₃的酸性比同族第三周期的硅酸还强些。这是元素周期表中第四周期元素性质反常的一个实例
    • 锗、锡、铅的卤化物
      • 诸、锡、铅的卤化物可以分成二卤化物和四卤化物两大类。由于Pb(Ⅳ)的氧化性很强，所以四碘化铅和四溴化铅不能稳定存在
        • 二氯化锡极易水解而生成碱式盐沉淀：SnCl₂+ H₂0=Sn(OH)Cl↓+H⁺+ Cl⁻ 配制SnCl₂溶液时要用盐酸抑制水解。为防止氯化亚锡被空气氧化，在溶液中应加入金属锡，以便还原生成的Sn(Ⅳ)，保护Sn(Ⅱ)：Sn+ Sn⁴⁺=2Sn²⁺
        • 四氯化锡是无色液体，是典型的共价型化合物。氯气与锡在加热条件下反应可以用来制备SnCl₄：Sn+2Cl₂=SnCl₄（由于SnCl₄极易水解，在潮湿空气中发烟，所以制备过程要严防体系与水接触。不仅反应物Cl₂要严格除水，生成的气态SnCl₄在冷凝和收集过程中也要防止与外界的水汽接触）
      • 铅与氯气反应，Pb0与盐酸反应均可以得到PbCl₂。PbCl₂在冷水中溶解度较小，但易溶于热水中。而且盐酸浓度过大时，PbCl₂将与Cl⁻形成配离子而使PbCl₂溶解：PbCl₂+2Cl⁻=[PbCl₄]²⁻（用Cl⁻不能将Pb²⁺沉淀完全）
    • 锗、锡、铅的硫化物
      • GeS,GeS₂在水中有一定的溶解度，其余的硫化物均需较浓的盐酸才能溶解，如灰色的硫化亚锡(SnS)、黄色的硫化锡(SnS₂)和黑色的硫化铅(PbS)
      • GeS₂和SnS₂等高价硫化物为酸性硫化物，它们均溶NaOH溶液：3SnS₂+ 6NaOH(aq)= Na₂SnO₃+ 2Na₂[SnS₃]+ 3H₂0 也可以与碱性硫化物Na₂S的溶液反应：GeS₂+ Na₂S(aq)=Na₂[GeS₃] SnS₂ + Na₂S(aq)=Na₂[SnS₃] 生成物为硫代酸盐。Na₂[SnS₃]称为硫代锡酸钠，可将其看成是含氧酸盐中的氧被硫取代的产物
      • GeS和SnS属于低价态的硫化物，可以被氧化性的过硫化钠(Na₂S₂)的溶液氧化：SnS + Na₂S₂(aq)=SnS₂+ Na₂S 反应的产物SnS₂和Na₂S可以进一步作用而生成硫代酸盐
      • 所有的硫代酸盐均不稳定，遇酸则生成相应的硫化物沉淀和硫化氢
• 碳（C）硅(Si)锗(Ge)锡(Sn)铅（Pb）