无机化学--碳族元素思维导图

这是一篇关于无机化学--碳族元素思维导图，碳族元素概述、碳族元素的单质、碳的化合物、规律总结、锡、铅的化合物、硅的化合物等。

无机化学——碳族元素思维导图

• 一、碳族元素概述
  • 成员
  • ：C、Si、Ge、Sn、Pb
  • 价电子构型
  • ：ns²np²
  • 氧化态
    • C: -4, +2, +4
    • Si: +4
    • Ge: +2, +4
    • Sn: +2, +4
    • Pb: +2（主）, +4（次）
  • 晶体类型
    • 原子晶体（C、Si、Ge）
    • 金属晶体（Sn、Pb）
• 二、碳族元素的单质
  • 1. 碳的同素异形体
    • 金刚石
      • sp³杂化，原子晶体，硬度最大，熔点最高
    • 石墨
      • sp²杂化，层状结构，导电性良好
    • 富勒烯
    • （C₆₀）：
      • 笼状结构，含12个五元环和20个六元环
      • 键角116°，sp².28杂化
    • 碳纳米管
      • 管状结构，单壁/多壁，直径几纳米
  • 2. 硅的制备与性质
    • 制备
      • SiO₂ + 2C → Si + 2CO（电炉加热）
      • SiH₄热分解（高纯硅）
    • 性质
      • 高温下与O₂、N₂、S等反应
      • 溶于浓碱：Si + 2OH⁻ + H₂O → SiO₃²⁻ + 2H₂↑
  • 3. 锡、铅的单质
    • 锡的同素异形体
      • 灰锡（α-Sn）↔ 白锡（β-Sn）↔ 脆锡
    • 铅的性质
      • 质软，防X射线，用于电缆包皮
• 三、碳的化合物
  • 1. 一氧化碳（CO）
    • 结构
      • 三重键（1σ + 2π），等电子体为N₂
    • 化学性质
      • 还原性：Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
      • 配位性：形成羰基配合物（如Fe(CO)₅）
  • 2. 二氧化碳（CO₂）
    • 结构
      • 直线型，sp杂化，键长116pm
    • 化学性质
      • 与Mg反应：2Mg + CO₂ → 2MgO + C
      • 检测：CO₂ + Ba(OH)₂ → BaCO₃↓ + H₂O
  • 3. 碳酸及其盐
    • 碳酸的离解
      • H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻（Kₐ¹=4.2×10⁻⁷）
      • HCO₃⁻ ⇌ H⁺ + CO₃²⁻（Kₐ²=4.7×10⁻¹¹）
    • 碳酸盐热稳定性
      • 规律：H₂CO₃ < MHCO₃ < M₂CO₃
      • 阳离子极化能力越强，碳酸盐越不稳定（如ZnCO₃分解温度350℃）
  • 4. 碳的卤化物
    • CCl₄
      • 非极性溶剂，灭火剂
      • 制备：3Cl₂ + CS₂ → CCl₄ + S₂Cl₂
    • CFCl₃（氟利昂）
      • 破坏臭氧层：CFCl₃ → CF₃ + Cl（催化O₃分解）
• 四、硅的化合物
  • 1. 二氧化硅（SiO₂）
    • 结构
      • 硅氧四面体（sp³杂化），原子晶体
    • 化学性质
      • 与碱反应：SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O
      • 与HF反应：SiO₂ + 4HF → SiF₄↑ + 2H₂O
  • 2. 硅酸及硅酸盐
    • 硅酸
      • 胶状沉淀（H₂SiO₃），脱水形成硅胶（吸湿剂）
    • 硅酸盐结构
      • 骨架结构（如沸石、分子筛）
      • 分子筛应用：吸附剂、催化剂载体
  • 3. 硅的卤化物（SiX₄）
    • 水解反应
      • SiCl₄ + 4H₂O → H₄SiO₄ + 4HCl
      • SiF₄ + 2HF → H₂[SiF₆]（氟硅酸）
• 五、锡、铅的化合物
  • 1. 氢氧化物与氧化还原性
    • Sn(II)的还原性
      • 2HgCl₂ + Sn²⁺ → Hg₂Cl₂↓（白） → Hg↓（黑）
      • 鉴定Bi³⁺：2Bi(OH)₃ + 3Sn(OH)₄²⁻ → 2Bi↓ + 3Sn(OH)₆²⁻
    • Pb(IV)的氧化性
      • PbO₂ + 4HCl（浓） → PbCl₂ + Cl₂↑ + 2H₂O
  • 2. 氧化物与铅酸蓄电池
    • 铅酸蓄电池反应
      • 负极：Pb + HSO₄⁻ → PbSO₄ + H⁺ + 2e⁻
      • 正极：PbO₂ + 3H⁺ + HSO₄⁻ + 2e⁻ → PbSO₄ + 2H₂O
      • 总反应：Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ ⇌ 2PbSO₄ + 2H₂O
  • 3. 硫化物与溶解性
    • SnS₂的溶解
      • 碱溶：3SnS₂ + 6OH⁻ → SnO₃²⁻ + 2SnS₃²⁻ + 3H₂O
      • 酸溶：SnS₂ + 6HCl → H₂SnCl₆ + 2H₂S↑
• 六、规律总结
  • 酸碱性递变
    • 从C到Pb，高价态酸性增强，低价态碱性增强
  • 氧化还原性
    • Sn(II)强还原性，Pb(IV)强氧化性（惰性电子对效应）