第十一章第十一章 氮族氮族、碳族和硼族元素碳族和硼族元素碳族元素碳族元素12-2-1 碳族元素概述碳族元素概述0AAA A A He 氦氦2 B 硼硼 C 碳碳 N 氮氮 O 氧氧 F 氟氟 Ne 氖氖3 Al 铝铝 Si 硅硅 P 磷磷 S 硫硫 Cl 氯氯 Ar 氩氩4 Ga 镓镓 Ge 锗锗 As 砷砷 Se 硒硒 Br 溴溴 Kr 氪氪5 In 铟铟 Sn 锡锡 Sb 锑锑 Te 碲碲 I 碘碘 Xe 氙氙6 Tl 铊铊 Pb 铅铅 Bi 铋铋 Po At 砹砹Rn 氡氡1 1 碳族元素概述碳族元素概述A碳碳(C) 硅硅(Si) 锗锗(Ge) 锡锡(Sn) 铅铅(Pb)原子序数原子序数614325082价层电子构型价层电子构型 2s22p23s23p24s24p25s25p26s26p2主要氧化数主要氧化数0、+2 +40、+2 +40、(+2) +40、+2 +40、+2 +4原子半径原子半径/pm77117122141175离离子子半半径径r(M4+)/pm1640536978r(M2+)/pm-73118119I1/(kJmol-1) 1086786763709716电负性电负性( )2.51.81.81.81.9 p 含量不多，分布广，含量不多，分布广， 是地球上是地球上化合物种化合物种类最多的元素之一，最多的元素之一， 是生物界的主要元素是生物界的主要元素碳碳(C)分布广，在地壳上的含量分布广，在地壳上的含量仅次次于氧，主要以硅酸于氧，主要以硅酸盐矿和石英和石英矿存在存在常以硫化物伴生在其它金属硫常以硫化物伴生在其它金属硫化物化物矿中，是暗灰色、重而中，是暗灰色、重而软的金属，晶的金属，晶态锗是重是重 要的半要的半导体材料体材料硅硅(Si)锗锗(Ge)A碳碳(C) 硅硅(Si) 锗锗(Ge) 锡锡(Sn) 铅铅(Pb)主要氧化数主要氧化数0、+2 +40、+2 +40、(+2) +40、+2 +40、+2 +4原子半径原子半径/pm77117122141175离离子子半半径径r(M4+)/pm1640536978r(M2+)/pm-73118119高氧化数化合物高氧化数化合物稳定性减小定性减小 低氧化数化合物低氧化数化合物稳定性增大定性增大 即即惰性惰性电子子对效效应非金属性减弱，金属性增非金属性减弱，金属性增强典型非金属典型非金属 准金属准金属 典型金属典型金属12-2-2碳及其重要化合物碳的同素异形体碳的同素异形体金金刚石石 石墨石墨 富勒富勒烯碳原子簇碳原子簇 （如（如C60）2 2 碳及其重要化合物碳及其重要化合物碳的同素异形体碳的同素异形体原子晶体原子晶体熔点高、硬度大熔点高、硬度大 室温下惰性室温下惰性工工业上用作上用作钻头、刀具刀具、精密精密轴承等承等 俗称俗称钻石，可作装石，可作装饰品品薄膜可制作手薄膜可制作手术刀、刀、集成集成电路、散路、散热芯芯片及各种敏感器件片及各种敏感器件金金刚石石碳的同素异形体碳的同素异形体层层状状状状结结构构构构有金属光有金属光泽 质软、能、能导电通常情况下，石墨通常情况下，石墨比金比金刚石石稳定定可作可作电极、坩极、坩埚、润滑滑剂、铅笔芯等笔芯等在工在工业上可采用静上可采用静态加加压法由石墨合法由石墨合成金成金刚石石石墨石墨碳的同素异形体碳的同素异形体C C6060的分子的分子的分子的分子结结构构构构由由60个碳原子个碳原子组成的成的32面体面体的空心球的空心球结构构C60比比较稳定。定。富勒富勒烯碳原子簇可作碳原子簇可作高温高温润滑滑剂、耐、耐热和和防火材料。防火材料。富勒富勒烯碳原子簇碳原子簇将碱金属将碱金属掺入入C60晶体晶体中中,可制造超可制造超导材料。材料。在在酶抑制抑制、抗病毒抗病毒、DNA切割切割、光光动力医力医疗法等方面有广泛法等方面有广泛应用用前景前景 12-2-2 12-2-2 碳及其重要化合物碳及其重要化合物碳酸碳酸CO2溶于水即形成碳酸溶于水即形成碳酸仅存在于水溶液中，至今尚未制存在于水溶液中，至今尚未制得得纯碳酸碳酸二元弱酸二元弱酸CO2 + H2O H2CO3 大部分大部分CO2以水合分子形式存在以水合分子形式存在H2CO3 HCO3 + +H+ + K K =4=4.5 51010-7-7* * a(1)HCO3 CO3 + + H+ + K K =4=4.7 71010-11-11a(2)-2-碳酸碳酸盐难溶碳酸溶碳酸盐对应的碳酸的碳酸氢盐易溶易溶如如 CaCO3(难溶）溶） Ca(HCO3)2(易溶易溶)(1)溶解性溶解性12-2-2 12-2-2 碳及其重要化合物碳及其重要化合物碳酸碳酸盐除除NH4 、碱金属碱金属(Li除外除外)盐， 一般一般难溶溶 碳酸碳酸氢盐一般易溶一般易溶+钟乳石、石笋的形成乳石、石笋的形成自然界石灰石等在自然界石灰石等在CO2、H2O作用下作用下 CaCO3+ CO2+H2O Ca(HCO3)2 (难溶溶) (易溶易溶) 随着自然条件的随着自然条件的变化，化， 上述反上述反应逆向重新析出逆向重新析出CaCO3 碳酸碳酸盐难溶碳酸溶碳酸盐对应的碳酸的碳酸氢盐易溶易溶如如 CaCO3(难溶）溶） Ca(HCO3)2(难溶溶)(1)溶解性溶解性易溶碳酸易溶碳酸盐对应的碳酸的碳酸氢盐溶解度溶解度较小小12-2-2 12-2-2 碳及其重要化合物碳及其重要化合物碳酸碳酸盐除除NH4 、碱金属碱金属(Li除外除外)盐， 一般一般难溶溶 碳酸碳酸氢盐一般易溶一般易溶+向向浓碳酸碳酸钠溶液中通入溶液中通入CO2至至饱和和 可析出可析出NaHCO3 Na2CO3+ CO2+H2O 2NaHCO3 (易溶易溶) (溶解度小溶解度小) 如如碳酸碳酸盐碳酸碳酸盐水溶液呈碱性水溶液呈碱性 碳酸碳酸氢盐水溶液呈微碱性水溶液呈微碱性(2)水解性水解性可溶性碳酸可溶性碳酸盐可作沉淀可作沉淀剂,分离某些离子分离某些离子碳酸碳酸盐碱式碳酸碱式碳酸盐氢氧化物氧化物生成物生成物反反应物物 金属金属氢氧化物氧化物对应碳酸碳酸盐金属金属氢氧化物氧化物对应碳酸碳酸盐BaBa2+2+ CO+ CO3 3 BaCOBaCO3 3 2Ag2Ag+ + CO+ CO3 3 AgAg2 2COCO3 3如如2-2-2Cu2Cu2+2+ + 2CO2CO3 3 +H+H2 2O OCuCu2 2(OHOH)2 2COCO3 3 + + COCO2 2 2Mg2Mg2+2+ + 2CO2CO3 3 +H+H2 2O OMgMg2 2(OHOH)2 2COCO3 3 + + COCO2 2如如2-2-2Fe2Fe3+3+ 3CO+ 3CO3 3 +3H+3H2 2O O2Fe(OH)2Fe(OH)3 3 +3CO+3CO2 2 2Al2Al3+3+ 3CO+ 3CO3 3 +3H+3H2 2O O2Al(OH)2Al(OH)3 3 +3CO+3CO2 22-2-如如解解释根据离子极化概念根据离子极化概念2.热稳定性定性1.碱金属碱金属盐碱土金属碱土金属盐过渡金属渡金属盐铵盐2.碳酸碳酸盐碳酸碳酸氢盐碳酸碳酸一般一般规律律:热稳定性定性热稳定性差，易分解定性差，易分解 MCO3 MO + CO2 2MHCO3 M2CO3 + H2O+CO2(3)热稳定性定性金属离子极化力增大金属离子极化力增大+_+_+_+_+_+_+_+_+_解解释根据离子极化概念根据离子极化概念2.热稳定性定性(1)碱金属碱金属盐碱土金属碱土金属盐过渡金属渡金属盐铵盐(2)碳酸碳酸盐碳酸碳酸氢盐碳酸碳酸一般一般规律律热稳定性差，易分解定性差，易分解 MCO3 MO + CO2 MHCO3 M2CO3 + H2O+CO2H+极化力极化力强，反极化作用大，反极化作用大3.热稳定性定性金属离子极化力增大金属离子极化力增大+_+_+_+_+_+_+_+_+_1.当无外当无外电场时，CO3 中三个中三个O2-被被C4+极极 化而化而变形形 2.金属离子相当于外金属离子相当于外电场，对邻近的一个近的一个 O2-产生反极化作用生反极化作用.当反极化作用当反极化作用强烈烈, 可可导致致CO3 破裂，碳酸破裂，碳酸盐分解分解 3.金属离子的极化力越金属离子的极化力越强，其反极化作用，其反极化作用 越越强，碳酸，碳酸盐越不越不稳定定2-2-Mn+Li+Na+Mg2+Ca2+Sr2+Ba2+r(Mn+)/pm60956599113 135Mn+电子构型电子构型 288888分解温度分解温度/11001800 402 814 109812771. 碱金属碳酸碱金属碳酸盐稳定，定，难分解分解电荷少荷少,半径大半径大 8电子构型子构型 极化力小极化力小 反极化作用小反极化作用小 碳酸碳酸盐稳定定(3)热稳定性定性金属离子极化力增大金属离子极化力增大+_+_+_+_+_+_+_+_+_Mn+Li+Na+Mg2+Ca2+Sr2+Ba2+r(Mn+)/pm60956599113 135Mn+电子构型电子构型 288888分解温度分解温度/11001800 402 814 109812772.碳酸碳酸盐:碱土金属比碱金属不碱土金属比碱金属不稳定定金属离子极化力增大金属离子极化力增大+_+_+_+_+_+_+_+_+_同同 一一 周周 期期电荷电荷 半径半径 反极化作用反极化作用 稳定性稳定性碱金属碱金属 碱土金属碱土金属(3)热稳定性定性Mn+Li+Na+Mg2+Ca2+Sr2+Ba2+r(Mn+)/pm60956599113 135Mn+电子构型电子构型 288888分解温度分解温度/11001800 402 814 109812773. 碱土金属碳酸碱土金属碳酸盐从从Mg到到Ba稳定性增定性增强半径半径 ,反极化作用反极化作用金属离子极化力增大金属离子极化力增大+_+_+_+_+_+_+_+_+_Mn+Fe2+Cd2+Pb2+Ag+r(Mn+)/pm7497120126Mn+电子构型电子构型 9 17 1818+218分解温度分解温度/2823603152184. 过渡金属碳酸渡金属碳酸盐稳定性定性较差差金属离子极化力增大金属离子极化力增大+_+_+_+_+_+_+_+_+_过渡金属离子具有非渡金属离子具有非8电子构型子构型,极化力极化力强,反极化作用反极化作用强(3)热稳定性定性Ba(OH)2BaCO3 (白色白色)CO3 + 2H+ CO2 + H2O 2-(稀稀HCl或或H2SO4)(4) CO3 的的鉴定定2-12-3-3碳化硼和碳化硅12-2-3 碳化硼和碳化硅碳化硼和碳化硅碳化硼碳化硼(B4C) 用焦炭和氧化硼在用焦炭和氧化硼在电炉中反炉中反应制得制得2B2O3 + 7C B4C + 6CO有光有光泽的黑色晶体的黑色晶体难熔，硬度大，是重要的工熔，硬度大，是重要的工业磨料磨料12-2-3 碳化硼和碳化硅碳化硼和碳化硅碳化硅碳化硅(SiC) 用石英和焦碳在用石英和焦碳在电炉中反炉中反应制得制得SiO2 + 3C SiC + 2CO俗称金俗称金刚砂砂熔点高，硬度大，可用作工熔点高，硬度大，可用作工业磨料磨料化学化学稳定性和定性和热稳定性好，机械定性好，机械强度大，度大，热膨膨胀率低，可做高温率低，可做高温结构构陶瓷材料陶瓷材料12-3-4硅及其重要化合物12-2-4 12-2-4 硅及其重要化合物硅及其重要化合物卤化物化物通式通式为SiX4,均均为无色无色常温常温 SiF4 SiCl4 SiBr4 SiI4 气体气体 液体液体 液体液体 固体固体 制取制取 2CaF2+SiO2+2H2SO4 2CaSO4+SiF4 +2H2O 硫酸与硫酸与萤石和石英砂的混合物作用石和石英砂的混合物作用卤化物化物通式通式为SiX4,均均为无色无色常温常温 SiF4 SiCl4 SiBr4 SiI4 气体气体 液体液体 液体液体 固体固体 性性质1.与与HF作用作用 2HF+SiF4 H2SiF62.纯氟硅酸不存在氟硅酸不存在, 在水溶液中在水溶液中稳定定 3.氟硅酸的酸性与硫酸相近氟硅酸的酸性与硫酸相近重要重要盐(Na2SiF6) 是是农业杀虫、虫、灭菌菌剂、木材防腐木材防腐剂 可用于制造抗酸水泥、搪瓷等可用于制造抗酸水泥、搪瓷等12-2-4 12-2-4 硅及其重要化合物硅及其重要化合物卤化物化物通式通式为SiX4,均均为无色无色常温常温 SiF4 SiCl4 SiBr4 SiI4 气体气体 液体液体 液体液体 固体固体 制取制取1.加加热硅与硅与氯 Si + 2Cl2 SiCl4 2.将二氧化硅、将二氧化硅、氯、碳直接加、碳直接加热 SiO2+2C+2Cl2 SiCl4+ 2CO 12-2-4 12-2-4 硅及其重要化合物硅及其重要化合物卤化物化物通式通式为SiX4,均均为无色无色常温常温 SiF4 SiCl4 SiBr4 SiI4 气体气体 液体液体 液体液体 固体固体 性性质1.刺激性无色液体刺激性无色液体 12-2-4 12-2-4 硅及其重要化合物硅及其重要化合物 2.易水解，在潮湿空气中易水解，在潮湿空气中产生生浓烟烟 SiCl4+3H2O H2SiO3 +4HCl 若若NH3与与SiCl4同同时蒸蒸发， 因生成因生成NH4Cl，烟烟雾更更浓二氧化硅二氧化硅(硅石硅石)有两种形有两种形态无定形无定形晶体晶体 如如 硅藻土硅藻土 石英石英12-2-4 12-2-4 硅及其重要化合物硅及其重要化合物水晶水晶无色透明的无色透明的纯石英石英紫水晶紫水晶(含少量含少量Mn)烟水晶烟水晶 碧玉碧玉玛瑙瑙鸡血石血石蛋白石蛋白石(猫眼石猫眼石)图像像二氧化硅二氧化硅(硅石硅石)有两种形有两种形态无定形无定形晶体晶体 如如 硅藻土硅藻土 石英石英石英在石英在1600时熔化成粘稠液体，熔化成粘稠液体，其内部其内部结构构变为不不规则状状态，若急，若急剧冷却，因粘度大不易再冷却，因粘度大不易再结晶而形晶而形成石英玻璃成石英玻璃 石英玻璃具有石英玻璃具有许多特性多特性1.热膨膨胀系数小，能透系数小，能透过可可见光和紫外光和紫外 光，可制造高光，可制造高级化学器皿和光学化学器皿和光学仪器器2.制光制光导纤维12-2-4 12-2-4 硅及其重要化合物硅及其重要化合物二氧化硅二氧化硅(硅石硅石)有两种形有两种形态无定形无定形晶体晶体 如如 硅藻土硅藻土 石英石英与一般酸不起反与一般酸不起反应，与，与氢氟酸反氟酸反应SiO2 + 4HF SiF4 + 2H2OSiO2 + Na2CO3 Na2SiO3+ CO2 与与氢氧化氧化钠或或纯碱共熔碱共熔 SiO2 + 2NaOH Na2SiO3+H2O12-2-4 12-2-4 硅及其重要化合物硅及其重要化合物硅酸硅酸形式很多形式很多，组成常以成常以xSiO2yH2O表示表示 随形成条件而异随形成条件而异 硅酸名称硅酸名称 化学式化学式x y备备 注注正硅酸正硅酸H4SiO41 2偏硅酸偏硅酸H2SiO31 1二偏硅酸二偏硅酸H2Si2O52 1x2 多硅酸多硅酸三偏硅酸三偏硅酸H4Si3O83 2焦硅酸焦硅酸H6Si2O72 3通常以通常以H2SiO3表示表示 12-2-4 12-2-4 硅及其重要化合物硅及其重要化合物二元弱酸二元弱酸 开始生成可溶于水的开始生成可溶于水的单硅酸硅酸 以后逐步以后逐步缩合脱水成硅酸溶胶合脱水成硅酸溶胶 H2SiO3 HSiO3 + +H+ + K K =2.510-10 a(1)HSiO3 SiO3 + + H+ + K K =1.610-12a(2)-2- OH OH OH OH OH OH OH OH OH Si OH+OH Si OH HO Si O Si OH+HOH Si OH+OH Si OH HO Si O Si OH+H2 2O O OH OH OH OH OH OH OH OH溶解度小溶解度小 SiO3 + 2+ 2H+ + H2SiO3 2-硅酸硅酸12-2-4 12-2-4 硅及其重要化合物硅及其重要化合物溶液溶液 溶胶溶胶悬浮液悬浮液颗粒大小颗粒大小/pm105分散相分散相 分散介质分散介质溶胶溶胶固固 水水凝胶凝胶 水水固固硅酸硅酸12-2-4 12-2-4 硅及其重要化合物硅及其重要化合物在稀硅酸溶胶中加入在稀硅酸溶胶中加入电解解质 在适当在适当浓度硅酸度硅酸盐溶液中加酸溶液中加酸 凝胶凝胶 演示演示溶液溶液 溶胶溶胶悬浮液悬浮液颗粒大小颗粒大小/pm105分散相分散相 分散介质分散介质溶胶溶胶固固 水水凝胶凝胶 水水固固硅酸硅酸12-2-4 12-2-4 硅及其重要化合物硅及其重要化合物在稀硅酸溶胶中加入在稀硅酸溶胶中加入电解解质 在适当在适当浓度硅酸度硅酸盐溶液中加酸溶液中加酸 凝胶凝胶 演示演示硅酸硅酸盐*制取：制取：SiO2与碱性氧化物共熔与碱性氧化物共熔 SiO2+ M2O M2SiO3SiO2+ 2M2O M4SiO4性性质：1.除碱金属硅酸除碱金属硅酸盐外，一般外，一般难溶溶 过渡金属硅酸渡金属硅酸盐难溶于水溶于水,并具有特征并具有特征颜色色 CuSiO3 蓝绿色色 MnSiO3浅浅红色色 NiSiO3 翠翠绿色色 Al2(SiO3)3无色透明无色透明 CoSiO3 紫色紫色 Fe2(SiO3)3红棕色棕色 硅花园硅花园“水中花园水中花园” (演示演示)制取：制取：SiO2与碱性氧化物共熔与碱性氧化物共熔 性性质：1.除碱金属硅酸除碱金属硅酸盐外，一般外，一般难溶溶 2.硅酸硅酸钠强烈水解烈水解,水溶液呈碱性水溶液呈碱性 硅酸硅酸钠水溶液俗称水玻璃水溶液俗称水玻璃,又称又称“泡花碱泡花碱” 市售水玻璃市售水玻璃为粘稠状液体粘稠状液体 M(Na2O):M(SiO2)=1:3.3SiO3 的的鉴定定加入加入NH4Cl 2-2NH3 +2H2OSiO3 +2NH4 +2H2O H2SiO3 +2NH3H2O2-+硅酸硅酸盐*碳酸解离常数的计算碳酸解离常数的计算碳酸解离常数的碳酸解离常数的计算算以上的解离常数以上的解离常数值是按是按 溶于水的溶于水的CO2全部全部转为H2CO3 计算的算的 实际大部分大部分 CO2以水合分子以水合分子(CO2H2O)形式存在形式存在H2CO3 HCO3 + +H+ + K K =4.510-7 a(1)HCO3 CO3 + + H+ + K K =4.710-11a(2)-2-碳酸解离常数的碳酸解离常数的计算算(1)(1) CO2+H2O H2CO3=1.710-3K K 1k2(逆逆) 2.210-4K K= = =4.3107k2(正正) 9.4103 2(2)(2) CO2+ OH- - HCO3 k2(正正)k2(逆逆)-碳酸解离常数的碳酸解离常数的计算算(1)(1) CO2+H2O H2CO3=1.710-3K K 1K2=4.3107(2)(2) CO2+OH- - HCO3 -K K K K 1 2 (1)-(2)得得 HCO3 +H2O H2CO3+OH- - K3= = =4.010-11 1.710-3 4.3107 -a(1) K K =2.510-4 K3 = c(H2CO3)/c c(OH- -)/c c(H+ +)/c c(HCO3)/c c(H+ +)/c K K a(1) K K a(1) K Kw w 1.010-14= =4.010-11碳酸解离常数的碳酸解离常数的计算算a(1) K K =2.510-4 即即 H2CO3 H+ + +HCO3 -K2=4.3107(2)(2) CO2+OH- - HCO3 -(1)(1) CO2+H2O H2CO3=1.710-3K K 1碳酸解离常数的碳酸解离常数的计算算返回返回a(1)K =2.510-4 a(1)K 为H2CO3真正的真正的K a(1)a(1)K 即即为一般一般书所指的所指的Ka(1)K =K1K =(1.710-3)(2.510-4)=4.210-7 a(1)(1)+(3) (1)+(3) CO2+ H2O H+ HCO3 -(3)(3) H2CO3 H+ + +HCO3 - -(1)(1) CO2+H2O H2CO3=1.710-3K K 1K2=4.3107(2)(2) CO2+OH- - HCO3 -硅酸盐硅酸盐硅酸硅酸盐玻璃、水泥、陶瓷都含有硅酸玻璃、水泥、陶瓷都含有硅酸盐 普通玻璃普通玻璃组成：成：Na2SiO3CaSiO34SiO2 加入不同的氧化物可呈加入不同的氧化物可呈现不同不同颜色色加入氧化物加入氧化物玻璃颜色玻璃颜色氧化钴氧化钴蓝色蓝色氧化铈氧化铈浅红色浅红色Fe2O3黄色黄色市市场出售的玉出售的玉(即翡翠即翡翠)为:NaAl(SiO3)2天然硅酸盐天然硅酸盐天然硅酸天然硅酸盐种种类繁多、繁多、结构复构复杂，通常，通常视为SiO2 和金属氧化物相和金属氧化物相结合的化合物合的化合物名称名称组成组成正长石正长石K2OAl2O36SiO2白云石白云石K2O3Al2O36SiO22H2O 泡沸石泡沸石 Na2OAl2O32SiO2nH2O高岭土高岭土Al2O32SiO22H2O 石棉石棉CaO3MgO4SiO2滑石滑石3MgO4SiO2H2O 分子筛分子筛分子分子筛起起“筛选”作用作用能能让气体或液体混合物中直径比孔径气体或液体混合物中直径比孔径 小的分子通小的分子通过，直径大的留在外面，直径大的留在外面分子分子筛的通式：的通式： Mx/n(AlO2)x(SiO)ymH2O M 金属阳离子金属阳离子,一般一般为Na+、K+、Ca2+ n 金属阳离子金属阳离子电荷数荷数 x/n 金属阳离子个数金属阳离子个数 泡沸石是一种天然分子泡沸石是一种天然分子筛 _人工合成分子人工合成分子筛以以氢氧化氧化钠、铝酸酸钠、水玻璃、水玻璃为原料原料型号型号组成组成4A型型Na12Al12Si12O4827H2O13X型型Na86Al86Si106O384264H2OY型型Na56Al56Si136O384250H2O丝光沸石型丝光沸石型Na8Al8Si40O9624H2OA型多用于气体的干燥、吸收和型多用于气体的干燥、吸收和净化分离化分离X型和型和Y型：用于石油型：用于石油产品的催化裂化、品的催化裂化、 催化加催化加氢、催化、催化剂的的载体体丝光沸石型：耐酸、耐光沸石型：耐酸、耐热， 可在高温、可在高温、强酸介酸介质中使用中使用返回返回人工合成分子人工合成分子筛以以氢氧化氧化钠、铝酸酸钠、水玻璃、水玻璃为原料原料型号型号组成组成4A型型Na12Al12Si12O4827H2O13X型型Na86Al86Si106O384264H2OY型型Na56Al56Si136O384250H2O丝光沸石型丝光沸石型Na8Al8Si40O9624H2OA型多用于气体的干燥、吸收和型多用于气体的干燥、吸收和净化分离化分离X型和型和Y型：用于石油型：用于石油产品的催化裂化、品的催化裂化、 催化加催化加氢、催化、催化剂的的载体体丝光沸石型：耐酸、耐光沸石型：耐酸、耐热， 可在高温、可在高温、强酸介酸介质中使用中使用返回返回第三节硼族元素硼族元素第十二章第十二章 氮族氮族、碳族和硼族元素碳族和硼族元素无机化学多媒体无机化学多媒体电子教案子教案第三节第三节 硼族元素硼族元素12-3-1 硼族元素概述硼族元素概述0AAA A A He 氦氦2 B 硼硼 C 碳碳 N 氮氮 O 氧氧 F 氟氟 Ne 氖氖3 Al 铝铝 Si 硅硅 P 磷磷 S 硫硫 Cl 氯氯 Ar 氩氩4 Ga 镓镓 Ge 锗锗 As 砷砷 Se 硒硒 Br 溴溴 Kr 氪氪5 In 铟铟 Sn 锡锡 Sb 锑锑 Te 碲碲 I 碘碘 Xe 氙氙6 Tl 铊铊 Pb 铅铅 Bi 铋铋 Po At 砹砹Rn 氡氡有有时称称为土族元素，其中土族元素，其中Al2O3为黏土的主黏土的主要成分，既要成分，既难溶又溶又难熔熔1.81.71.61.52.0电负性性( )589558579578801I1/(kJmol-1) 88.680625027离子半径离子半径 r(M3+)/pm17016312214388原子半径原子半径/pm0、+1 (+3)0、+1 +30、+1 +30、+3 0、+3 主要氧化数主要氧化数6s26p15s25p14s24p13s23p12s22p1价价层电子构型子构型814931135原子序数原子序数铊(Tl)铟(In)镓(Ga)铝(Al)硼硼(B)A p 与其它金属可制低熔合金与其它金属可制低熔合金 如含如含25%In的的Ga合金合金 可用于自可用于自动灭火装置火装置Tl及其化合物均有毒及其化合物均有毒 误食少量食少量铊盐可使毛可使毛发脱落脱落12-3-1 硼族元素概述硼族元素概述 是地壳中是地壳中蕴藏最丰富的金属元素，藏最丰富的金属元素， 主要以主要以铝矾土土矿(Al2O3xH2O)存在存在 铝是是银白色、有光白色、有光泽的的轻金属金属 具有良好的具有良好的导电性和延展性性和延展性 广泛用来作广泛用来作导线、结构材料和器皿构材料和器皿 铝合金合金质轻又硬，用于又硬，用于飞机制造机制造 自然界没有游离硼，自然界没有游离硼， 主要主要矿有有: 硼砂硼砂矿(Na2B4O710H2O)、 硼硼镁矿(Mg2B2O5H2O)、 方硼方硼矿(2Mg3B8O15MgCl2)熔点比人的体温熔点比人的体温还低低(30左右左右) 液液态镓的熔点、沸点相差大，的熔点、沸点相差大， 可作高温温度可作高温温度计，与其它金属，与其它金属 可制低熔合金可制低熔合金 在自然界没有独立的在自然界没有独立的矿物，分散在物，分散在其它其它矿物中物中, 都是都是软金属金属, 可用于生可用于生产新型半新型半导体材料体材料 1.81.71.61.52.0电负性性( )589558579578801I1/(kJmol-1) 88.680625027离子半径离子半径 r(M3+)/pm17016312214388原子半径原子半径/pm0、+1 (+3)0、+1 +30、+1 +30、+3 0、+3 主要氧化数主要氧化数6s26p15s25p14s24p13s23p12s22p1价价层电子构型子构型814931135原子序数原子序数铊(Tl)铟(In)镓(Ga)铝(Al)硼硼(B)A p 价电子数价电子数价层电子轨道数价层电子轨道数为缺电子原子，可为缺电子原子，可形成缺电子化合物形成缺电子化合物34缺缺电子原子子原子 可形成配位可形成配位键 (如如HBF4 4) 多中心多中心键(如如B2 2H6 6)12-3-1 硼族元素概述硼族元素概述N、O、XC、Si、HB、Al举例例有孤有孤电子子对 有空有空轨道道特特点点 多多电子原子子原子价价层电子子轨道数道数 价价电子数子数等等电子原子子原子缺缺电子原子子原子原原子子1.81.71.61.52.0电负性性( )589558579578801I1/(kJmol-1) 88.680625027离子半径离子半径 r(M3+)/pm17016312214388原子半径原子半径/pm0、+1 (+3)0、+1 +30、+1 +30、+3 0、+3 主要氧化数主要氧化数6s26p15s25p14s24p13s23p12s22p1价价层电子构型子构型814931135原子序数原子序数铊(Tl)铟(In)镓(Ga)铝(Al)硼硼(B)A p 氧化数氧化数+3化合物化合物稳定性降低定性降低氧化数氧化数+1化合物化合物稳定性增加定性增加 即即惰性惰性电子子对效效应明明显12-3-1 硼族元素概述硼族元素概述12-3-2 硼的氢化物硼的氢化物12-3-2 硼的氢化物硼的氢化物硼硼氢化合物性化合物性质与碳的与碳的氢化物化物(烷烃)、硅的硅的氢化物化物(硅硅烷)相似，所以硼的相似，所以硼的氢化化物称物称为硼硼烷类型型B5H11(戊硼戊硼烷-11)B5H9(戊硼戊硼烷-9)B4H10(丁硼丁硼烷-10)BnHn+6B2H6(乙硼乙硼烷)举例例BnHn+4通式通式 由于硼由于硼烷及其衍生物的特及其衍生物的特殊殊结构、性构、性质和用途，使硼和用途，使硼烷及其有关的碳硼及其有关的碳硼烷化学成化学成为目前无机化学主要目前无机化学主要发展展领域之一域之一乙硼乙硼烷结构构两个两个3c-2e键 四个四个B-H 2c-2e键 在同一水平面上在同一水平面上 两个两个3c-2e键 位于水平面上下位于水平面上下 与水平面垂直与水平面垂直动画演示画演示多中心多中心键 三中心二三中心二电子子键(3c-2e)简称三中心称三中心键 是多中心是多中心键的一种形式的一种形式定定义：是指：是指3个或个或3个以上原子之个以上原子之间所所 形成的共价形成的共价键B 缺缺电子原子子原子 H等等电子原子子原子形成二个三中心二形成二个三中心二电子子键强度：度：为一般共价一般共价键强度的一半度的一半形成：缺形成：缺电子原子子原子 等等电子原子原子子硼硼烷的性的性质比比烷烃活活泼 硼硼烷的性的性质通常情况下不通常情况下不稳定，在空气中能自燃定，在空气中能自燃 反反应速率大，并放出大量速率大，并放出大量热。 曾想用作火箭或曾想用作火箭或导弹的高能燃料的高能燃料, 但因毒性太大而未采用但因毒性太大而未采用B2H6(g)+3O2 B2O3(g)+3H2O(g)遇水遇水发生水解生水解B2H6(g)+6H2O 2H3BO3+ 6H2能与能与NH3、CO(有孤有孤电子子对)分子分子发生生 加合作用加合作用B2H6 + 2CO 2H3B COB2H6 + 2NH3 2H3B NH312.3.3 12.3.3 硼酸及其盐硼酸及其盐硼的含氧酸硼的含氧酸名称名称分子式分子式偏硼酸偏硼酸HBO2正硼酸正硼酸 ( (简称硼酸简称硼酸) )H3BO3多硼酸多硼酸xB2O3yH2OH2OH3BO3 HBO2 B2O3 H2O12-3-3 硼酸及其盐硼酸及其盐硼酸硼酸12-3-3 12-3-3 硼酸及其盐硼酸及其盐分子分子间通通过氢键形成接形成接近六角形的近六角形的对称称层状状结构，构，层与与层之之间借助微借助微弱的范德弱的范德华力力联在一起在一起因此硼酸晶体因此硼酸晶体为鳞片状片状此此结构使硼酸具有解理性构使硼酸具有解理性可用作可用作润滑滑剂12-3-3 硼酸及其盐硼酸及其盐硼酸硼酸12-3-3 12-3-3 硼酸及其盐硼酸及其盐分子分子间通通过氢键形成接形成接近六角形的近六角形的对称称层状状结构，构，层与与层之之间借助微借助微弱的范德弱的范德华力力联在一起在一起因此硼酸晶体因此硼酸晶体为鳞片状片状此此结构使硼酸具有解理性构使硼酸具有解理性可用作可用作润滑滑剂硼酸硼酸一元弱酸一元弱酸H3BO3 + H2O B(OH)4- - + H+ + aK =5.810-10水溶液水溶液显酸性酸性, 是由于硼原子是缺是由于硼原子是缺电子原子子原子,价价层有空有空轨道，能接受水解离出的道，能接受水解离出的OH- -孤孤电子子对，以配位，以配位键形式形成形式形成B(OH)4- - 硼砂硼砂化学式化学式为Na2B4O5(OH)48H2O 习惯用用Na2B4O710H2O表示表示 无色透明晶体，在空气中易无色透明晶体，在空气中易风化失水化失水加加热至至350400脱水成脱水成为Na2B4O7, 878 熔融熔融, 冷却后成玻璃状物冷却后成玻璃状物质, 即硼砂玻璃即硼砂玻璃易溶于水易溶于水, 其溶解度随温度升高而增大其溶解度随温度升高而增大易水解，水溶液呈碱性易水解，水溶液呈碱性4BO2 + H2O B4O7 + 2OH - - B4O7 + 7H2O 4H3BO3 + 2OH - -2-2-硼砂硼砂化学式化学式为Na2B4O5(OH)48H2O 习惯用用Na2B4O710H2O表示表示 无色透明晶体无色透明晶体,在空气中易在空气中易风化失水化失水加加热至至350400脱水成脱水成为Na2B4O7, 878 熔融熔融, 冷却后成玻璃状物冷却后成玻璃状物质, 即硼砂玻璃即硼砂玻璃易溶于水易溶于水, 其溶解度随温度升高而增大其溶解度随温度升高而增大易水解，水溶液呈碱性易水解，水溶液呈碱性硼砂珠硼砂珠实验：铁、钴、镍、锰等金属氧化物等金属氧化物可溶解在硼砂熔体中可溶解在硼砂熔体中, 呈不同的特征呈不同的特征颜色色Na2B4O7+ CoO Co(BO2)22NaBO2(蓝色色)Na2B4O7+ NiO Ni(BO2)22NaBO2(棕色棕色)Na2B4O7+ MnO Mn(BO2)22NaBO2(绿色色)分析化学曾用此性分析化学曾用此性质来来鉴定某些金属离子定某些金属离子第四节对角关系第四节对角关系第四节第四节对角关系对角关系A01HA A A A A AHe 2LiBeB C N O F Ne 3 NaMgAl Si P S Cl Ar 4KCaGa Ge As Se Br Kr 5 RbSrIn Sn Sb Te I Xe 6 CsBaTl Pb Bi Po At Rn 7FrRa周期系中有些元素的性周期系中有些元素的性质常与它右下方相常与它右下方相邻的另一元素的另一元素类似，似，这种关系叫种关系叫对角关系角关系硼与硅的相似性硼与硅的相似性性质性质硼硼(B)硅硅(Si)单单质质晶态晶态原子晶体原子晶体原子晶体原子晶体与碱作用与碱作用置换出氢置换出氢置换出氢置换出氢含氧酸含氧酸酸性酸性很弱很弱 很弱很弱稳定性稳定性很稳定很稳定稳定稳定多酸和多酸盐多酸和多酸盐链状或环状链状或环状链状或环状链状或环状重金属重金属 含氧酸盐含氧酸盐颜色颜色特征颜色特征颜色特征颜色特征颜色溶解度溶解度较小较小较小较小氢化物稳定性氢化物稳定性不稳定不稳定不稳定不稳定卤化物水解性卤化物水解性极易水解极易水解极易水解极易水解a10-10 10-10 KKa(1)锂与与镁的相似性的相似性 性性 质质 LiMg在过量在过量O2燃烧燃烧 生成正常氧化物生成正常氧化物 Li2O MgO氢氧化物氢氧化物为中强碱为中强碱,在水中溶解度不大在水中溶解度不大氟化物氟化物、碳酸盐碳酸盐 磷酸盐磷酸盐难溶难溶氯化物氯化物溶于有机溶剂溶于有机溶剂碳酸盐受热碳酸盐受热分解为正常氧化物分解为正常氧化物 Li2O MgO铍与与铝的相似性的相似性 性性 质质 BeAl单单 质质活泼金属活泼金属两两 性性能被冷能被冷、浓硝酸钝化浓硝酸钝化氯化物氯化物 为共价双聚物为共价双聚物 易升华和溶于有机溶剂易升华和溶于有机溶剂