北师大版无机化学课件第十七章

无机化学无机化学第17章碳硅硼无机化学§17.2碳§17.4硼§17.1通性§17.3硅主要内容无机化学本章教学要求1．掌握碳、硅、硼的单质及其含氧化合物的制备和性质；2．通过硼及其化合物的结构和性质，了解硼的缺电子特性；3．了解硅酸及其硅酸盐的结构与特性；4．认识碳、硅、硼之间的相似形与差异.无机化学17.1通性C、Si为同族，B与Si为对角性质相似。对角线规则：在周期表中，某一元素的性质和它左上方或右下方的另一元素性质的相似性，称为对角线规则。(Li-Mg、Be-Al、B-Si)C、Si、B典型非金属Al、Ga、In、TI和Ge、Sn、Pb典型金属性无机化学C、Si、B的相似性：（1）电负性大，电离能高，失去电子难，以形成共价化合物为特征。（2）C、Si、B都有自相成键的特征，即C-C、Si-Si、B-B形成氢化物——成烷特征。（3）亲氧性，尤其Si－O、B－O键能大。（4）单质几乎都是原子晶体。无机化学硼(Boron)是戴维等发现的。硼化学的研究仅是最近五十年的历史，它可以与碳媲美。碳(Carbon)是有机世界的主角，由于碳自相成链的能力最强，因此碳的化合物是最多的。硅(Silicon)贝采利乌斯1823年发现，拉丁文（石头）中译为“矽”，因与锡同音，改为“硅”。硅是无机世界的主角，二氧化硅是构成地壳的主要成分。无机化学CSiB原子序数6145价电子层结构2s22p23s23p22s22p1主要氧化值+IV,+II,0(-II,-IV)+IV(+II),0,(-IV)+III,0共价半径/pm7711788第一电离能/kJ·mol-11086.5786.6800.7电负性(χp)2.51.82.017.1.1元素的基本性质这些元素的电负性大，要失去价电子层上的1-2个p电子成为正离子是困难，它们倾向于将s电子激发到p轨道而形成较多的共价键，所以碳和硅的常见氧化态为+IV，硼为+III。无机化学(1)价层结构：C：2s22p2价电子数＝价轨道数，等电子原子。B：2s22p1价电子数＜价轨道数，缺电子原子。17.1.2电子构型和成键性质(2)成键性质CSiB键型以共价键为主，且自相成键杂化类型sp,sp2,sp3sp3,sp3d2sp3或sp2除了σ键p-pπ键d-pπ配键多中心键无机化学★半径小，电负性大，可形成重键（p-pπ键），多C键。－C≡C－＞C＝C＜＞C＝O－C≡N等而Si则是以共价单键为主。(3)C的特殊性★C无d轨道，Si有3d轨道，B有空的p轨道。H2O++HClOH2SiClClClClOHSiClClClSiClClClClC无2d轨道，故CCl4不能与水反应。无机化学B用sp2或sp3杂化轨道成键时，除了能形成一般的σ键以外，还能形成多中心键。例如3个原子共用2个电子所成的键就叫做三中心两电子键。B2H6(4)B的特性形成多中心键。无机化学C—C345.6C—O357.7Si—Si222Si—O452B—B293±21B—O561~690C—H411±7C—F485Si—H318Si—F565B—H380B—F613±53一些单键键能的平均值（kJ•mol-1）硼与氧结合的键能最大，其次是硅，它们主要以氧化物矿存在。(5)Si、B均为亲氧元素元素自相成链能力以碳最强，它构成了有机物的骨架碳与氢结合的键能最大，它构成了庞大的有机物界无机化学纳米半导体材料太阳电池材料光子带隙材料硅单晶材料分子筛碳-碳复合材料高能燃料人造金刚石无机非金属材料库无机化学碳硅硼煤石油天然气金刚石石墨白云石石灰石动植物CO2碳是自然界化合物种类最多的元素，达400多万种丰度0.023%25.90%1.2×10-3%第二位，硅酸盐矿，石英矿。硼砂矿(Na2B4O710H2O)、硼镁矿(Mg2B2O5H2O)等17.1.3存在形式无机化学17.2.2碳的化合物17.2.1单质17.2碳无机化学17.2.1单质碳单质的同素异形体：(1)金刚石：原子晶体,硬度最大,熔点最高。金刚石(sp3杂化)无自由电子，不导电。工业上用作钻头、刀具、精密轴承等俗称钻石，可作装饰品薄膜可制作手术刀、集成电路、散热芯片及各种敏感器件无机化学●CH4H2C微波（频率2.45×106s-1）33.7kPa,1273K●溶剂热法（20世纪90年代）CCl4(l)+Na(s)非晶碳的金刚石Ni-Co-Mn合金催化剂700℃金刚石的合成●高温、高压、催化剂合成FeS（熔剂，催化剂）5×106Pa~10×106Pa，1500~2500℃DGmq=2.866kJ·mol-1无机化学(2)石墨：层状结构，质软，熔点极高。碳原子sp2杂化，形成分子平面用途：制作电极和高温热电偶，化工设备，防射线材料等，石墨粉可用作润滑剂、颜料和铅笔芯。木炭和焦炭基本属于石墨类型，但是晶形不完整。nn碳原子的pz轨道互相平行，均垂直于分子平面，在层内形成键。有离域电子，故石墨导电。层间分子间作用力小，易滑动，有润滑性。无机化学(3)无定形碳（低结晶度石墨）：木炭、焦炭、炭黑、玻璃态碳和碳纤维等。活化处理，其比表面增大，有更高的吸附能力，为活性炭，用作吸附剂、脱色、去臭等。建议的碳黑的结构碳纤维每架波音-767飞机需用1t碳纤维材料碳-碳复合材料（隐形飞机）无机化学C60是由12个五边形和20个六边形组成的32面体。(4)碳原子簇：n个碳原子组成的分子,足球烯或富勒烯C60、C70等C60是1985年用激光轰击石墨作碳的气化实验时发现的。3位获1996年诺贝尔化学奖。每个碳原子以sp2杂化轨道和相邻三个碳原子相连，未参加杂化的p轨道在C60的球面形成大键。无机化学结构分析的实验结果证明：由C60分子组成的晶体是面心立方和六方密堆积，C60球之间的作用力是范德华力，而不是化学键力，C－C之间的距离为一般C－C键长的两倍。思考：固体C60与金刚石相比较,哪个熔点较高?理由?碳原子簇：无机化学球碳可以合成各种化合物：空腔包含其它原子；在球间空隙填入原子；置换球面上的碳原子；加成反应等；离子型化合物．无机化学从C60被发现以来，现已经广泛地影响到物理学、化学、材料学、电子学、生物学、医药科学各个领域，显示了极为重要的理论研究和广阔的应用前景。(5)管碳(碳纳米管)：纳米碳管研究是富勒烯之后，1991年日本科学家饭岛(Iijima)发现了一种针状的管形碳单质—碳纳米管。碳纳米管是由石墨卷曲而成的封闭管,其直径一般为1—100nm而得名,其长度可达数十微米.无机化学单层碳纳米管:由一个石墨层卷曲而成的封闭结构.多层碳纳米管:由多层石墨卷曲而成的多层同心套管的结构.无机化学由于碳纳米管具有较大的长径比,所以可以把其看成为准一维纳米材料,有其独特的结构。碳纳米管具有奇异的物理化学性能，如独特的金属或半导体导电性、极高的机械强度、储氢能力、吸附能力和较强的微波吸收能力等，90年代初一经发现即刻受到物理、化学和材料科学界以及高新技术产业部门的极大重视。无机化学(6)石墨烯强度比世界上最好的钢铁还要高上百倍，可以造出纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣，甚至还可以制作23000英里长伸入太空的电梯，实现人类坐电梯进入太空的梦想。美国国家航空航天局（NASA）悬赏400万美金鼓励科学家们进行这种电梯的开发无机化学碳的成键特征无机化学17.2.2碳的化合物结构：CO与N2是等电子体,结构相似。一个σ键两个π键●一氧化碳(CO):CO::CO:••••CO、CO2、C3O2、C4O3、C5O2和C12O91.碳的氧化物分子轨道：[KK(2s)2(2s*)2(y2p)2(z2p)2(2p)2]CO无色无臭有毒气体，在水中溶解度较小。键级=3无机化学CO偶极矩很小O的电负性大于C,故一对σ电子偏向氧,但由于O反过来又向C提供一对电子形成π键,这样总的效果使各自的电子不会发生大的偏移,偶极接近于零,碳原子略带负电荷。COσxπyπz无机化学性质：①作配位体，形成羰基配合物Fe(CO)5,Ni(CO)4,Co2(CO)8，C是配位原子。[Cu(NH3)2]Ac+CO+NH3＝[Cu(NH3)3CO]Ac醋酸二氨合铜(Ⅰ)醋酸羰基三氨合铜(Ⅰ)在工业气体分析中常用亚铜盐的氨水溶液来吸收混合气体中的CO，生成[Cu(NH3)3CO]Ac，这种溶液经过处理放出CO，然后重新使用。M←:CO:CO:无机化学四羰基镍Ni(CO)4分子中的的成键：成键中成键后σ同时还形成d-*反馈键COMCO键削弱键加强结果Ni3d84s2调整3d104s03Sp杂化3d10(sp3)0(sp3)0(sp3)0(sp3)0无机化学②还原剂：(g)CO(g)===O21CO(g)22+(g)3CO2Fe(s)3CO(g)===(s)OFe232++PdCl2(aq)+CO(g)+H2O=CO2(g)+Pd(s)+2HCl(aq)CO+2Ag(NH3)2OH=2Ag↓+(NH4)2CO3+2NH3十分灵敏，可检验CO在高温下，可以从许多金属氧化物中夺取氧，使金属还原。无机化学CO显非常微弱的酸性，在473K及1.01×103kPa压力下能与粉末状的NaOH反应生成甲酸钠：NaOH+CO=HCOONa因此也可以把CO看作是甲酸HCOOH的酸酐。甲酸在浓硫酸作用下脱水可以得到CO。③与碱反应无机化学④剧毒CO可与携氧血红蛋白Hb形成稳定的配合物COHb。CO与Hb的亲和力约为O2与Hb的300倍。可使其丧失输氧能力，导致心肌坏死。CO中毒处理:对比NO2-使人中毒机理：HmFe(II)+NO2-→HmFe(III)16183,;(),CHNClsCO送患者到空气清新处吸纯氧注射亚甲基蓝它与结合力更强[HmFe]+O2＝[HmFe←O2].血红素无机化学⑤与其他非金属反应：++H2CO+523K,101KPa623-673K32Fe/Co/NiCr2O3,ZnOH2OCH4CH3OHH2COCO+Cl2===COCl2（碳酰氯）活性炭无机化学Ni(CO)4(液)————Ni+4CO↑HCOOH————CO↑+H2O向热浓硫酸中滴加甲酸热浓H2SO4草酸与浓硫酸共热H2C2O4(s)————CO+CO2+H2O将CO2和H2O用固体NaOH吸收，得CO。热浓H2SO4制纯的CO可用分解羰基化合物的方法加热CO的制备①实验室制备：无机化学得到的气体含CO25％，CO24％，N270％(体积比),这种混合气体称为发生炉煤气。另一反应:C+H2O=CO+H2△rHm=131kJmol－1混合气体含CO40％，CO25％，H250％称之为水煤气。炉煤气和水煤气都是工业上的燃料气。将空气和水蒸气交替通入红热炭层2C+O2——2CO△rHm=-221kJmol－1②工业制备：无机化学●二氧化碳(CO2)CO2分子无极性，很容易被液化，在常温下，施加71×105Pa的压力即能液化。干冰在常压下于195K直接升华为气体，是广泛使用的制冷剂，戏曲舞台的烟云。1015061013216K527kPa273216195p/kPa固液气T/K二氧化碳相图无机化学4322Π:OCO:直线形非极性分子：O=C=OCO2中，碳氧键长116pm，介于双键和三键之间C：sp杂化结构OC=O双键键长124pm(在CH3--C--CH3中)CO叁键键长113pmCO2与N3-、N2O(笑气)、NO2+(16电子体)无机化学CO2虽无毒，但在空气中含量过高，可使人因缺氧而窒息死亡。“菜窖”。★不活泼,不助燃。可用于灭火剂，不可用于活泼金属Mg、Na、K、Zn等引起的火灾：CO2+2Mg＝2MgO+C★酸性氧化物，可与碱反应：NH3+CO2+H2ONH4HCO32NH3＋CO2H2O+CO(NH2)2(尿素)催化剂二氧化碳(CO2)的性质CO2+2Zn△2ZnO+C4K+3CO22K2CO3+C无机化学1、活火山附近的山谷凹地，任何动物进入往往有生命危险，故有“死亡之谷”之称，为何？2、蒸馏水的pH值