4碳硼

第四章碳硅硼§4-1碳硅硼的结构特征§4-2碳硅硼单质§4-3氢化物§4-4碳硅硼的氧化物及含氧酸盐§4-5卤化物§4-6有机硅化合物§4-1碳硅硼的结构特征1-1原子结构元素性质碳硅硼元素符号原子序数价层电子构型主要氧化数共价半径/pm电负性(Pauling)C62s22p2+4,+2772.25Si143s23p2+4(+2)1181.90B52s22p1+3822.041-2碳硅硼的结构特征C成键形式C价键结构化合物举例sp3杂化4个单键sp2杂化2个单键1个双键sp杂化：1个单键1个叁键1个叁键1个孤电子对正四面体平面三角形直线形—C≡直线形:C≡金刚石,CH4,CCl4石墨COCl2,C2H4,C6H6C2H2,HCNCO最高配位数4CC=Si成键形式Si价键结构化合物举例sp3杂化sp3d2杂化正四面体八面体Si,SiO2,SiF4,SiH4SiF62-最高配位数6B成键形式价键结构化合物举例sp3杂化4个单键sp2杂化3个单键多中心缺电子键（3c-2e键）正四面体平面三角形笼型、巢型、蛛网型、敞网型BF4-BX3,H3BO3BnHn+2,BnHn+4BnHn+6最高配位数4自相成键B-BC-CSi-Si键能/kJ.mol-1293346222与氢氧氟成键B-HC-HSi-H键能/kJ.mol-1389411318B-OC-OSi-O键能/kJ.mol-1561358452B-FC-FSi-F键能/kJ.mol-1613485565碳硅硼的结构特征比较1、碳与硅比较2、硼与硅比较3、碳与硼比较C与Si相似性与差异性1)相似性：①皆不易形成+4价离子，而主要以共价键存在；②单质皆不活泼；③都能与H—AH4、Cl—ACl4、O—AO2；2)差异性：①CH4极稳定，不与酸碱反应，而SiH4则被碱水解;②CCl4极稳定，而SiCl4极易水解;③CO2是气体，SiO2是熔点极高的固体；分子晶体原子晶体④碳氢化物CnH2n+2，n很大，几乎可以无限扩大,而SinH2n+2最高n=15;差别的原因：①C—最高配位数为4，Si—最高配位数为6；②Si-Si间形成共价键的倾向远不及C-C，此外C＝C、C≡C是司空见惯，而Si＝Si、Si≡Si实属罕见；③C与O成双键甚至叁键，而Si不能，因此CO2是小分子，而SiO2是巨型分子。B与Si的相似性1)在自然界中，二者都是以含氧化合物存在；2)二者在单质状态下都有半导体的性质；3)B-O键和Si-O键都很稳定；4)氢化物多种多样，都有挥发性，且可自燃（在空气中），并能水解；5)卤化物均易水解；6)H3BO3、H4SiO4都是弱酸，都能形成多酸盐，结构都很复杂7)氧化物都能熔解金属氧化物，生成特殊颜色的盐返回本章§4-2碳硅硼单质2-1无机碳化学2-2硅的同素异形体2-3硼的同素异形体返回本章2-1无机碳化学金刚石，原子晶体，碳原子间以sp3杂化成键；石墨，混合键型或过渡型晶体，碳原子间以sp2杂化成键；无定形碳和碳黑都是微晶石墨。富勒烯(碳笼原子簇)，分子晶体，碳原子间以s0.305p0.695杂化轨道成键(3条键)；碳原子上还有1条键(s0.085p0.915);线型碳，分子晶体，碳原子间以sp杂化成键。其稳定性为：线型碳＞石墨＞金刚石＞富勒烯。在学术界，一般认为金刚石、石墨、碳笼原子簇、线型碳是碳的几种同素异形体。有人预言，21世纪是“超碳时代”。理由是：金刚石的人工合成、碳纤维的开发应用、石墨层间化合物的研究、富勒烯(碳笼原子簇)及线型碳的发现及研究都取得了令人瞩目的进展。这些以单质碳为基础的无机碳化学给人们展现了无限的想象空间。天然：主要产地—南非、扎伊尔等国。1905年在南非发现了一颗重3106克拉(钻石的重量单位1carat=0.2g)。1977年在山东省临沭县也发现了一颗大金刚石，重158.97克拉。世界上重量大于1000克拉的钻石只有２粒。1金刚石金刚石主要用于精密机械制造、电子工业、光学工业、半导体工业及化学工业。天然金刚石稀少，只限于用作装饰品，因此人工合成金刚石正在成为碳素材料中的重要研究开发领域。★石墨转化法C(石墨)C(金刚石)△rHm＝1.828±0.084kJ·mol－1△rGm＝2.796kJ·mol－1△rSm＝－3.25±0.02kJ·mol－1常温常压下石墨转化为金刚石是非自发的，但根据△rGm＝△rHm＋T△rSm可见，在高温和高压(由疏松到致密)下可能实现这种转化。其温度和压力条件因催化剂的种类不同而不同。金刚石的合成金刚石合成已有四十多年的历史。已报道的合成方法大致可分为两类:石墨转化法可分为静态超高压高温法和动态法两种。静态超高压高温法用高压设备压缩传压介质产生3～10GPa的超高压，并利用电流通过发热体，将合成腔加热到l000～2000℃高温。其优点是能较长时间保持稳定的高温高压条件，易于控制。该法可得到磨料级金刚石，但设备技术要求高。动态法利用动态波促使石墨直接转变成金刚石。动态冲击波可由爆炸、强放电和高速碰撞等瞬时产生，在被冲击介质中可同时产生高温高压，使石墨转化为金刚石。该法作用时间短(仅几微秒)，压力及温度不能分别加以控制，但装置相对简单，单次装料多，因而产量高。产品为微粉金刚石，可通过烧结成大颗粒多晶体，但质量较差。气相合成法又可分为热丝CVD法等离子体化学气相沉积法(PCVD法)燃烧火焰法★气相合成法(CVD法)气相法是用含碳气态物质作碳源，产物往往是附在基体上的金刚石薄膜。研究表明，含碳气态物质在一定高温分解出的甲基自由基，甲基自由基相当于金刚石的活性种子。因为金刚石中的碳处于sp3杂化状态，甲基中的碳也处于sp3杂化状态，甲基自由基分解后便以金刚石的形式析出。碳氢化合物甲基石墨原料气刻蚀氢气原子氢甲基(CH3)热解热解(表面)金刚石均裂热丝CVD法PCVD法火焰法金刚石的三种气相合成法在上述方法中，石墨转化法所得的金刚石往往是细粒乃至粉末，使用时往往需烧结。此外，产品中还含有未反应的石墨、催化剂等杂质，因此还需提纯。这种产品主要用于精密机械制造领域。要用该法合成大粒径的金刚石单晶，使之能与天然金刚石比美，至少目前是不可能的。这方面的突破有待理论的发展。气相法成功地制成了膜状金刚石，使金刚石的应用范围大大扩展，因为高温高压合成的金刚石及天然金刚石的应用只是利用其高硬度特性，其他优异的特性均因形态的限制而未能得到很好的开发和利用。膜状金刚石必然会进入半导体工业、电子工业及光学等领域。因此，气相法合成膜状金刚石方兴未艾，具有十分美好的前景。2石墨及其石墨层间化合物石墨石墨的碳原子层间有较大的空隙，容易插入电离能小的碱金属和电子亲和能大的卤素、卤化物及酸等，从而形成石墨层间化合物(GIC)。石墨具有层状晶体的结构。在晶体中，C原子采用sp2杂化轨道成键，彼此间以键连接在一起，同时在同一层上还有一个大键。同一层的碳C－C键长143pm，层与层之间的距离为335pm。669.6pm245.6pm335pm143pm★石墨层间化合物的类型石墨层间化合物按基质－嵌入物间的化学键分类，可分为离子型和共价型两大类。在离子型化合物中，碱金属之类的插入物形成向石墨提供电子的层间化合物，称为施主型;插入物为卤素、卤化物时，形成从石墨得到电子的层间化合物，称为受主型化合物。由高温直接氟化反应得到的氟化石墨及由HClO4等强氧化剂在100℃以下的低温合成的氧化石墨(含O及OH)，基质－嵌入物间具有共价键，称共价型层间化合物。★石墨层间化合物的合成合成方法主要有直接合成法和电化学法。直接合成法是使石墨与反应物直接接触反应。电化学法是将石墨作为阳极，反应物的电解质溶液作电解液进行电解而制备石墨层间化合物的方法。石墨层间化合物★石墨层间化合物的结构离子型石墨层间化合物中碳原子基本保持石墨的平面层状结构，插入层的层间距增大，未插入层的层间距无变化。石墨层间化合物按插入层的分布分为不同的阶数:一阶化合物每隔1个碳原子层插入1层反应物，如C8K;二价为每隔2层插入1层反应物，如C24K;三阶为每隔3层插入1层反应物，如C36K……(下图)，依此类推。据报道已有阶数为15的层间化合物。右图示出C8K的晶格和K原子的三角形位置。(a)(b)在共价型石墨层间化合物中，嵌入物与基质碳原子间的化学键是共价键。一般而言，石墨的层平面要变形。例如氟化石墨，其碳原子层是折皱的，折皱面内各碳原子以sp3杂化轨道与其他3个碳原子及1个氟原子结合，C－C键长与一般C－C单键相等，层间距为730pm，比未插入层增大一倍多。★石墨层间化合物的功能与应用石墨层间化合物的性质因嵌入物不同、阶数不同而不同，因而其功能及应用是多方面的，主要可用于:轻型高导电材料、电极材料、新型催化剂、固体润滑剂、贮氢及同位素分离材料、防水防油剂等。电极材料石墨间隙化合物的电阻比石墨本身还低，在垂直方向降低了约10倍，沿石墨层水平方向降低了近100倍。而且间隙化合物具有与真正的金属一样的电阻，即电阻率随温度升高而升高。如C8K在90K时，＝0.768·cm－1，在285K时，＝1.02·cm－1。石墨层间化合物适宜作电极。以氟化石墨为正极，锂为负极的一次电池已工业化。电池反应为:正极:(CF)n＋nenC＋nF－负极:nLinLi＋＋ne总反应:nLi＋(CF)nnLiF＋nC该电池具有体积小、重量轻、超电势高(3V)、能量密度高、贮藏性好等特性。固体润滑剂用氟化石墨作固体润滑剂，具有在高温、真空或氧化还原气氛中保持好的润滑性能的优点(而一般的石墨存在润滑性能下降的缺陷)。这是由于氟化石墨的层面由C－F键构成，其表面能极小，容易滑动之故。贮氢及同位素分离材料钾、铷、铯等碱金属的石墨层间化合物在一定温度下能化学或物理吸附氢。如C8K吸附氢生成C8KHx(0≤x≤2)，且离解温度及离解能低，吸附与解吸完全可逆，达平衡的时间短，因而可作贮氢材料。更有趣的是这种吸附对氢、氖、氖有选择性，因而可用于氢同位素分离，其H2－D2及H2－HT分离系数都高于硅酸盐系离子交换体系。轻型高导电材料石墨层间化合物的电导率比石墨更高，有的超过了铜(电导率为5.3×107S·m－l)，且这些物质的密度比一般金属低，故作为轻型导电材料受到青睬。防水防油剂如氟化石墨的表面自由能和聚四氟乙烯相近或略低，显示了极强的疏水性。因此，可利用此疏水性预防因水而引起的润滑和污染附着。在镀镍时，如使Ni和氟化石墨共析，可得防水性极强的金属表面。石墨复合磁粉将铁盐插入石墨层间可制得石墨复合磁粉，其磁性能优于γ－Fe2O3磁粉，用作磁记录介质，可增大对带基附着力、减小对磁头的磨损、提高其防潮性能及温度稳定性。新型催化剂如C8K作乙烯、苯乙烯等聚合反应的催化剂石墨－钾－FeCl3三元层间化合物作H2和N2为原料合成氨的催化剂，350℃下1h转化率可达90%。3碳纤维碳纤维是由有机纤维经炭化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。碳纤维的制备目前应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。碳纤维的制造包括纤维纺丝、热稳定化(预氧化)、炭化及石墨化等4个过程。其间伴随的化学变化，包括脱氢、环化、氧化及脱氧等。聚丙烯腈碳纤维的合成碳纤维具有模量高、强度大、密度小、耐高温、抗疲劳、抗腐蚀、自润滑等优异性能。从航天、航空、航海等高技术产业到汽车、建筑、轻工等民用工业的各个领域正逐渐得到越来越广泛的应用。主要用于导电、隔热、过滤等方面。碳纤维增强复合材料作结构材料,可作飞机的尾翼或副翼,通信卫星的天线系统和导波管、航天飞机的货舱门、燃料箱、助推火箭的外壳。在建筑方面，可作碳纤维增强水泥地板，并有取代钢筋的可能性。作为非结构材料,碳纤维复合材料可作密封材料、耐磨材料、隔热材料、电极材料。在原子能工程上用碳纤维－石墨复合材料作铀棒的幕墙材料,不仅可以防止铀棒的辐射变形,使其对中子的吸收截面变小,反射中子能力增强,而且在光氧条件下能耐3000℃以上的高温。碳纤