第14章碳族元素.ppt

第十四章 碳族元素 第十四章 碳族元素 14.1 碳族元素的通性 碳族元素原子的价层电子构型是 ns2np2 这些元素被称为等电子原子（价电子数目与价电子轨道数相等） 它们的最高氧化态为+4。在锗、锡、铅中，随着原子序数的增大，稳定氧化态逐渐由+4变为+2 （惰性电子对效应）。 碳处于第二周期，半径较小，电负性较大，与同族其他元素相比表现出许多特殊性。 碳和硅都有自成键的特性，其中碳的自相结合成链的能力最强，这是由于C—C单键的键能要比Si—Si单键的键能大得多。 除C—C单键外，碳原子间还存在双键和叁键，而硅原子半径较大，形成重键的倾向比碳要弱得多。 因此，含碳的有机物的数量达到数百万种。另一方面，由于在同族中碳的原子没有d轨道，所以它的配位数仅限于4，而其他元素有d轨道可利用，最大配位数可达6或以上。 14.2 碳 金刚石是每个碳原子均以sp3杂化轨道和相邻的4个碳原子以共价键结合，形成正四面体的结构单元，是典型的原子晶体。由于金刚石晶体中C—C键很强，所有价电子都参与了共价键的形成，晶体中没有自由电子，所以金刚石不仅硬度大，熔点高，而且不导电。 石墨是层型晶体，质软、有金属光泽，能导电，被大量用来制作电极、高温热电锅、坩埚、电刷、润滑剂和铅笔芯。 石墨层与层之间的作用力为范德华力，故片层间结合疏松，这使许多分子或离子有可能渗入层间形成插入化合物，或称为层型、间充化合物。 例如，K原子还原石墨中的C原子，石墨片层和π电子体系不变，由于K的插入得到电子：K→K+ + e-, 使片层带负电荷，得到金黄色、顺磁性的C8K。由于插入得到的电子是可以自由移动的，所以间充化合物C8K有很高的导电性。根据K和石墨的量和反应条件的不同可以得到不同的间充化合物，如：C8K，C36K等。 2.碳原子簇和无定形碳 在C60分子中，每个碳原子以sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子相连，剩余的未参加杂化的一个p轨道在C60球壳的外围和内腔形成球面∏键，从而具有芳香性。除了C60以外，具有这种封闭笼状结构的还有C26、C32、C44、C50、C70、C80、C84、C90、C94、C120、C240、C540等，统称为富勒烯或足球烯。 因此富勒烯是一系列由碳原子构成的高对称性的球形笼状分子或封闭的多面体纯碳原子簇。C60是该家族中最具代表性的一员。 C60的运用 据报道，对C60进行掺杂，可以使C60分子在其笼内或笼外俘获其他原子或原子团，形成类C60的衍生物。例如，在C60的每个碳原子上添加一个氟原子，得到一种全氟化的C60F60，这种白色粉末状的物质是一种超级耐高温材料。 采用激光蒸发法使C60分子开笼，可以将各种金属原子封装在C60的空腔内。如将锂原子嵌入碳笼内，有望制成高效锂电池，嵌入稀土元素铕有望成为新型发光材料。 C60本身是电的不良导体，但掺杂碱金属（如金属钾、铷）后可转化为超导体，K3C60就是世界上第一个发现的完美的三维超导体。 14．2．2 碳的化学性质 1. 碳与非金属单质反应 碳可以与非金属单质如H2、O2、F2等反应生成相应的化合物。 例如碳与H2在一定的条件下可以反应生成甲烷；与氧气反应可根据反应条件的不同得到CO或CO2； 和F2反应生成CF4：C + F2 ＝ CF4，但是不能与其他卤族元素反应。 2. 碳具有还原性 碳可以作为还原剂与H2O、金属氧化物、氧化性酸和一些盐类发生氧化还原反应。 作为还原剂，碳单质可还原金属氧化物以制备金属。 碳还可以和ⅠA族、ⅡA族金属或其氧化物及Zn、Cd等发生强烈反应生成碳化物，以CaC2为例来说明。 14．2．3 碳的化合物 1. 碳的氧化物 碳在元素周期表中属第Ⅳ族第一个元素，位于非金属性最强的卤素元素和金属性最强的碱金属中间。 它的价电子层结构为2s22p2，在化学反应中既不容易失去电子，也不容易得到电子，难以形成离子键，而是形成共价键。它的最高共价数为4，常见价态有+2，+4。所以碳容易形成稳定的氧化物CO和CO2。 一氧化碳 CO的结构： 一个σ键和二个π键，其中一个为配位键。由于配位键的存在，所以CO的偶极矩几乎为零。 由于CO分子中C原子和O原子上都有孤对电子，所以CO能与许多过渡金属配位生成羰基化合物，如Fe(CO)5、Ni(CO)4、Cr