chapter14 碳族元素.doc

第十四章碳族元素
Chapter 14 The Carbon Family Elements
Carbon (C) Silicon (Si) Germanium (Ge) Stannum (Sn) Plumbum (Pb)
§14-1 碳及其化合物
Carbon and pounds
一、General Properties
,碳可采取sp、sp2、sp3杂化,其最大配位数为4
—碳单键的键能特别大,所以C-C键非常稳定,具有形成均键(homochains)的倾向
C-C
N-N
O-O
F-F
E (kJ·mol-1)
374
250
210
159
实例
H3C-CH3
H2N-NH2
HO-OH
从碳到氮的单键键能的突减,是由于N2分子中氮原子之间非键电子对排斥的缘故。
二、The Simple Substance
,氟、氧和氮都以双原子分子存在:F2、O2和N2;而碳存在多聚物,其理由为:O2和N2的多重键要比σ单键(均键)强得多
如: ,
E (kJ·mol-1) 494 > 210 + 210 , 946 > 250 + 250
而:
E (kJ·mol-1) 627 < 374 + 374
即C2分子中的多重键比均链中的两个σ单键之和小,所以碳往往形成多原子均键,虽然在星际空间存在有C2(g)分子。
: diamond、graphite、fullerene (C60、C70)、carbin (carbon fibers)
(1) 熵 Scarbin>Sgraphite>Sdiamond
(2) dC-C (nm): diamond > graphite > benzene > ethylene > carbin > acethylene
(3) Cgraphite → Cdiamond Dr Hm >0,Dr Sm <0
根据平衡,需要高压,(because of the insignificant reduction of volume),升高温度不利于平衡的移动,但为了达到该过程可以接受的速率,反应温度大约在2000℃,近来已发明一种低压生产金刚石的方法:把金刚石晶种(seed)放在气态碳氢化合物(甲烷methane,ethane)中,温度升高到1000℃,可以得到金刚石粉末或者crystal whiskers
(4) C60
由12个正五边形和20个正六边形组成,每个碳原子以sp3、sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子相连,C小于120°而大于109°28¢,形成曲面,剩余的p轨道在C60球壳的外围和内腔形成球面π键,从而具有芳香性。
欧拉方程:面数(F) + 顶点数(V) = 棱数(E) + 2
:根据欧拉定理,通过12个正五边形和数个正六边形的连接可以形成封闭的多面体结构:C60为第一个五边形间互不相邻的封闭笼状结构,C70为第二个五边形间互不相邻的封闭笼状结构,两个五边形相邻的最小碳笼为C50,三个五边形相邻的最小碳笼为C28,不存在六边形的最小碳笼为C20。
:科学家认为C60将是21世纪的重要材料