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chapter14 碳族元素.doc


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chapter14 碳族元素.doc
文档介绍:
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
1.根据σ键的数目,碳可采取sp、sp2、sp3杂化,其最大配位数为4
2.由于碳—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
1.在第二周期中,***、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。
2.Allotropes: 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
a.structure: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。
b.properties:科学家认为C60将是21世纪的重要材料
(i) C60分子具有球形的芳香性,可以合成C60Fn,作为超级润滑剂。
(ii) C60笼内可以填入金属原子而形成超原子分子,作为新型催化剂或催化剂载体,具有超导性,掺K的C60,Tc = 18K,Rb3C60 Tc = 29K,它们是三维超导体。
(iii) C60晶体有金属光泽,其微晶体粉末呈黄色,易溶于苯,其苯溶液呈紫红色。C60分子特别稳定,进行化学反应时,C60始终是一个整体。
三、pounds
1.[ - 4 ]O.S. covalent CH4, ionic-covalent Al4C3, metallic MC、M2C、M3C
水解性(或与水反应):
Al4C3 + 12H2O4Al(OH)3 + 3CH4↑
CaC2 + 2H2OCa(OH)2 + C2H2↑
20% HfC和80%TaC合金是已知物质中熔点最高的(m.p. = 4400℃)
2.[ + 4 ]O.S.
(1) CHal4
a.preparation:CS2 + l4 + S2Cl2
b.properties:
hydrolysis CHal4 + 2H2O(g)CO2(g) + 4HHal(g)
从热力学上看是可行的:
CF4(Dr Gm = -150kJ·mol-1),CCl4(Dr Gm = -250kJ·mol-1)
它们之所以不能水解是由于在通常条件下缺乏动力学因素,碳的配位数已饱和,不能与水分子结合。从CF4→CI4随着键长的增大,键的强度减弱,稳定性减弱,活泼性增强
(2) COHal2(卤氧化碳,也称为碳酰卤 carbonyl halides):
所有的COHal2比CHal4的化学性质活泼,特别是它们易水解:
COCl2 + H2OCO2 + 2HCl 它们都有极性,都是平面三角形。
COCl2 (光气 phosgene) 是剧毒的
光气的制备:CO + Cl2COCl2
(3) CS2(carbon disulfide)
a.preparation
(i) C + 2SCS2
(ii) 4S(g) + CH4(g)CS2 + 2H2S
b.properties
CS2是易挥发、易燃的无色的有机溶剂
明显水解:CS2 + 2H2OCO2 + 2H2S
与碱性硫化物反应:Na2S + CS2Na2CS3
(4) 、、
a.structure:
[N=C=N]2- 2个
sp2杂化 sp2杂化 sp杂化
b.properties
(i) 碳酸盐:正盐中除碱金属(不包括Li+)、铵及Tl+ 盐外,都难溶于水,许
多金属的酸式盐的溶解度大于正盐,但<。
解释:这是由于在NaHCO3溶液中从氢键相连成二聚离子,降低了它们的溶解度:
热稳定性:H2CO3<MHCO3<M2CO2
(ii) 硫代碳酸盐(thiocarbonate)

H2CS3是高折射率油状物,易分解成H2S和CS2
H2CS3的水溶液为弱酸,在水中缓慢分解:
H2CS3 + 3H2OH2CO3 + 3H2S
(iii) 氨基***化物(cyanamide)(氮代碳酸盐)
CaC2 + 2 + C
2(Hydrogen dinitride carbonate)是无色晶体,易溶于水、alcohol和ether,显示弱酸性,在有机溶剂中可能存在互变异构(tautomerism)平衡:
2在水中缓慢分解:
2 + 3H2OH2CO3 + 2NH3
2 + 3H2OCaCO
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