文档介绍：第14章碳族和硼族元素
教学要求
、硅、硼的单质、氢化物、卤化物和含化合物的制备和性质。
,了解硼的缺电子特性。
。
、硅、硼之间的相似性与差异。
14-1 通性
14-1-1 自然存在和丰度
碳、硅、%、%×10-3%。硅的含量在所有元素中居第二位,它以大量的硅酸盐矿和石英矿存在于自然界。碳的含量虽然不多,但它(除氢外)是地球上化合物最多的元素。大气中有CO2;矿物界有各种碳酸盐、金刚石、石墨和煤,还有石油和天然气等碳氢化合物动植物体中的脂肪、蛋白质、淀粉和纤维素等等也都是碳的化合物。如果说硅是构成地球上矿物界的主要元素,那么,碳就是组成生物界的主要元素。硼在自然界中的含量更少,它同硅一样主要以含氧化合物矿石而存在。
14-1-2   元素的基本性质
14-1-3 电子构型和成键特征

碳与硅的价电子构型为ns2np2,价电子数目与价电子轨道数相等,它们被称为等电子原子。硼的价电子层结构为2s22p1,价电子数少于价电子轨道数,所以它是缺电子原子。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。

碳和硅可以用sp、sp2和sp3杂化轨道形成1到4个σ键,但Si sp和sp2态不稳定。碳的原子半径小,还能形成pπ—pπ键,所以碳能形成多重键。硼B用sp和sp3杂化轨道成键时,除了能形成一般的σ键外,还能形成多中心键。
、硅、硼形成化学键的键能
碳、硅、硼都有自相结合成键的特性。C—C键的强度比Si—Si或B—B都大。碳自相结合成链的能力最强,这些元素与氢形成的键比它们各自结合的健更牢,所以它们都有一系列的氢化物,如有机化学中的烃类化合物以及硅烷、硼烷等。
如果将硅和硼的氢化物燃烧或与水反应,它们都会转变成硅与硼的氧化物。这说明Si一O键及B—O键更牢。

这三种元素都有同素异性体,它们的单质晶体几乎部属于原子晶体,所以熔点、沸点高;除石墨外,硬度也大。
14-2 碳
14-2-1 金刚石和石墨
金刚石
金刚石为典型的原子晶体,所以它的硬度大,熔点、沸点高、化学性质不活泼。透明的金刚石可以作宝石或钻石。黑色和不透明的金刚石,在工业上用以制钻头和切割金属、玻璃矿石的工具。金刚石粉是优良的研磨材料,可以制砂轮。石墨在工业上被大量地用于制造电极、坩埚、某些化工设备,也可以作原子反应堆中的中子减速剂。
石墨
石墨是原子晶体、金属晶体和分子晶体之间的一种过渡型晶体,它具有以下特点:为层状结构并具有共价键、类似金属键那样的离域π键和范德华力等三种不同的链和作用力。石墨粉可以作润滑剂、颜料和铅笔;将石墨在纸上划一下,它的片状纯品就粘附在纸上而留下灰黑色痕迹。“石墨”顾名思义,就是能作书写用的笔头,它的英文名称“G raphite”来自希腊文,也是“书写”的意思。将石墨转变为金刚石则较难。需要高温、高压条件。
14-2-2 碳的含氧化合物
一、氧化物
碳有许多氧化物,已见报导的有:CO、CO2、C302、C403、C5O2及C1209,其中常见的是CO和CO2。

(1)一氧化碳的制备
CO可以来自碳的不完全燃烧。碳与氧气之间的反应如下:
2C+O2(不足)=2CO
C+O2(充足)=CO2
C+CO2=2CO
碳在供氧不足以及高温的条件下燃烧,得到CO。
工业上将有限的空气通过灼热的碳,即得到发生炉煤气。它的主要成分是N2和CO,还有少量的O2、H2、CH4及CO2等。
工业上还用生产水煤气的方法来制取CO。使水蒸气通入红热的炭层,可得到CO和H2的混合气体,称为水煤气。水煤气的成分大致是40%CO。
在实验室中将蚊酸(甲酸)滴加到热的浓硫酸中或将草酸晶体与浓硫酸一起加热,都可得到一氧化碳气体:
HCOOH=CO+H20
H2C2O4=CO+CO2+H2O
(2)分子结构
CO分子和N2分子各有10个价电子,它们是等电子体。尽管前者为异核原子组成的分子,后者为同核原子组成的分子,两者的分子轨道却相同:
2N(1s22s22p3)→N2[KK(σ2s)2’(σ2s*)2(πy2p)2’(πz2p)2’(π2p)2]
C(1s22s22p2)—O(1s22s22p4)
→CO[KK(σ2s)2’(σ2s*)2(πy2p)2’(πz2p)2’(π2p)2]
所以CO也是三重键:一个σ键,二个π键。但是与N2分子不同