高一化學(xué)碳族元素.ppt

碳 族 元 素,1、畫出C、Si 原子結(jié)構(gòu)示意圖。 2、指出碳族元素在周期表中的位置。 3、根據(jù)各周期所增加元素種類，能否推測(cè)出碳族元素的原子序數(shù)。,碳族元素在周期表中的位置,碳族元素原子結(jié)構(gòu)示意圖,討論： 1、碳族元素在原子結(jié)構(gòu)上的異同點(diǎn)？ 2、能否根據(jù)碳族元素結(jié)構(gòu)上的遞變推導(dǎo)出其性質(zhì)的遞變規(guī)律？,碳族元素的化學(xué)性質(zhì),酸性減弱，堿性增強(qiáng),碳族元素性質(zhì)變化的規(guī)律性 相似性： 1、最外層4個(gè)電子，易形成共價(jià)鍵 2、主要化合價(jià)：+4、+2 3、最高價(jià)氧化物：RO2 對(duì)應(yīng)水化物：H2RO3或H4RO4 R(OH)4 遞變性： C Si Ge Sn Pb 非金屬性減弱，金屬性增強(qiáng),碳族元素的幾種單質(zhì),碳(C) 性質(zhì): 熔點(diǎn)約為3 550 （金剛石），沸點(diǎn)約為4 827 （升華），密度為3.513 g/cm3(金剛石)、2.260 g/cm3(石墨)（20 )。 用途: 用于首飾(金剛石)、煉鋼(焦炭)、印刷(炭黑)和精制糖(活性炭)等。 發(fā)現(xiàn):在自然界中以石墨（和金剛石）存在。古代已知有木炭和煙炱。,硅(Si) 性質(zhì)：熔點(diǎn)為1410 ，沸點(diǎn)為2 355 ，密度為2.329 g/cm3(20 )。超純半導(dǎo)體晶體是藍(lán)灰色，用碳還原砂子得到的無定形硅為黑色。不跟氧氣、水、酸（HF除外）反應(yīng)，但溶于熱堿。用于制半導(dǎo)體、合金和聚合物。 用途：用于制半導(dǎo)體、合金和聚合物。 發(fā)現(xiàn)：1823年由貝采里烏斯（J.J.Berzelius）在瑞典制得。,碳族元素的幾種單質(zhì),碳族元素的幾種單質(zhì),鍺(Ge) 主要性質(zhì)和用途：熔點(diǎn)為937.5 ,沸點(diǎn)為2 830 ，密度為5.323 g/cm3(20 )。超純鍺是銀白色、脆的類金屬元素。在空氣和水中穩(wěn)定，不跟酸（硝酸除外）和堿反應(yīng)。用于半導(dǎo)體、合金和紅外裝置用的特種玻璃。 發(fā)現(xiàn)：1886年由文克勒（C.A.Winkler）在德國(guó)發(fā)現(xiàn)。,錫(Sn) 主要性質(zhì)和用途：熔點(diǎn)為232.1 ,沸點(diǎn)為 2 270 ，密度為5.750 g/cm3（）、7.310 g/cm3（）(20 )。軟而柔韌的銀白色金屬。在氧化物膜的保護(hù)下不跟氧反應(yīng)，也不跟水反應(yīng)，但溶于酸和堿中。用于焊錫、合金、鍍錫、聚合物添加劑和防腐涂料。 發(fā)現(xiàn)：遠(yuǎn)古文明已知。,碳族元素的幾種單質(zhì),鉛(Pb) 主要性質(zhì)和用途：熔點(diǎn)為327.7 ，沸點(diǎn)為1 740 ，密度為11.35 g/cm3（20 ）。軟，低強(qiáng)度，有可延展性，暗灰色金屬。在潮濕的空氣中會(huì)失去光澤，但對(duì)氧和水穩(wěn)定，溶于硝酸。用于蓄電池、電纜、顏料、玻璃、焊接劑、汽油和放射屏蔽等。 發(fā)現(xiàn)：遠(yuǎn)古文明已知。,碳族元素的幾種單質(zhì),絢麗多彩的碳材料,碳是自然界分布最普遍的元素之一，也是構(gòu)成地球上一切生命體最重要的元素。以碳元素為主要構(gòu)成的有機(jī)高分子材料，包括塑料、橡膠和纖維等，已發(fā)展成為材料學(xué)三個(gè)主要學(xué)科方向之一。 碳除了自然界存在多種同素異形體的碳材料外，科學(xué)家們通過實(shí)驗(yàn)還合成了許許多多結(jié)構(gòu)和性質(zhì)完全不同的碳材料，如人們熟悉的金剛石和石墨，以及近年來發(fā)現(xiàn)C60為代表的富勒烯以及碳納米粉體、管材、線材等。這些新型碳材料的特性幾乎可涵蓋地球上所有物質(zhì)的性質(zhì)甚至相對(duì)立的兩種性質(zhì)，如從最硬到極軟、全吸光全透光、絕緣體半導(dǎo)體高導(dǎo)體、絕熱良導(dǎo)熱、高鐵磁體、高臨界溫度的超導(dǎo)體等。,一、石墨與金剛石 金剛石和石墨的化學(xué)成分都是碳(C)，但是它們的結(jié)構(gòu)和性能卻完全不同。金剛石是目前最硬的物質(zhì)，而石墨卻是最軟的物質(zhì)之一。大家都知道鉛筆芯就是用石墨粉和粘土配制而成的，石墨粉含量多筆芯就軟，用“B“表示，粘土摻多了則硬，用“H”表示。礦物學(xué)家用摩氏硬度來表示相對(duì)硬度，金剛石為10，而石墨的摩氏硬度只有1。它們的硬度差別之所以這么大，關(guān)鍵在于它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在很大差異。,絢麗多彩的碳材料,石墨原子結(jié)構(gòu)圖,石墨內(nèi)部的碳原子呈層狀排列，一個(gè)碳原子周圍只有3個(gè)碳原子與其相連，碳與碳組成了六邊形的環(huán)狀，無限多的六邊形組成了一層。層與層之間聯(lián)系力非常弱，而層內(nèi)三個(gè)碳原子聯(lián)系很牢，因此受力后層間就很容易滑動(dòng)，這就是石墨很軟能寫字的原因。石墨可用于制造電極、潤(rùn)滑劑、鉛筆芯、原子反應(yīng)堆中的中子減速劑等，也可以用作坩堝以及合成金剛石的原料。,絢麗多彩的碳材料-石墨,天然金剛石是一種珍稀礦物，是寶石之王，因?yàn)樗鞘澜缟献钣驳奶烊徊牧?。精心琢磨后的金剛石透明有光澤，能呈現(xiàn)出極艷麗的色彩，成為世界上最昂貴的珍寶，也是歷代統(tǒng)治者權(quán)勢(shì)和財(cái)富的象征。在英國(guó)，有一根象征皇權(quán)的英王權(quán)杖，杖上就鑲有一顆稱為“非洲之星”的世界最大的鉆石；而在國(guó)王的王冠上，則鑲嵌著象征至高無上皇位的世界第二大鉆石。這兩顆鉆石既是英國(guó)曾經(jīng)輝煌于世界的見證，也是工匠們勤勞和智慧的結(jié)晶。有趣的是，既然金剛石是由碳元素組成，而碳在自然界是如此的豐富和廉價(jià)，為什么不點(diǎn)石成金？長(zhǎng)期以來，人工合成金剛石一直是人類的夢(mèng)想。自從1954年美國(guó)GE公司研制成功了世界上第一顆人造金剛石以來，人造金剛石及其工業(yè)制品已經(jīng)發(fā)展成一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛的行業(yè)。,絢麗多彩的碳材料,金剛石內(nèi)部的碳原子呈“骨架”狀三維空間排列，一個(gè)碳原子周圍有4個(gè)碳原子相連，因此在三維空間形成了一個(gè)骨架狀，這種結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向聯(lián)系力均勻，聯(lián)結(jié)力很強(qiáng)，因此金剛石具有高硬度的特性。,絢麗多彩的碳材料金剛石,目前，世界工業(yè)用金剛石產(chǎn)量約15億克拉，其應(yīng)用幾乎涉及國(guó)計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域。比如，金剛石在光學(xué)玻璃冷加工、地質(zhì)鉆探、陶瓷、汽車零件等機(jī)械加工、金屬拉絲等方面引起了革命性的工藝改革，使加工效率、加工精度幾十倍甚至上百倍的提高。,二、碳纖維 碳纖維是一種主要由碳元素組成的特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各項(xiàng)異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。碳纖維比重小，有很高的比強(qiáng)度。碳纖維是由含碳量較高、在熱處理過程中不熔融的人造化學(xué)纖維，經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。,絢麗多彩的碳材料-碳纖維,碳纖維復(fù)合材料在高溫條件下以及對(duì)材料強(qiáng)度、剛度、重量、疲勞度等有苛刻要求的應(yīng)用領(lǐng)域具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。 由碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合而成的復(fù)合材料，由于其比重小、剛性好和強(qiáng)度高而成為一種先進(jìn)的航空航天材料。因?yàn)楹教祜w行器的重量每減少1公斤，就可使運(yùn)載火箭減輕500公斤。同樣，飛機(jī)重量的減輕也可以減少油耗，提高航速。 據(jù)報(bào)道，美國(guó)航天飛機(jī)上3級(jí)火箭推進(jìn)器的關(guān)鍵部件以及先進(jìn)的MX導(dǎo)彈發(fā)射管等，都是用先進(jìn)的碳纖維復(fù)合材料制成的。 此外，還廣泛應(yīng)用于體育器械、紡織、化工機(jī)械及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。,絢麗多彩的碳材料-碳纖維,三、富勒烯C60 1985年，美國(guó)化學(xué)家史莫利與英國(guó)化學(xué)家科爾托利用激光照射石墨，使其蒸發(fā)而成碳灰。質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)，這些碳灰中含有兩種不明物質(zhì)，其分子量分別為碳的60倍與70倍，故將它們分別命名為 C60與C70。C60中20個(gè)正六邊形和12個(gè)正五邊形構(gòu)成圓球形結(jié)構(gòu)，共有60個(gè)頂點(diǎn)，分別由60個(gè)碳原子所占有，經(jīng)證實(shí)它們屬于碳的第三種同素異形體，命名為富勒烯(Fullerene）。,絢麗多彩的碳材料-C60,C60結(jié)構(gòu)示意圖,C60晶胞,內(nèi)藏一個(gè)金屬原子鋰(Li)的C60,C60與堿金屬形成的系列化合物就成為超導(dǎo)體，如K3C60。這種超導(dǎo)體具有很高的超導(dǎo)臨界溫度。與氧化物超導(dǎo)體比較，C60系列超導(dǎo)體具有完美的三維超導(dǎo)性，電流密度大，穩(wěn)定性高，易于展成線材等優(yōu)點(diǎn)，是一類極具價(jià)值的新型超導(dǎo)材料。 與超導(dǎo)性一樣，鐵磁性是物質(zhì)世界的另一種奇特性質(zhì)。C60和有機(jī)分子作用可形成不含金屬的軟鐵磁性材料，以廉價(jià)的碳材料制成磁鐵替代價(jià)格昂貴的金屬磁鐵具有非常重要的意義。 C60分子具有良好的光學(xué)性能。由于它具有較大的非線性光學(xué)系數(shù)和高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，C60作為新型非線性光學(xué)材料具有重要的研究?jī)r(jià)值，有望在光計(jì)算、光記憶、光信號(hào)處理及控制等方面有所應(yīng)用。,絢麗多彩的碳材料-C60,就結(jié)構(gòu)而言，碳納米管可以看作是普通石墨的一個(gè)奇異變種。碳納米管的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于把石墨的平面組織卷成管狀，于是黑色的丑小鴨馬上就化做美麗的白天鵝，石墨管搖身一變成為納米科技的新寵。純碳納米管每克售價(jià)1000元，價(jià)格為黃金的10倍。在科學(xué)家的手中，碳納米管就像是魔術(shù)棒，不斷變換出各種新花樣。 碳納米管是目前人類制成的最細(xì)的管子，其粗細(xì)不超過頭發(fā)的萬分之一。,絢麗多彩的碳材料-碳納米管,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，碳納米管具有強(qiáng)度高、韌性好、重量輕、性能穩(wěn)定、柔軟靈活、導(dǎo)熱性好、表面積大等諸多優(yōu)點(diǎn)。 如果沿碳納米管邊沿的六邊形是沿著長(zhǎng)軸方向平行排列的，那么碳納米管就具有金屬特性，能夠?qū)щ?。但是，如果管壁的六邊形呈螺旋狀排列，那么該碳納米管就具有半導(dǎo)體的性質(zhì)。 在材料科學(xué)領(lǐng)域，碳納米管的長(zhǎng)度是其直徑的幾千倍，被稱為“超級(jí)纖維”。它的強(qiáng)度比鋼高100倍，但密度只有鋼的六分之一。它們非常微小，5萬個(gè)并排起來才有人的一根頭發(fā)那么寬。利用碳納米管可以制成高強(qiáng)度碳纖維材料。碳納米管還被認(rèn)為是新一代平面顯示材料，從而制成更薄的電視機(jī)。在能源領(lǐng)域，碳納米管可以在較低的氣壓下存儲(chǔ)大量的氫，因此有望利用碳納米管超強(qiáng)的儲(chǔ)氫能力制成安全、清潔的新型電池。,絢麗多彩的碳材料-碳納米管,1、下列各級(jí)物質(zhì)中既不是同素異形體，又不是同位素的是（ ） A 金剛石和石墨； B 37Cl和35Cl； C H2和D2； D O2和O3。 2、下列關(guān)于碳族元素性質(zhì)的敘述正確的是（ ） 隨原子序數(shù)的增加單質(zhì)的熔點(diǎn)逐漸升高；單質(zhì)中硅的熔點(diǎn)最高；單質(zhì)均為無色晶體；是由非金屬向金屬過渡的典型族；碳族元素的價(jià)電子是4個(gè)，介于易失電與易得電子的元素之間，幫故一般不易形成離子化合物；碳族元素形成的化合物種類最多；它們均以+4價(jià)為穩(wěn)定價(jià)態(tài)；從碳到鉛，A族元素最高價(jià)氧化物對(duì)應(yīng)水化物酸性逐漸增強(qiáng)。 A； B； C； D,鞏固訓(xùn)練,C,B,3、閱讀下列材料，回答下列問題：錫、鉛兩種元素的主要化合價(jià)是+2價(jià)和+4價(jià)，其中+2價(jià)錫元素的+4價(jià)鉛元素的化合物均是不穩(wěn)定的，+2價(jià)錫離子有強(qiáng)還原性，+4價(jià)鉛元素的化合物有強(qiáng)氧化