4A 第十五章碳族元素 & He2a知 12.01 Chapter 15 The carbon family elements 31 [Ne]3s23p silicon 28.09 Carbon (C) Silicon (Si) Ge [Ar4s23d104 germanium 72.58 Germanium (Ge) Stannum (Sn) 0 Sn Tin K15s24d105p tin 118.7 Plumbum(Pb) 2 Pb Lead lead 207.2 ns2np2
第十五章 碳族元素 Chapter 15 The carbon family elements Carbon (C) Silicon (Si) Germanium (Ge) Stannum (Sn) Plumbum (Pb) Tin Lead ns2np2
碳族元素结构的相似性及递变性 carbon silicon germanium tin lead Valence electron configuration 2s22p2 3s23p2 4s24p2 5s25p2 6s26p2 Atomic number 6 14 32 50 82 Covalent 77 118 122 141 154 radius/pm ionic radius M2+ 73 93 120 /pm M4平 16 42 53 71 84 I1/kJ·mol 1086 787 762 709 716 I2/kJ·mo1 2353 1577 1537 1412 1450 I3/kJ·mol 4621 3232 3302 2943 3081 I4/kJ·mol 6223 4356 4410 3930 4083 Electronegativity 2.55 1.90 2.01 1.96(IV) 2.33(V) (pauling) 1.80( 1.87) Ex-x)(kJ·mo) 345.6 222 188 146.4 >易形成共价键，难形成离子键； >碳元素形成的化合物种类是最多的。 2
carbon silicon germanium tin lead Valence electron configuration 2s2 2p2 3s2 3p2 4s2 4p2 5s2 5p2 6s2 6p2 Atomic number 6 14 32 50 82 Covalent radius/pm 77 118 122 141 154 ionic radius /pm M2+ - - 73 93 120 M4+ 16 42 53 71 84 I1/kJ·mol-1 1086 787 762 709 716 I2/kJ·mol-1 2353 1577 1537 1412 1450 I3/kJ·mol-1 4621 3232 3302 2943 3081 I4/kJ·mol-1 6223 4356 4410 3930 4083 Electronegativity (pauling) 2.55 1.90 2.01 1.96(IV) 1.80(II) 2.33(IV) 1.87(II) E(x-x) (kJ·mol-1 ) 345.6 222 188 146.4 - 碳族元素结构的相似性及递变性 ¾ 易形成共价键，难形成离子键； ¾ 碳元素形成的化合物种类是最多的。 2
碳族元素结构的相似性及递变性 元素名 单质密 元素符 原子半 状态（标 单质熔 单质沸 称 号 主要化合价 祝) 度（克/立方厘 径(nm) 点(C) 点(C) 米) 3.51(金刚石) 碳 0.077 0,+2,+4 固体 3550 4827 2.25(石墨) 硅 si 0.117 0,+2,+4 固体 2.33 1410 2355 储 Ge 0.122 0,+2,+4 固体 5.35 937.4 2830 锡 Sn 0.141 0,+2,+4 固体 7.28 231.9 2260 铅 Pb 0.175 0,+2,+4 固体 11.34 327.5 1740 clear(diamond)&black(graphite) n silvery(left.beta)or gray (right.alpha) Grayish-white Ge crystalline,reflective with bluish-tinged faces Metallic gray Si Pb A 12 gram(2x3 cm)polycrystalline block of Ge with uneven cleaved surfaces
碳族元素结构的相似性及递变性 C Ge Si Sn Pb 3
$15-1 Carbon and its compounds >1 存在：以多种形式广泛存在于大气和地壳之中（在地壳中的含量约 0.027%)。碳单质很早就被人认识和利用，碳的一系列化合物一有机物 更是生命的根本。生物体内大多数分子都含有碳元素。 ~同位素：在地球的自然界里，碳12在所有碳的含量占98.93%，碳13则有 1.07%。C的原子量取碳12、13两种同位素丰度加权的平均值，一般计算时 取12.01。碳12是国际单位制中定义摩尔的尺度，以12克碳12中含有的原子 数为1摩尔。 > 用途： ◆在工业上和医药上，碳和它的化合物用途极为广泛。 ◆测量古物中碳14的含量，可以得知其年代，这叫做碳14断代法（由于碳 14具有较长的半衰期)。 石墨可以直接用作炭笔，也可以与粘土按一定比例混合做成不同硬度的 铅芯。 ◆ 金刚石除了装饰之外，还可使切削用具更锋利。 ◆ 无定形碳由于具有极大的表面积，被用来吸收毒气、废气。 ·富勒烯和碳纳米管则对纳米技术极为有用。 ◆由于石墨的分子间只有微弱的范德华引力，所以它们容易滑动，适合用 来作润滑剂，而石墨处於高温时不容易挥发，所以适合在掘隧道时使用。 碳是钢的成分之一。 ◆ 碳能形成大量化合物，在生物上和商业上是重要的分子
§15-1 Carbon and its compounds ¾ 存在：以多种形式广泛存在于大气和地壳之中（在地壳中的含量约 0.027% ）。碳单质很早就被人认识和利用，碳的一系列化合物——有机物 更是生命的根本。生物体内大多数分子都含有碳元素。 ¾ 用途： 在工业上和医药上，碳和它的化合物用途极为广泛。 测量古物中碳14的含量，可以得知其年代，这叫做碳14断代法（由于碳 14具有较长的半衰期）。 石墨可以直接用作炭笔，也可以与粘土按一定比例混合做成不同硬度的 铅芯。 金刚石除了装饰之外，还可使切削用具更锋利。 无定形碳由于具有极大的表面积，被用来吸收毒气、废气。 富勒烯和碳纳米管则对纳米技术极为有用。 由于石墨的分子间只有微弱的范德华引力，所以它们容易滑动，适合用 来作润滑剂，而石墨处於高温时不容易挥发，所以适合在掘隧道时使用。 碳是钢的成分之一。 碳能形成大量化合物，在生物上和商业上是重要的分子。 ¾ 同位素：在地球的自然界里，碳12在所有碳的含量占98.93%，碳13则有 1.07%。C的原子量取碳12、13两种同位素丰度加权的平均值，一般计算时 取12.01。碳12是国际单位制中定义摩尔的尺度，以12克碳12中含有的原子 数为1摩尔。 4
Carbon cycle Plants,algae,many bacteria (Autotrophs) Carbon Cycle Atmosphere 750 (Co.) Organic Carbon dioxide compounds Water Oxygen Animals,fungi many bacteria Storage in GIC Fluxes in GtCryr (Heterotrophs) Correlation between the carbon cycle and formation of organic compounds 5
Correlation between the carbon cycle and formation of organic compounds Carbon cycle 5
“低碳生活”(low-carbon life) 生活作息时所耗用的能量要尽量减少，从而减低碳，特别是二氧化碳的排放量， 从而减少对大气的污染，减缓生态恶化，主要是从节电、节气和回收三个环节 来改变生活细节。 秀举安甲樱望馨男提出 用传统的发条式闹钟梦代电子钟) 低碳生活 ○用传统牙刷替代电动牙刷 》 用公园慢跑替代电动跽步机上的锻炼 ⊙案暴我拳火车去8公里以外的地方， 从我做起8 洗衣服时用自然晾干替代洗衣机甩干 ○衰金紫禁感时间和下斑后关闭电脑 ○改用节水型淋浴喷头 m.c loW-carbon-ife专业低碳生活网站 检索 http://www.low-carbon-life.cn/ 首页 低碳生活 低碳经济 环保歌曲 低碳新问 低碳饮食 低碳产业 图说低碳 碳交易 低碳专题
http://www.low-carbon-life.cn/ 生活作息时所耗用的能量要尽量减少，从而减低碳，特别是二氧化碳的排放量， 从而减少对大气的污染，减缓生态恶化，主要是从节电、节气和回收三个环节 来改变生活细节。 “低碳生活”(low-carbon life) 低碳生活 从我做起! 6
一、 General properties >1 根据o键的数目，碳可采取sp、Sp2、Sp杂化，其 最大配位数为4 > 由于碳碳单键的键能特别大，所以C一C键非常稳定， 具有形成均键(homochains)的倾向 C-C N-N 0-0 F一F E(kJmol 374 250 210 159 实例 H:C-CH3 H2N-NH2 HO-OH ※从碳到氮的单键键能的突减，是由于氮原子非键电 子对排斥的缘故
一、General properties ¾ 根据σ键的数目，碳可采取sp、sp2 、sp3杂化，其 最大配位数为4 ¾ 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 ※从碳到氮的单键键能的突减，是由于氮原子非键电 子对排斥的缘故。 C－C N－N O－O F－F E (kJ·mol1 ) 374 250 210 159 实 例 H3C－CH3 H2N－NH2 HO－OH 7
碳的成键形式 成键形式 价键结构 化合物举例 sp3杂化 正四面体 4个单键 sp杂化，2个单键， >C= 1个双键 平面三角形 sp杂化，1个单键， 一C≡ 1个叁键 直线形 sp杂化，1个叁键，1 :C= 直线形 个孤电子对 8
碳的成键形式 8
二、Simple substance 1.在第二周期中，F、O、N都以双原子分子存在 一F2、O2和N2;而碳则存在多聚物？ O,和N2的多重键要比σ单键（均键）强得多，而C2分子 中的多重键比均链中的两个σ单键之和小 如： 0"0 -N-N-N- E(kJ.mol 494> 210+210 ，946 > 250+250 而： C=C -C-C-C E(kJ.mol) 627 < 374+374 .碳往往形成多原子均键，虽然在星际空间存在有 C2(g)分子 9
二、Simple substance 1. 在第二周期中，F、O、N都以双原子分子存在 — F2、O2和N2；而碳则存在多聚物？ ∵ O2和N2的多重键要比σ单键(均键)强得多，而C2分子 中的多重键比均链中的两个σ单键之和小 ∴ 碳往往形成多原子均键，虽然在星际空间存在有 C2(g)分子 9
2.Allotropes(同素异形体)： diamond,graphite,fullerene,carbon nanotube,graphene, Graphdiyne,carbin(carbon fibers) (1)熵：Scarbin>Sgraphite>Sdiamond (2)dc.c(nm):diamond graphite carbin (3)Cgraphite →Cdiamond △H>0△S<0 1000 根据平衡，需要高压6x109一1x1010Pa, 升高温度不利于平衡的移动，但为了达到该 diamond 10 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 01 的方法：把金刚石晶种(seed)放在气态碳氢 0.01 化合物（甲烷methane,.乙烷ethane)中， 0.001 温度升高到1000℃，可以得到金刚石粉末或 Theoretically predicted phase diagram of 者crystal whiskers。 carbon 10
(3) Cgraphite Cdiamond ∆H > 0 ∆S Sgraphite > Sdiamond (2) dC-C (nm): diamond > graphite > carbin 根据平衡，需要高压6x109—1x1010Pa， 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, 乙烷ethane）中， 温度升高到1000℃,可以得到金刚石粉末或 者crystal whiskers。 10