(锗石矿)； 锡：SnO2 (锡石矿)； 铅：PbS (方铅矿)
第十四章 碳族元素
二、碳族元素单质
§14.2 单质及化合物
1. 碳的同素异形体
碳单质的 同素异形体
金刚石
石墨 C60
碳单质的同素异形体
杂化 晶体
性质
sp3 原子晶体
硬度最大 熔点很高
质软，有金属光
sp2 层状晶体 泽，有导电、导
热性
第十四章 碳族元素
第十四章 碳族元素
§14.2 单质及化合物
冶炼：
Si和Ge：首先将原料转化成SiCl4(b.p.330K)和 GeCl4 (b.p.356K)，然后精馏提纯。
SiO2 + 2C + 2Cl2 = SiCl4 + 2CO SiCl4 + 2Zn(Mg) = Si + 2ZnCl2 (MgCl2) GeCl4 + (x+2)H2O = GeO2.XH2O + 4HCl GeO2 + 2H2 = Ge + 2H2O
不反应
H2SO4
Ge+H2SO4(浓)→ Ge(SO4)2 + SO2↑+H2O
HNO3 Ge+HNO3(浓) →GeO2·xH2O
Sn2+ / Sn - 0.1375 2HCl(浓)+Sn SnCl2+H2↑
似左
Pb2+ / Pb - 0.1263
Pb +2HCl(稀)=PbCl2(s)+H2↑ Pb +3HCl(浓)=HPbCl3+H2↑ Pb + 2H2SO4(浓) Pb(HSO4)2+H2 ↑
Si + O2 = SiO2 Si + 2X2 = SiX4 Si + 2OH- + H2O = SiO32- + 2H2 3Si + 18HF + 4HNO3 = 3H2SiF6 + 4NO + 8H2O
第十四章 碳族元素
3. Ge、Sn、Pb
§14.2 单质及化合物
Ge：灰白色脆性金属，金刚石型晶体结构。 m.p.，1210K，它略比Si活泼，高纯Ge也是一种良 好的半导体材料。
Sn + H2SO4(稀) = SnSO4 + H2↑
HNO3(浓)：似左 → SnO2·xH2O
-锡酸，不溶于酸碱 Sn + HNO3(很稀)
→ Sn(NO3)2 +NH4NO3
Pb + H2SO4(稀) = PbSO4↓+ H2↑ Pb + HNO3(稀) → Pb(NO3)2 + NO
a．Pb与任何浓度的硝酸反应都得到Pb(NO3)2 b．Sn与浓HNO3反应得到Sn(IV)，与稀HNO3反应得到Sn(II)
（1） 金刚石 结构 • 典型的原子晶体 • sp3杂化 •空间构型
§14.2 单质及化合物
第十四章 碳族元素
§14.2 单质及化合物
性质 • 熔 、沸点高，硬度大，不导电 • 室温下对所有化学试剂显惰性
第十四章 碳族元素
（2）石墨 结构 •层状晶体 • sp2杂化 • 空间构型
§14.2 单质及化合物
第十四章-碳族
§14-1 碳族元素的通性
价层电子组态为ns2np2; 形成共价化合物是本族元素的特征;
第十四章 碳族元素
§14.1 通性
碳族元素的性质
元素符号 C
Si Ge Sn Pb
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
价电子层 结构
2s22p2
3s23p2 4s24p2 5s25p2 6s26p2
主要 氧化数
+4,(+2) +4,(+2) +4, +2 +4, +2 +4, +2
Sn：三种同素异形体。
286K
434K
灰锡
白锡
脆锡
α型
β型
γ型
Pb：软、强度不高的金属，密度很大
(11.35g.cm-3)，m.p. 601K，新鲜的Pb表面有金属光
泽，它受空气中的氧、水、CO2作用，迅速生成一 层致密的碱式碳酸盐保护层。
第十四章 碳族元素
§14.2 单质及化合物
锡、锗、铅都是两性金属
原子序数 6
14 32 50 82
C，Si IV>>II
+4
+2 Ge，Sn IV > II
Pb
II>>IV
§14-2 碳族元素的单质及其化合物
一、碳族元素在自然界中的分布
碳：石墨、金刚石、煤、石油、天然气、动植物、 石灰石、CO2等。
硅：SiO2； 锗：4Ag2S.GeS2 (硫银锗矿)、Cu2S.FeS.GeS2
第十四章 碳族元素
在 C60 中碳原子 为 sp2 杂化，未参加 杂化的一个 p 轨道在 C60 球壳外围和内腔 形成大π键。
§14.2 单质及化合物
12个五边形 20个六边形
第十四章 碳族元素
§14.2 单质及化合物
其结构与建筑学家富勒.布 基明斯特为1967年为蒙特利尔 设计的世博会建筑物相同， 故名叫富勒烯。人们在C60的 大量合成方法建立后两年内 发现了它的数十个反应，其 中许多与烯烃的金属有机化 学相类似。C60象一些配体那 样在富电子铂配合物中以两 个碳原子与金属键合。
第十四章 碳族元素
•冶金工业中的碳还原反应 参见书P437，图14-5
§14.2 单质及化合物
Ellingham图（△rGm -T图）
第十四章 碳族元素
§14.2 单质及化合物
2、硅
Si: 的晶体结构类似于金刚石，熔点1683K，灰 黑色，有金属外貌，性硬碎。低温下，单质硅并不 活泼，与水、空气和酸均无作用。但能与强氧化剂 和强碱溶液作用。
K3C60
第十四章 碳族元素
性质
§14.2 单质及化合物
• C60分子具有球形的芳香性，可以合成C60Fn，作为超 级润滑剂。 • 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。 • 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。
Sn + 2HCl SnCl2 + H2 Sn + OH- + 2H2O Sn(OH)42- + H2 Ge + 2KOH + 2H2O2 K2[Ge(OH)6] Pb + 2H2O + 2KOH K2[Pb(OH)4] + H2↑
第十四章 碳族元素
§14.2 单质及化合物
E
A
HCl
Ge2+ / Ge + 0.23
第十四章 碳族元素
§14.2 单质及化合物
性质 • 良好的导电性和导热性 • 质软，具有润滑性 • 化学性质较金刚石稍显活泼
（3）碳原子簇：Cn，n通常小于200。
Robert F Curl Jr Harold W Kroto Richard E Smalley
20世纪80年代，人们发现了第三种碳的同 素异形体——C60 。