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。
碳与硅的对比：
杂化态
C.N. max 键离解能
C
Si
sp
sp3
sp2
sp3
sp3d2
4
6
C-C 346 > Si-Si 222
/kJ·mol-1
C-H 411 > Si-H 318
∴C-C 链长，烷种类多； Si-Si 链短（≤15 个 Si），硅烷种类少。
C-O 358 < Si-O 452
（ + p→d 反馈 π 源自）（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
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
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 。
C-F 485 < Si-F 565 Si 是亲 O、亲 F 元素。
成键特征
p-p π 键特征 p-pπ 非特征
§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
Chapter 14 The Carbon Family Elements
§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
价电子层 结构
2s22p2
3s23p2 4s24p2 5s25p2 6s26p2
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
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。
主要 氧化数
+4,(+2) +4,(+2) +4, +2 +4, +2 +4, +2
原子序数 6
14 32 50 82
C，Si IV>>II
+4
+2 Ge，Sn IV > II
Pb
II>>IV
第十四章 碳族元素
碳的特性
§14.1 通性
由于碳的原子半径最小，电负性最大，电离 能也最高，故共价键 C－C 键能非常大，又没有d 轨道。所以碳与本族其它元素之间的差异较大， 其主要表现为：
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。
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。
(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
碳单质的 同素异形体
杂化
晶体
金刚石
sp3 原子晶体
性质
硬度最大 熔点很高
石墨 C60
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
（1）它的配位数仅限于4
（2）碳的成键能力最强
（3）原子间能形成多重键
碳原子在化合物中的成键特征: sp3, sp2, sp
键
键能
键
键能
C-C
346
C-H
411
Si-Si
222
Si-H
318
Ge-Ge
167
C-O
358
Sn-Sn
155
Si-O
452
Si-Si键能为222kJ.mol-1，C-C键能为346 kJ.mol1，决定了硅链不能太长，其硅的化合物必然比碳的 化合物要少得多。Si-O键能为452 kJ.mol-1，比C-O 键能357.7 kJ.mol-1要高得多，决定了硅的化合物中 存在Si-O键的占有很大的比例。