第一节 碳族元素
1、画出C、Si 原子结构示意图。
2、指出碳族元素在周期表中的位置。
3、根据各周期所增加元素种类，能否推测 出碳族元素的原子序数。
碳族元素在周期表中的位置
碳族元素原子 结构示意图
讨论：
1、碳族元素在原子结构上 的异同点？
2、能否根据碳族元素结构 上的递变推导出其性质的递 变规律？
绚丽多彩的碳材料--碳纤维
二、碳纤维
碳纤维是一种主要由碳元素组成的特种纤维，其含碳 量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有碳素 材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐 蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的 各项异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维方向表 现出很高的强度。碳纤维比重小，有很高的比强度。 碳纤维是由含碳量较高、在热处理过程中不熔融的人 造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化 等工艺制成的。
碳族元素的化学性质
Байду номын сангаас
元 素
得电子 失电子 氢化物 能力 能力 稳定性
主要氧化物
最高价氧化物 的水化物
C
酸
性
Si
减
弱，
Ge
碱
Sn
性 增
Pb
强
碳族元素性质变化的规律性
相似性：
1、最外层4个电子，易形成共价键 2、主要化合价：+4、+2 3、最高价氧化物：RO2
对应水化物：H2RO3或H4RO4 [R(OH)4]
石墨原子结构图
绚丽多彩的碳材料
天然金刚石是一种珍稀矿物，是宝石之王，因为它是世界上最硬 的天然材料。精心琢磨后的金刚石透明有光泽，能呈现出极艳丽 的色彩，成为世界上最昂贵的珍宝，也是历代统治者权势和财富 的象征。在英国，有一根象征皇权的英王权杖，杖上就镶有一颗 称为“非洲之星”的世界最大的钻石；而在国王的王冠上，则镶 嵌着象征至高无上皇位的世界第二大钻石。这两颗钻石既是英国 曾经辉煌于世界的见证，也是工匠们勤劳和智慧的结晶。有趣的 是，既然金刚石是由碳元素组成，而碳在自然界是如此的丰富和 廉价，为什么不点石成金？长期以来，人工合成金刚石一直是人 类的梦想。自从1954年美国GE公司研制成功了世界上第一颗人造 金刚石以来，人造金刚石及其工业制品已经发展成一个应用领域 十分广泛的行业。
绚丽多彩的碳材料--石墨
石墨内部的碳原子呈层状排列，一个碳原子周围只有3 个碳原子与其相连，碳与碳组成了六边形的环状，无限 多的六边形组成了一层。层与层之间联系力非常弱，而 层内三个碳原子联系很牢，因此受力后层间就很容易滑 动，这就是石墨很软能写字的原因。石墨可用于制造电 极、润滑剂、铅笔芯、原子反应堆中的中子减速剂等， 也可以用作坩埚以及合成金刚石的原料。
发现：1886年由文克勒 （C.A.Winkler）在德国发现。
碳族元素的几种单质
锡(Sn) 主要性质和用途：
熔点为232.1 ℃,沸点为 2 270 ℃，密度为5.750 g/cm3（α）、7.310 g/cm3 （β）(20 ℃)。软而柔韧 的银白色金属。在氧化物膜 的保护下不跟氧反应，也不 跟水反应，但溶于酸和碱中。 用于焊锡、合金、镀锡、聚 合物添加剂和防腐涂料。 发现：远古文明已知。
绚丽多彩的碳材料
一、石墨与金刚石 金刚石和石墨的化学成分都是碳(C)，但是它们的结构和
性能却完全不同。金刚石是目前最硬的物质，而石墨却是 最软的物质之一。大家都知道铅笔芯就是用石墨粉和粘土 配制而成的，石墨粉含量多笔芯就软，用“B“表示，粘 土掺多了则硬，用“H”表示。矿物学家用摩氏硬度来表 示相对硬度，金刚石为10，而石墨的摩氏硬度只有1。它 们的硬度差别之所以这么大，关键在于它们的内部结构存 在很大差异。
发现：1823年由贝采里乌斯 （J.J.Berzelius）在瑞典制得。
碳族元素的几种单质
锗(Ge) 主要性质和用途：
熔点为937.5 ℃,沸点为2 830 ℃，密度为5.323 g/cm3(20 ℃)。超纯锗是银白色、脆的类 金属元素。在空气和水中稳定， 不跟酸（硝酸除外）和碱反应。 用于半导体、合金和红外装置 用的特种玻璃。
绚丽多彩的碳材料—金刚石
金刚石内部的碳原子呈 “骨架”状三维空间排 列，一个碳原子周围有 4个碳原子相连，因此 在三维空间形成了一个 骨架状，这种结构在各 个方向联系力均匀，联 结力很强，因此金刚石
具有高硬度的特性。
目前，世界工业用金刚石产量约15亿克 拉，其应用几乎涉及国计民生的各个领 域。比如，金刚石在光学玻璃冷加工、 地质钻探、陶瓷、汽车零件等机械加工、 金属拉丝等方面引起了革命性的工艺改 革，使加工效率、加工精度几十倍甚至 上百倍的提高。
碳族元素的几种单质
铅(Pb) 主要性质和
用途：熔点为327.7 ℃， 沸点为1 740 ℃，密度为 11.35 g/cm3（20 ℃）。 软，低强度，有可延展性， 暗灰色金属。在潮湿的空 气中会失去光泽，但对氧 和水稳定，溶于硝酸。用 于蓄电池、电缆、颜料、 玻璃、焊接剂、汽油和放 射屏蔽等。
发现：远古文明已知。
绚丽多彩的碳材料
碳是自然界分布最普遍的元素之一，也是构成地球上一切生命 体最重要的元素。以碳元素为主要构成的有机高分子材料，包 括塑料、橡胶和纤维等，已发展成为材料学三个主要学科方向 之一。
碳除了自然界存在多种同素异形体的碳材料外，科学家们通过 实验还合成了许许多多结构和性质完全不同的碳材料，如人们 熟悉的金刚石和石墨，以及近年来发现C60为代表的富勒烯以 及碳纳米粉体、管材、线材等。这些新型碳材料的特性几乎可 涵盖地球上所有物质的性质甚至相对立的两种性质，如从最硬 到极软、全吸光－全透光、绝缘体－半导体－高导体、绝热－ 良导热、高铁磁体、高临界温度的超导体等。
碳族元素的几种单质
硅(Si)
性质：熔点为1410 ℃，沸点为2 355 ℃，密度为2.329 g/cm3(20 ℃)。超纯半导体晶体是蓝灰色， 用碳还原砂子得到的无定形硅为 黑色。不跟氧气、水、酸（HF除 外）反应，但溶于热碱。用于制 半导体、合金和聚合物。
用途：用于制半导体、合金和聚 合物。
递变性： C Si Ge Sn Pb →
非金属性减弱，金属性增强
碳族元素的几种单质
碳(C)
性质: 熔点约为3 550 ℃（金 刚石），沸点约为4 827 ℃ （升华），密度为3.513 g/cm3(金刚石)、2.260 g/cm3(石墨)（20 ℃)。 用途: 用于首饰(金刚石)、炼 钢(焦炭)、印刷(炭黑)和精制 糖(活性炭)等。 发现:在自然界中以石墨（和 金刚石）存在。古代已知有木 炭和烟炱。