handout4碳硅硼...ppt

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1、碳硅硼碳硅硼价电子构型：价电子构型：ns2np2碳族碳族(IVA)：C,Si,存在形式：存在形式：碳：金刚石、石墨；煤、石油、天然气；碳：金刚石、石墨；煤、石油、天然气；碳酸盐；碳酸盐；CO2。硅：硅：SiO2和各种硅酸盐。和各种硅酸盐。碳单质的同素异形体：碳单质的同素异形体：金刚石金刚石：原子晶体：原子晶体,硬度最大硬度最大,熔点最高。熔点最高。石墨石墨：层状晶体：层状晶体，质软，有金属光泽。，质软，有金属光泽。足球烯或富勒烯：足球烯或富勒烯：C60，C70等。等。C60是是1985年用激光轰击石墨作碳的气化年用激光轰击石墨作碳的气化实验时发现的。实验时发现的。C60是由是由12个五边形和个

2、五边形和20个六边形组成个六边形组成的的32面体。面体。石墨(sp2杂化)金刚石(sp3杂化)足球烯，富勒烯，C60 (sp2杂化)碳纳米管碳纳米管 1991年合成了一种新的针状碳年合成了一种新的针状碳管，管，巴基管巴基管 Buck Tube 碳同素碳同素异构体异构体全全部部由由碳碳六六边边形形组组成成的的中中空空管管，单单层层与与多多层（同轴套）层（同轴套）直直径径，0.6（10个个六六边边形形围围成成）-几几十十纳纳米米长度，长度，10-1000纳米纳米 碳纳米管是被拉长的碳纳米管是被拉长的C60，在纳米材料中最在纳米材料中最富代表性，碳纳米管涵盖了地球上大多数富代表性，碳纳米管涵盖了地球

3、上大多数物质的性质甚至相对立的两种性质：物质的性质甚至相对立的两种性质：从从高硬度到高韧性高硬度到高韧性、从、从全吸光到全透光全吸光到全透光、从从绝热到良导热绝热到良导热、从、从绝缘体、半导体到高绝缘体、半导体到高导体和高临界温度的超导体导体和高临界温度的超导体等。正是由于等。正是由于碳纳米管材料具有这些奇异的特性，决定碳纳米管材料具有这些奇异的特性，决定他在微电子和光电子领域具有广阔的应用他在微电子和光电子领域具有广阔的应用前景。前景。碳纳米管的发现，立刻引起了科技领域的碳纳米管的发现，立刻引起了科技领域的科学家们的极大关注。因为准一维纳米材科学家们的极大关注。因为准一维纳米材料在介观领域和

4、纳米器件研制方面有重要料在介观领域和纳米器件研制方面有重要的应用前景，它可用作的应用前景，它可用作扫描隧道显微镜的扫描隧道显微镜的针尖、纳米器件和超大集成电路中的连线，针尖、纳米器件和超大集成电路中的连线，光导纤维、微电子学方面的微型钻头以及光导纤维、微电子学方面的微型钻头以及复合材料的增强剂复合材料的增强剂。碳纳米管是碳纳米管是单层或多层石墨片围绕中心轴单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管。按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管。就是将以六边形为基本结构单元的石墨平就是将以六边形为基本结构单元的石墨平面卷曲成碳管，如果卷曲的轴取向不同，面卷曲成碳管，如果卷曲的轴取向不

5、同，所得的碳管结构则不同。所得的碳管结构则不同。每层纳米管是一个碳原子通过每层纳米管是一个碳原子通过sp2杂化与周杂化与周围围3个碳原则子完全键合后所构成的平行六个碳原则子完全键合后所构成的平行六边形平面组成的圆柱面。边形平面组成的圆柱面。单壁纳米管单壁纳米管多壁纳米管多壁纳米管纳米管有直形、弯曲、螺旋等不同外形。纳米管有直形、弯曲、螺旋等不同外形。实验研究发现，大多数的碳纳米管两端是实验研究发现，大多数的碳纳米管两端是闭合的。闭合的。碳纳米管的性能碳纳米管的性能 在目前的纳米结构材料中，单壁碳纳米管在目前的纳米结构材料中，单壁碳纳米管是人工制备的、理想的分子级的一维纳米是人工制备的、理想的分

6、子级的一维纳米材料。由于碳纳米管具有介观尺度，表现材料。由于碳纳米管具有介观尺度，表现出了与块体材料明显不同的物理性质。出了与块体材料明显不同的物理性质。（1）力学性质）力学性质 它的密度是钢的它的密度是钢的1/6，而强度，而强度却是钢的却是钢的100倍。是一种理想的先进复合材倍。是一种理想的先进复合材料的增强体。料的增强体。同时在垂直于同时在垂直于碳纳米管的轴碳纳米管的轴向上有极好的韧性，是未来的向上有极好的韧性，是未来的“超级纤维超级纤维”。如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如

7、果用它做成地球拉断的绳索。如果用它做成地球-月球乘月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。人的电梯，人们在月球定居就很容易了。纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。这是电视制造业的发展方向。（2）电学性质：碳纳米管具有独特的电学性）电学性质：碳纳米管具有独特的电学性质，可能成为下一代微电子和光电子器件质，可能成为下一代微电子和光电子器件的基本单元。的基本单元。（3）磁学性质）磁学性质（4）光学性质）光学性质（5）吸附特性：碳纳米管具有高比表面积。）吸附特性：碳纳

8、米管具有高比表面积。碳纳米管的应用研究碳纳米管的应用研究（1）电磁干扰屏蔽材料及隐形材料）电磁干扰屏蔽材料及隐形材料（2）电极材料）电极材料（3）储氢材料）储氢材料（4）场发射管（平板显示器）场发射管（平板显示器）（5）信息存储）信息存储（6）催化剂载体）催化剂载体（7）质子交换膜燃料电池碳纳米管）质子交换膜燃料电池碳纳米管（8）碳纳米管复合材料）碳纳米管复合材料活性碳的吸附性活性碳的吸附性 活性碳活性碳:主要是内表面主要是内表面,外表面很小外表面很小吸吸 附附:和催化特性极为相关和催化特性极为相关物理吸附物理吸附(physical adsorption)化学吸附化学吸附(chemical a

9、dsorption)作用作用大大,热效应大热效应大 碳的化合物碳的化合物结构：结构：CO(6+8=14e-)与与N2（27=14e-）是等电子体是等电子体,结构相似。结构相似。一个键两个键:C O:1.碳的氧化物碳的氧化物一氧化碳一氧化碳(CO):C O:性质：性质：作配位体，形成羰基配合物作配位体，形成羰基配合物Fe(CO)5,Ni(CO)4,Co2(CO)8其中其中C是配位原子。是配位原子。还原剂：还原剂：剧毒剧毒检验检验CO:CO+PdCl2+H2O =Pd+CO2+2HCl金属羰基化合物中的成键作用金属羰基化合物中的成键作用1.CO的分子轨道能级图的分子轨道能级图2.2.-配键的协同效

10、应配键的协同效应()成键成键成键 金属羰基化合物以及类似的配合物的研究也极大地金属羰基化合物以及类似的配合物的研究也极大地推动了价键理论的发展；推动了价键理论的发展；()协同成键方式丰富了协同成键方式丰富了配位成键的理论宝库配位成键的理论宝库;3.CO的配位方式的配位方式COCO不同的配位方式，可通过红外光谱鉴定。羰基不同的配位方式，可通过红外光谱鉴定。羰基化合物中反馈化合物中反馈 键的存在，削弱了键的存在，削弱了C C O O叁键，增强叁键，增强了了M MC C键，使得键，使得MCMC伸缩振动频率增大，伸缩振动频率增大，C C O O伸缩振动频率减小。伸缩振动频率减小。CO2 H2CO3及盐

11、及盐 CO2溶于水，大部分溶于水，大部分CO2H2O，极小部分极小部分H2CO3-71-332104.4 HCOH COH=+K11-2-23-3104.7 COH HCO=+K氢氧化物碱性较强的金属离子与之反应生氢氧化物碱性较强的金属离子与之反应生成碳酸盐沉淀。成碳酸盐沉淀。例如：例如：Ba2+、Sr2+、Ca2+和和Ag+等。等。金属离子加入可溶性碳酸盐时，生成沉金属离子加入可溶性碳酸盐时，生成沉淀的类型：淀的类型：氢氧化物碱性较弱的金属离子与之反应生氢氧化物碱性较弱的金属离子与之反应生成碳酸羟盐成碳酸羟盐(碱式碳酸盐碱式碳酸盐)沉淀。沉淀。例如：例如：Pb2+、Bi3+、Cu2+、Cd2

12、+、Zn2+、Hg2+、Co2+、Ni2+和和Mg2+等。等。水解性强、两性的金属离子与之反应生水解性强、两性的金属离子与之反应生成氢氧化物沉淀。例如：成氢氧化物沉淀。例如：Al3+、Fe3+、Cr3+、Sn2+、Sn4+和和Sb3+等。等。(g)3CO(s)Al(OH)2O3H3COAl2232-233+(g)CO(s)CO(OH)MgOH2CO2Mg23222-232+(g)CO(s)CO(OH)CuOH2CO2Cu23222-232+若若将将0.2mol/lNa2CO3和和0.2mol/lCaCl2混混合合,是是生生成成Ca(OH)2还是还是CaCO3Ksp:5.510-62.510-9

13、Ca2+CO32-=0.10.1=10-22.510-9Ca2+OH-2=0.1(4.510-3)2=210-6KspMg2+OH-2=210-6Ksp生成碱式盐生成碱式盐Mg(OH)2CO3有兴趣的同学可以讨论一下，什么时候生成碱式盐。有兴趣的同学可以讨论一下，什么时候生成碱式盐。1.动力学动力学Ksp时，来不及选择，一起沉淀。时，来不及选择，一起沉淀。2.热力学，热力学，Mg2(OH)2CO3的的pH值为多少？值为多少？Mg2+CO32-=Ksp=110-5Mg2+OH-2=Ksp=1.810-11而而 OH-=910-7pOH=6.04,pH=8但是，但是，Mg2(OH)2CO3为一纯净

14、物，有它自己的稳定性，故在为一纯净物，有它自己的稳定性，故在pH=6左右很大的区间内生成左右很大的区间内生成Mg2(OH)2CO3若将若将CO32-改成改成HCO3-，则以相同的计算，并可则以相同的计算，并可知：知：0.1molL-1的的NaHCO3，OH-=210-6，则则M2+HCO3=MCO3Ca2+，Sr2+，Ba2+，Cd2+，Mn2+，Ni2+，Ag2+，M2+HCO3=M2(OH)2CO3Cu2+，Zn2+，Be2+，Co2+M3+HCO3=Fe3+，Al3+，Cr3+若用若用CO2通入通入NaHCO3中呢？中呢？若用若用CO2通入水中呢？通入水中呢？硅硅重点为硅酸盐重点为硅酸盐

15、3-1 单质硅单质硅一、一、SiO2+2C Si+2CO提纯，提纯，Si+Cl2 SiCl4 Si+HCl高高纯纯硅硅（用用于于半半导导体体），区区域域熔熔融融法法。可可达达7个个9(Hyperpure silicon)H2 二、二、3Si+4HNO3+18HF=3H2SiF6+4NO+8H2OSi+2NaOH+H2O=2H2+Na2SiO3 Si+HNO3 不反应不反应 无无HF时不反应。时不反应。而而Si+HF=SiF4+2H2常温下也不反应。常温下也不反应。硅的化合物硅的化合物1.1.硅的氧化物硅的氧化物无定型体：石英玻璃、硅藻土、燧石无定型体：石英玻璃、硅藻土、燧石晶体：天然晶体为石英

16、，属于原子晶体晶体：天然晶体为石英，属于原子晶体纯石英：纯石英：水晶水晶含有杂质的石英：含有杂质的石英：玛瑙，紫晶玛瑙，紫晶Si采用sp3杂化轨道与氧形成硅氧四面体硅氧四面体硅氧四面体二氧化硅二氧化硅 结构结构：性质：性质：与碱作用与碱作用与与HF作用作用2.硅酸及硅酸盐硅酸及硅酸盐 H4SiO4原硅酸原硅酸硅酸硅酸H2SiO3偏硅酸偏硅酸xSiO2yH2O多硅酸多硅酸性质：性质：12210132106.1107.1 SiOH-=，溶解度小，是二元弱酸溶解度小，是二元弱酸KK制备制备：浸透过浸透过CoCl2的硅胶为变色硅胶的硅胶为变色硅胶。胶冻状硅酸硅胶-H2O2NaClSiOH2HClSiO

17、Na3232+(g)2NH2NaClSiOHCl2NHSiONa332432+硅酸盐结构复杂硅酸盐结构复杂,一般写成氧化物形式，一般写成氧化物形式，它的基本结构单位为硅氧四面体。它的基本结构单位为硅氧四面体。白云石：K2O 3Al2O3 6SiO2 2H2O泡沸石：Na2O Al2O3 2SiO2 nH2O分分子子筛筛4.硅的卤化物硅的卤化物SiX4 SiF4 SiCl4 SiBr4 SiI4聚集态 g l l s（氟硅酸）水解：熔沸点 低 高 分子量 小 大*5.5.硅的氢化物硅的氢化物(硅烷硅烷 SiSin nH H2n+22n+2)性质：最简单的硅烷：SiH4(甲硅烷)自燃：水解：强还原

18、性：热稳定性差：一、硅烷为什么没有碳烷多一、硅烷为什么没有碳烷多 Si-Si键键C-C键键二、实验室是用二、实验室是用SiO2+Mg条制条制Si的，但是有人制得的的，但是有人制得的Si后加后加HCl洗时突然起火，洗时突然起火，why?SiO2+Mg=Mg2Si+MgOMg2Si+4HCl=SiH4+MgCl2SiH4+O2=自燃自燃 三、反应三、反应SiH4+2KMnO4 =H2+K2SiO3+2MnO2+H2O问题：问题：why?SiO2+HF反应反应SiO2+HCl反应反应 硼硼B B，价电子构型：价电子构型：2s22p1缺电子元素：价电子数缺电子元素：价电子数 价层轨道数价层轨道数缺电子

19、化合物：成键电子对数缺电子化合物：成键电子对数 价层轨道数价层轨道数例如：例如：BFBF3 3，H H3 3BOBO3 3。注意：注意：HBFHBF4 4不是缺电子化合物。不是缺电子化合物。缺电子化合物特点：缺电子化合物特点：b.易形成双聚物易形成双聚物AlAl2 2ClCl6 6HF BF3a.易形成配位化合物易形成配位化合物HBFHBF4 4硼的单质硼的单质同素异形体：无定形硼，同素异形体：无定形硼，晶形硼晶形硼棕色粉末棕色粉末,黑灰色黑灰色化学活性高，化学活性高，硬度大硬度大熔点，沸点都很高。熔点，沸点都很高。-菱形硼（菱形硼（B B1212）原子晶体原子晶体B12 与与B12之间是之间

20、是3c-2e键，层与键，层与层之间层之间键键 20世世纪纪50、60年年代代以以来来，由由于于航航天天事事业业的的飞飞速速发发展展，硼硼烷烷曾曾被被指指望望用用来来作作为为火火箭箭燃燃料料(基基于于硼硼烷烷与与氧氧反反应应发发出出大大量量的的热热)。这这种种愿愿望望推推动动着着硼硼烷烷的的制制备备和和合合成成工工艺艺的的发发展展，同同时时也也促促进进了了硼硼烷烷化化学学的的基基础础研研究究工工作作。1957年年，美美国国化化学学家家Lipscomb通通过过对对各各种种硼硼烷烷结结构构的的系系统统研研究究，提提出出了了在在这这些些缺缺电电子子化化合合物物中中存存在在着着三三中中心心二二电电子子共

21、共价价键键的的多多中中心心键键的的假假设设，并并总总结结了了各各种种硼硼烷烷构构成成多多面面体体结结构构的的规规律律,他他的的这这一一杰杰出出的的工工作作赢赢得得了了1976年年的诺贝尔化学奖。的诺贝尔化学奖。硼的化合物硼的化合物1.硼的氢化物硼的氢化物硼烷分类：硼烷分类：BnHn+4和和BnHn+6例：例：B2H6B4H10乙硼烷乙硼烷丁硼烷丁硼烷有有CH4，但无但无BH3最简单的硼烷：最简单的硼烷：B2H6其结构并非如右图所示：其结构并非如右图所示：无无BH3而有而有BF3，why?BFFFBClClCl而而BH3无此键。无此键。硼烷的结构硼烷的结构 B：利用利用sp3杂化轨道，与氢形成三

22、杂化轨道，与氢形成三中心两电子键。（氢桥）中心两电子键。（氢桥）记作：BBHHHHHHBBHBHB键键BBBBBBBBB键键开口式开口式闭口式闭口式B4H10分子结构硼烷的性质硼烷的性质 自燃自燃高能燃料，剧毒高能燃料，剧毒水解水解加合反应加合反应被氯氯化被氯氯化三氧化二硼三氧化二硼B2O3B(无定形)B2O3H3BO3O2Mg或Al+H2O-H2O制备：原子晶体：熔点原子晶体：熔点460 C无定形体：软化无定形体：软化2.硼的含氧化合物硼的含氧化合物结构：性质：偏硼酸(原)硼酸xB2O3yH2O 多硼酸B2O32HBO22H3BO3+H2O+H2O-H2O-H2OB：sp2杂化杂化 硼酸硼酸

23、 H H3 3BOBO3 3为什么为什么H3BO3的溶解度很小？而加热又的溶解度很小？而加热又迅速上升？迅速上升？H3BO3以氢键连成层状结构后，同一层以氢键连成层状结构后，同一层内氢键达到饱和，使它不与水缔合，而内氢键达到饱和，使它不与水缔合，而加热则破坏了这种缔合。加热则破坏了这种缔合。一元弱酸一元弱酸(固体酸固体酸)与多羟基化合物加合与多羟基化合物加合 受热易分解受热易分解=5.810-10 硼砂硼砂结构：结构：构成缓冲溶液构成缓冲溶液pH=9.24(20 )水解呈碱性水解呈碱性 与酸反应制与酸反应制H3BO3脱水脱水硼砂珠实验：硼砂珠实验：氮化硼氮化硼 BN与与C2是是等电子体，性质相

24、似：等电子体，性质相似：BN有三种晶型：有三种晶型：无定型无定型(类似于无定型碳类似于无定型碳)六方晶型六方晶型(类似于石墨类似于石墨)作润滑剂作润滑剂立方晶型立方晶型(类似于金刚石类似于金刚石)作磨料作磨料中国化学会第中国化学会第24届全国高中学生化学竞赛（省级赛届全国高中学生化学竞赛（省级赛区）试卷区）试卷第第6 题（题（8分）分）在我国青海、西藏等地有许多干涸盐湖盛产一种钠盐Q。Q为一种易溶于水的白色固体。Q的水溶液用硫酸酸化，得到弱酸X。X为无色小片状透明晶体。X和甲醇在浓硫酸存在下生成易挥发的E。E在空气中点燃呈现绿色火焰。E和NaH反应得到易溶于水的白色固态化合物Z（分子量37.83）。