碳族元素
[碳族元素] 包括碳(6C)、硅(14Si)、锗(32Ge)、锡(50Sn)和铅(82Pb)5种元素.碳族元素位于元素周期表中第ⅣA族。
[碳族元素的原子结构]
相似性:
①最外层电子数均为4个;
②主要化合价: 2价、 4价.其中C、Si、Ge、Sn的 4价化合物稳定;Pb的 2价的化合物稳定,但 4价的Pb的化合物却是不稳定的,如PbO2具有强氧化性。
(2)递变规律:按碳、硅、锗、锡、铅的顺序,随着核电荷数的增加,电子层数增多,原子半径增大,失电子能力增强,得电子能力减弱,非金属性减弱,金属性增强。由于碳族元素的最外层为4个电子,因此由非金属性向金属性递变的趋势很明显。在碳族元素的单质中,碳是非金属;硅虽然是非金属,但却貌似金属(为灰黑色固体),且为半导体;锗具有两性,但金属性比非金属性强,为半导体;锡和铅为金属。
*[C60] C60与金刚石、石墨一样,都属于碳的同素异形体。C60是一种由60个碳原子构成的单质分子,其形状如球状的多面体,在C60分子中有12个五边形和20个六边形。
[硅]
(1)硅在自然界中的含量:硅在地壳中的含量居第二位(含量第一位的为氧元素)。
(2)硅在自然界中的存在形式:自然界中无单质硅,硅元素全部以化合态存在,如二氧化硅、硅酸盐等.化合态的硅是构成地壳的矿石和岩石的主要成分。
(3)单质硅的物理性质:单质硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体。其熔点、沸点很高,硬度很大(晶体硅的结构类似于金刚石)。晶体硅是半导体。
(4)单质硅的化学性质:
①在常温下,硅的化学性质不活泼,不与O2、Cl2、H2SO4、HNO3等发生反应,但能与F2、HF和强碱反应。例如:Si 2NaOH H2O =Na2SiO3 2H2↑
②在加热时,研细的硅能在氧气中燃烧:Si O2 SiO2
(5)用途:
①硅可用来制造集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件,还可制成太阳能电池。
②利用硅的合金,可用来制造变压器铁芯和耐酸设备等。
(6)工业制法.用焦炭在高温下还原SiO2可制得含有少量杂质的粗硅:
SiO2 2C Si 2CO↑
[二氧化硅]
(1)二氧化硅在自然界中的存在:天然二氧化硅叫硅石。石英的主要成分为二氧化硅晶体,透明的石英晶体叫做水晶,含有有色杂质的石英晶体叫做玛瑙。二氧化硅是一种硬度很大、熔点很高的固体。
(2)化学性质:
①SiO2是酸性氧化物.例如: SiO2 CaO CaSiO3
SiO2 还可与NaOH反应:SiO2 2NaOH(水溶液中或熔融态) =Na2SiO3 H2O
注意 a.由于SiO2与强碱溶液反应生成了粘性很强的Na2SiO3溶液,因此盛放碱性的试剂瓶不能用玻璃塞,以防止瓶塞和瓶子粘在一起.
b.SiO2不溶于水,也不与水反应.因此,不能通过SiO2与H2O反应的方法来制取其对应的水化物——硅酸(H2SiO3).制取H2SiO3的方法如下:
Na2SiO3 2HCl =2NaCl H2SiO3↓
或 Na2SiO3 CO2 H2O =Na2CO3 H2SiO3↓
硅酸(H2SiO3)不溶于水,其酸性比H2CO3还弱。
②SiO2能与氢氟酸发生反应: 4HF SiO2=SiF4 2H2O
SiO2是玻璃的主要成分,因此盛氢氟酸的试剂瓶不能用玻璃容器(可用塑料瓶)。
(3)用途:
①二氧化硅是制造高性能通讯材料——光导纤维的重要原料。
②石英用来制造石英电子表、石英钟。较纯净的石英用来制造石英玻璃,石英玻璃常用来制造耐高温的化学仪器。
③水晶常用来制造电子工业中的重要部件、光学仪器、工艺品和眼镜片等。
④玛瑙用于制造精密仪器轴承、耐磨器皿和装饰品。
[硅酸盐]
(1)自然界中硅酸盐的存在:硅酸盐是构成地壳岩石的主要成分,自然界中存在的各种天然硅酸盐约占地壳质量的5%。粘土的主要成分是硅酸盐。粘土是制造陶瓷器的主要原料。
(2)用氧化物的形式来表示硅酸盐的方法:
①先将硅酸盐中所含的各元素用氧化物形式表示;
②将各种氧化物按下列顺序进行排列,各氧化物之间用“· ”开。例如:
金属氧化物(有多种金属氧化物时按金属活动顺序表排列)→SiO2→H2O
Na2SiO3: Na2O·SiO2
A12(Si2O5)(OH)4: A12O3·2SiO2·2H2O