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11 非金属元素(二) 氧硫氮磷碳硅硼b


第十一章 氮族、碳族和硼族元素 碳族元素

1 碳族元素概述
2 3 4 5 6 0 12-2-1 碳族元素概述 ⅢA ⅣA ⅤA ⅥA ⅦA He 氦 B 硼 C 碳 N 氮 O 氧 F 氟 Ne 氖 Al 铝 Si 硅 P 磷 S 硫 Cl 氯 Ar 氩 Ga 镓 Ge 锗 As 砷 Se 硒 Br 溴 Kr 氪 In 铟 Sn 锡 Sb 锑

Te 碲 I 碘 Xe 氙 Tl 铊 Pb 铅 Bi 铋 Po At 砹 Rn 氡

ⅣA 碳(C) 6 原子序数 价层电子构型 2s22p2 0、+2 、 主要氧化数 +4 原子半径/pm 77 离 r(M4+)/pm 16 子 半 r(M2+)/pm 径

硅(Si) 锗(Ge) 锡(Sn) 铅(Pb) 14 32 50 82 3s23p2 4s24p2 5s25p2 6s26p2 0、+2 0、(+2) 0、+2 0、+2 、 、 、 +4 +4 +4 +4 117 122 141 175

40 1.8

53 73 763 1.8

69 118 709 1.8

78 119 716 1.9

电负性( 电负性 χp)

I1/(kJ·mol-1) 1086 786

2.5

碳(C)

含量不多,分布广, 含量不多,分布广, 是地球上 化合物种类最多的元素之一, 化合物种类最多的元素之一, 是生物界的主要元素 分布广, 分布广,在地壳上的含量仅次 于氧, 于氧,主要以硅酸盐矿和石英 矿存在 常以硫化物伴生在其它金属硫 化物矿中,是暗灰色、 化物矿中,是暗灰色、重而软 的金属, 的金属,晶态锗是重 要的半导 体材料

硅(Si)

锗(Ge)

碳(C) 硅(Si) 锗(Ge) 锡(Sn) 铅(Pb) 0、+2 0、+2 0、(+2) 0、+2 0、+2 、 、 、 、 主要氧化数 +4 +4 +4 +4 +4 77 117 122 141 175 原子半径/pm 典型非金属 准金属 典型金属 离 r(M4+)/pm 16 40 53 金属性增强 69 78 子 非金属性减弱, 非金属性减弱, 半 r(M2+)/pm 73 118 119 径

ⅣA

高氧化数化合物稳定性减小 低氧化数化合物稳定性增大 即惰性电子对效应

2 碳及其重要化合物 12-2-2碳及其重要化合物 碳的同素异形体
金刚石 石墨 富勒烯碳原子簇 (如C60)

碳的同素异形体

金刚石
俗称钻石, 俗称钻石,可作装 饰品 工业上用作钻头、 刀具、精密轴承等 薄膜可制作手术刀 集成电路、 、集成电路、散热 芯片及各种敏感器 件

原子晶体 熔点高、 熔点高、硬度大 室温下惰性

碳的同素异形体

石墨
可作电极、坩埚、 可作电极、坩埚、 润滑剂、铅笔芯等 通常情况下, 通常情况下,石墨 比金刚石稳定 层状结构 有金属光泽 质软、 质软、能导电 在工业上可采用静 态加压法由石墨合 成金刚石

碳的同素异形体

富勒烯碳原子簇
C60比较稳定。 比较稳定。 将碱金属掺入C 将碱金属掺入 60晶体 可制造超导材料。 中,可制造超导材料。 富勒烯碳原子簇可作 高温润滑剂、 高温润滑剂、耐热和 防火材料。 防火材料。 在酶抑制、抗病毒、DNA 切割、光动力医疗法等 方面有广泛应用前景

C60的分子结构 60个碳原子 由60个碳原子 组成的32 32面体 组成的32面体 的空心球结构

1212-2-2 碳及其重要化合物
碳酸 CO2溶于水即形成碳酸 CO2 + H2O H2CO3 大部分CO2以水合分子形式存在 大部分 仅存在于水溶液中,至今尚未制 仅存在于水溶液中, 得纯碳酸 二元弱酸 H2CO3 HCO3 +H+ K a(1) =4 5×10-7* =4.5 2HCO3 CO3 + H+ K a(2)=4 7×10-11 =4.7

1212-2-2 碳及其重要化合物
碳酸盐 (1)溶解性
碳酸盐——除NH 、碱金属(Li除外) (Li除外 碳酸盐 除 自然界石灰石等在CO2、H2O作用下 自然界石灰石等在 碱金属(Li除外)盐, 作用下 一般难溶 CaCO3+ CO2+H2O → Ca(HCO3)2 碳酸氢盐——一般易溶 碳酸氢盐 一般易溶 (难溶 难溶) (易溶 易溶) 难溶 易溶 随着自然条件的变化, 随着自然条件的变化, 难溶碳酸盐对应的碳酸氢盐易溶 上述反应逆向重新析出CaCO(易溶 上述反应逆向重新析出 难溶) 易溶) 如 CaCO3(难溶) Ca(HCO3)2 3易溶 难溶
4

+

钟乳石、 钟乳石、石笋的形成

1212-2-2 碳及其重要化合物
碳酸盐

(1)溶解性 (1)溶解性
碳酸盐——除NH4 、碱金属(Li除外)盐, 除 碱金属(Li除外) (Li除外 碳酸盐 向浓碳酸钠溶液中通入CO2至饱和 向浓碳酸钠溶液中通入 一般难溶 可析出NaHCO3 可析出 碳酸氢盐——一般易溶 碳酸氢盐 一般易溶
+

Na2CO3+ CO2+H2O → 2NaHCO3 难溶碳酸盐对应的碳酸氢盐易溶 (易溶 易溶) (溶解度小 溶解度小) 易溶 溶解度小 难溶) 难溶) 如 CaCO3(难溶) Ca(HCO3)2(难溶 难溶 如 难溶

易溶碳酸盐对应的碳酸氢盐溶解度较小

碳酸盐 (2)水解性
碳酸盐——水溶液呈碱性 水溶液呈碱性 碳酸盐 2碳酸氢盐——水溶液呈微碱性 碳酸氢盐 水溶液呈微碱性 2Fe3++ 3CO3 +3H2O→2Fe(OH)3 +3CO2 2- 22Al3++ 3CO3 +3H2O→2Al(OH)3 +3CO2 可溶性碳酸盐可作沉淀剂, 可溶性碳酸盐可作沉淀剂, 2CO3 + CO2 (OH OH) 2Cu2++ 2CO3 +H2O→Cu2(OH)分离某些离子

2Mg2++ 2CO3 +H2O→Mg2(OH 2CO3 + CO2 OH) OH 2+2- CO 2- 如 BaCO Ba + 反应物 → 3 3 生成物 2- → 2Ag++ CO3如 Ag2CO3 氢氧化物 溶 金属氢氧化物<对应碳酸盐 金属氢氧化物< 如 解 金属氢氧化物 对应碳酸盐 碱式碳酸盐 金属氢氧化物≈对应碳酸盐 度 金属氢氧化物>对应碳酸盐 碳酸盐 金属氢氧化物>

(3)热稳定性 2.热稳定性
热稳定性差, 热稳定性差,易分解 一般规律: → MⅡ 一般规律:热稳定性O + CO MⅡCO3 2 1.碱金属盐>碱土金属盐>过渡金属盐>铵盐 碱金属盐> → MⅠ CO + H O+CO 碱金属盐 碱土金属盐>过渡金属盐> 2MⅠHCO3 2 3 2 2 2.碳酸盐>碳酸氢盐>碳酸 碳酸盐> 碳酸盐 碳酸氢盐> 解释——根据离子极化概念 根据离子极化概念 解释
_+ _+ _ + _ _ +

+ _
_

+ _

_

金属离子极化力增大

+

+

+

3. 2.热稳定性 ,CO2-中三个 被C 极 1.当无外电场时 当无外电场时, 中三个O 1.当无外电场时
3 24+

热稳定性差, 化而变形 热稳定性差,易分解 2.金属离子相当于外电场,对邻近的一个 金属离子相当于外电场, 2.一般规律 金属离子相当于外电场 极化力强, H+极化力强,反极化作用大 MCO3 → MO + CO2 O2-产生反极化作用.当反极化作用强烈, 产生反极化作用.当反极化作用强烈, (1)碱金属盐>碱土金属盐+过渡金属盐>铵盐 碱金属盐> 21 MHCO → M CO >过渡金属盐> 碱金属盐 碱土金属盐> H O+CO 可导致CO 破裂, 3 可导致 3 3 破裂,碳酸盐分解 2 2 2 (2)碳酸盐>碳酸氢盐>碳酸 ,其反极化作用 碳酸盐> 2 碳酸盐 碳酸氢盐> 3.金属离子的极化力越强 金属离子的极化力越强, 3.金属离子的极化力越强 解释——根据离子极化概念 解释——根据离子极化概念 越强, 越强,碳酸盐越不稳定
_+ _+ _ + _ _ + _

+
_

+ _

_

金属离子极化力增大

+

+

+

(3)热稳定性
_+ _+ _ + _ _ + _

+
_

+ _

_

金属离子极化力增大 Mn+ Li+ Na+电荷少2+ Sr2+ Ba2+ Mg2+ Ca ,半径大 8电子构型135 n+)/pm r(M 60 95 65 99 113 极化力小 8 反极化作用小 8 8 8 8 Mn+电子构型 2 分解温度/ 分解温度 ℃ 1100 1800 402 814 10981277 碳酸盐稳定

碱金属碳酸盐稳定, 1. 碱金属碳酸盐稳定,难分解

+

+

+

(3)热稳定性
同 一 + _ _ 周 碱金属 期 碱土金属
_+电荷

+ +反极化作用 _ _ 半径
_ + _

稳定性

_ + _

∧ ∨

金属离子极化力增大 Mn+ Li+ Na+ Mg2+ Ca2+ Sr2+ Ba2+ r(Mn+)/pm 60 95 65 99 113 135 8 8 8 8 8 Mn+电子构型 2 分解温度/ 分解温度 ℃ 1100 1800 402 814 10981277

2.碳酸盐: 2.碳酸盐:碱土金属比碱金属不稳定 碳酸盐

+

+



+



_+

_+ _ + _ _ +

+ _
_

+ _

_

金属离子极化力增大 Mn+ Li+ Na+ Mg2+ Ca2+ Sr2+ Ba2+ r(Mn+)/pm 60 95 65 99 113 135 8 半径 ,反极化作用 8 8 8 8 Mn+电子构型 2 分解温度/ 分解温度 ℃ 1100 1800 402 814 10981277 3. 碱土金属碳酸盐从 到Ba稳定性增强 碱土金属碳酸盐从Mg到 稳定性增强

+

+

+

(3)热稳定性
_+ _+ _ + _ _ + _

+
_

+ _

_

过渡金属离子具有非8电子构型 过渡金属离子具有非8 金属离子极化力增大 极化力强, ,极化力强,反极化作用强
Mn+ Fe2+ Cd2+ Pb2+ r(Mn+)/pm 74 97 120 ? Mn+电子构型 9?17 18 18+2 分解温度/ 分解温度 ℃ 282 360 315 Ag+ 126 18 218

4. 过渡金属碳酸盐稳定性较差

+

+

+

2(4) CO3 的鉴定

CO3 + 2H+ → CO2 + H2O
(稀HCl或 稀 或 H2SO4)

2-

Ba(OH)2 BaCO3 (白色 白色) 白色

12-2-3 碳化硼和碳化硅 碳化硼 12-3-3碳化硼和碳化硅 (B4C) 用焦炭和氧化硼在电炉中反应制得 2B2O3 + 7C → B4C + 6CO 有光泽的黑色晶体 难熔,硬度大, 难熔,硬度大,是重要的工业磨料

12-2-3 碳化硼和碳化硅 碳化硅(SiC) 碳化硅 俗称金刚砂 用石英和焦碳在电炉中反应制得 SiO2 + 3C → SiC + 2CO 熔点高,硬度大, 熔点高,硬度大,可用作工业磨料 化学稳定性和热稳定性好,机械强 化学稳定性和热稳定性好, 度大,热膨胀率低, 度大,热膨胀率低,可做高温结构 陶瓷材料

1212-2-4 硅及其重要化合物 卤化物 12-3-4硅及其重要化合物
通式为SiX4,均为无色 通式为 常温 SiF4 SiCl4 SiBr4 SiI4 制取 气体 液体 液体 固体 硫酸与萤石和石英砂的混合物作用 ? 2CaF2+SiO2+2H2SO4 2CaSO4+SiF4 +2H2O

1212-2-4 硅及其重要化合物 卤化物
重要盐(Na2[SiF 通式为SiX4,均为无色 6]) 通式为重要盐 是农业杀虫、 是农业杀虫、灭菌剂、木材防腐剂 SiI4 常温 SiF4 SiCl4 SiBr4搪瓷等 可用于制造抗酸水泥、 可用于制造抗酸水泥、 性质 气体 液体 液体 固体 1.与HF作用 2HF+SiF4 → H2[SiF6] 与 作用 2.纯氟硅酸不存在 在水溶液中稳定 纯氟硅酸不存在, 纯氟硅酸不存在 3.氟硅酸的酸性与硫酸相近 氟硅酸的酸性与硫酸相近

1212-2-4 硅及其重要化合物 卤化物
通式为SiX4,均为无色 通式为 常温 SiF4 SiCl4 SiBr4 SiI4 制取 气体 液体 液体 固体 1.加热硅与氯 Si + 2Cl2 加热硅与氯 SiCl4 2.将二氧化硅、氯、碳直接加热 将二氧化硅、 将二氧化硅 ? SiO2+2C+2Cl2 SiCl4+ 2CO
?

1212-2-4 硅及其重要化合物 卤化物
通式为SiX4,均为无色 通式为 常温 SiF4 SiCl4 SiBr4 SiI4 性质 气体 液体 液体 固体 1.刺激性无色液体 刺激性无色液体 2.易水解,在潮湿空气中产生浓烟 易水解, 易水解 SiCl4+3H2O → H2SiO3 +4HCl
同时蒸发, 若NH3与SiCl4同时蒸发, 因生成NH4Cl,烟雾更浓 因生成 ,

1212-2-4 硅及其重要化合物 二氧化硅( 二氧化硅(硅石 )
有两种形态 如 无定形 硅藻土 晶体 石英

水晶——无色透明的纯石英 无色透明的纯石英 水晶
紫水晶(含少量Mn) 紫水晶(含少量Mn) 碧玉 鸡血石 烟水晶 玛瑙
图像

蛋白石( 蛋白石(猫眼石 )

1212-2-4 硅及其重要化合物 二氧化硅( 二氧化硅(硅石 )
有两种形态 如 无定形 硅藻土 晶体 石英

石英玻璃具有许多特性
石英在1600℃时熔化成粘稠液体, 石英在1600℃时熔化成粘稠液体, 1600℃时熔化成粘稠液体 热膨胀系数小, 1.热膨胀系数小,能透过可见光和紫外 其内部结构变为不规则状态, 其内部结构变为不规则状态,若急 光,可制造高级化学器皿和光学仪器 剧冷却, 剧冷却,因粘度大不易再结晶而形 成石英玻璃 2.制光导纤维

1212-2-4 硅及其重要化合物 二氧化硅(硅石) 二氧化硅(硅石)
有两种形态 无定形 晶体 如 硅藻土 石英 与一般酸不起反应, 与一般酸不起反应,与氢氟酸反应 SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O 与氢氧化钠或纯碱共熔 SiO2 + 2NaOH SiO2 + Na2CO3
? ?

Na2SiO3+H2O Na2SiO3+ CO2

1212-2-4 硅及其重要化合物 硅酸
组成常以xSiO2·yH2O表示 形式很多,组成常以 表示 随形成条件而异 通常以 2SiO3表示 通常以H 硅酸名称 化学式 x y 备 注 正硅酸 H4SiO4 1 2 偏硅酸 H2SiO3 1 1 二偏硅酸 H2Si2O5 2 1 x≥ 2 三偏硅酸 H4Si3O8 3 2 多硅酸 焦硅酸 H6Si2O7 2 3

1212-2-4 硅及其重要化合物 硅酸
二元弱酸 OH OH OH OH + HSi OH+OHHSiO3 +HHO K a(1 =2.5×10-10 SiO3 OH 2 Si OH Si O Si OH+H O 2+ K ) =1.6×10-12 HSiO3 SiO3 + H OH OH OH OH a(2 ) 溶解度小 2SiO3 + 2 + → H2SiO3 2H
2

开始生成可溶于水的单硅酸 以后逐步缩合脱水成硅酸溶胶

1212-2-4 硅及其重要化合物 硅酸
演示

在稀硅酸溶胶中加入电解质 凝胶 在适当浓度硅酸盐溶液中加酸 溶液 溶胶 悬浮液 颗粒大小/pm <103 103 ~ 105 >105 分散相 分散介质 溶胶 固 水 凝胶 水 固

1212-2-4 硅及其重要化合物 硅酸
演示

在稀硅酸溶胶中加入电解质 凝胶 在适当浓度硅酸盐溶液中加酸 溶液 溶胶 悬浮液 颗粒大小/pm <103 103 ~ 105 >105 分散相 分散介质 溶胶 固 水 凝胶 水 固

硅酸盐* 硅酸盐*
制取: 制取:SiO2与碱性氧化物共熔 性质:1.除碱金属硅酸盐外, 性质:1.除碱金属硅酸盐外,一般难溶 除碱金属硅酸盐外

SiO2+ M2O → M2SiO3 过渡金属硅酸盐难溶于水, 过渡金属硅酸盐难溶于水,并具有特征颜色 SiO2+ 2M2O → M4SiO4 CuSiO3 蓝绿色 MnSiO3浅红色 NiSiO3 翠绿色 Al2(SiO3)3无色透明 CoSiO3 紫色 Fe2(SiO3)3红棕色

硅花园——“水中花园” (演示 水中花园” 硅花园 水中花园 )

硅酸盐* 硅酸盐*
制取: 制取:SiO2与碱性氧化物共熔 性质:1.除碱金属硅酸盐外, 性质:1.除碱金属硅酸盐外,一般难溶 除碱金属硅酸盐外 2.硅酸钠强烈水解, 2.硅酸钠强烈水解,水溶液呈碱性 硅酸钠强烈水解 SiO3 的鉴定 的鉴定——加入 ,又称“泡花碱 加入NH4Cl 加入 硅酸钠水溶液俗称水玻璃, 硅酸钠水溶液俗称水玻璃 又称“ ” 2SiO3 +2NH4 + +2H2O →H2SiO3 +2NH3·H2O 市售水玻璃为粘稠状液体 M(Na2O):M(SiO2)=1:3.3 2NH3 +2H2O :
2-

碳酸解离常数的计算 H2CO3碳酸解离常数的计算×10-7 HCO3 +H+ K a(1 =4.5× HCO3
-

CO3 + H+ K a(2 =4.7×10-11
)

2-

)

以上的解离常数值是按 溶于水的CO2全部转为 2CO3 计算的 全部转为H 溶于水的 实际大部分 CO2以水合分子(CO2·H2O)形式存在 O)形式存在 以水合分子(

碳酸解离常数的计算 (1) CO2+H2O (2) CO2+ OHH2CO3 K =1.7×10-3
1

k2(正) 正

k2(逆) 逆 k2(正) 9.4×103 正 K2 = = =4.3×107 k2(逆) 2.2×10-4 逆

HCO3

-

碳酸解离常数的计算 H2CO3 K =1.7×10-3 (1) CO2+H2O K2=4.3×107 (2) CO2+OH HCO3 (1)-(2)得 HCO3 +H2O H2CO3+OH得 K = 1.7×10-3=4.0×10-11 K3= 4.3×107 K [c(H2CO3)/c ][c(OH-)/c ] [c(H+)/c ] × - K3 = [c(HCO3)/c ] [c(H+)/c ] Kw = 1.0×10-14 =4.0×10-11 =
1
1

2

K a(1
)

K a(1 K a(1 =2.5×10-4
)

碳酸解离常数的计算 (1) CO2+H2O (2) CO2+OHH2CO3 K 1 =1.7×10-3 HCO3
-

K2=4.3×107

K a(1 =2.5×10-4
)



H2CO3

H+

+HCO3
-

碳酸解离常数的计算 (1) CO2+H2O (2) CO2+OHH+ (3) H2CO3 (1)+(3)
a(1
)

H2CO3 K 1 =1.7×10-3 HCO3
-

K2=4.3×107
)

+HCO3 Ka(1 =2.5×10-4 H++ HCO3
-

CO2+ H2O

K =K1K =(1.7×10-3)(2.5×10-4)=4.2×10-7 Ka(1 为H2CO3真正的Ka(1 真正的
) )

K 即为一般书所指的 a(1) 即为一般书所指的K a(1)

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硅酸盐 玻璃、水泥、 玻璃、水泥、陶瓷都含有硅酸盐 硅酸盐 普通玻璃组成: 普通玻璃组成:Na2SiO3·CaSiO3·4SiO2 加入不同的氧化物可呈现不同颜色 加入氧化物 玻璃颜色 氧化钴 蓝色 氧化铈 浅红色 Fe2O3 黄色 市场出售的玉(即翡翠) 市场出售的玉(即翡翠)为:NaAl(SiO3)2

天然硅酸盐 种类繁多、结构复杂,通常视为SiO2 种类繁多、结构复杂,通常视为 天然硅酸盐 和金属氧化物相结合的化合物 名称 组成 K2O·Al2O3·6SiO2 正长石 白云石 K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O 泡沸石 Na2O·Al2O3·2SiO2·nH2O Al2O3·2SiO2·2H2O 高岭土 CaO·3MgO·4SiO2 石棉 3MgO·4SiO2·H2O 滑石

分子筛——起“筛选”作用 起 筛选” 分子筛 能让气体或液体混合物中直径比孔径 分子筛 小的分子通过, 小的分子通过,直径大的留在外面 分子筛的通式: 分子筛的通式: Mx/n[(AlO2)x(SiO)y]·mH2O
M—— 金属阳离子 一般为 +、K+、Ca2+ 金属阳离子,一般为 一般为Na n —— 金属阳离子电荷数 x/n —— 金属阳离子个数

泡沸石是一种天然分子筛 _

人工合成分子筛 以氢氧化钠、铝酸钠、 以氢氧化钠、铝酸钠、水玻璃为原料 型号 组成 Na12[Al12Si12O48]·27H2O 4A型 型 13X型 Na86[Al86Si106O384]·264H2O 型 Na56[Al56Si136O384]·250H2O Y型 型 丝光沸石型 Na8[Al8Si40O96]·24H2O
X型和 型:用于石油产品的催化裂化、 丝光沸石型:耐酸、耐热, 型和Y型 用于石油产品的催化裂化、 丝光沸石型:耐酸、耐热, 型和 A型多用于气体的干燥、吸收和净化分离 型多用于气体的干燥、 型多用于气体的干燥 催化加氢、 催化加氢 可在高温、 、催化剂的载体 可在高温、强酸介质中使用
返回

人工合成分子筛 以氢氧化钠、铝酸钠、 以氢氧化钠、铝酸钠、水玻璃为原料 型号 组成 Na12[Al12Si12O48]·27H2O 4A型 型 13X型 Na86[Al86Si106O384]·264H2O 型 Na56[Al56Si136O384]·250H2O Y型 型 丝光沸石型 Na8[Al8Si40O96]·24H2O
X型和 型:用于石油产品的催化裂化、 丝光沸石型:耐酸、耐热, 型和Y型 用于石油产品的催化裂化、 丝光沸石型:耐酸、耐热, 型和 A型多用于气体的干燥、吸收和净化分离 型多用于气体的干燥、 型多用于气体的干燥 催化加氢、 催化加氢 可在高温、 、催化剂的载体 可在高温、强酸介质中使用
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无机化学多媒体电子教案 第三节硼族元素 硼族元素
第十二章 氮族、碳族和硼族元素

第三节 硼族元素

12-3-1 硼族元素概述
2 3 4 5 6 ⅢA B 硼 Al 铝 Ga 镓 In 铟 Tl 铊 ⅣA C 碳 Si 硅 Ge 锗 Sn 锡 Pb 铅 ⅤA N 氮 P 磷 As 砷 Sb 锑 Bi 铋 0 ⅥA ⅦA He 氦 O 氧 F 氟 Ne 氖 S 硫 Cl 氯 Ar 氩 Se 硒 Br 溴 Kr 氪 Te 碲 I 碘 Xe 氙 Po At 砹 Rn 氡

有时称为土族元素,其中 有时称为土族元素,其中Al2O3为黏土的主 要成分, 要成分,既难溶又难熔

12-3-1 硼族元素概述
ⅣA 硼(B) 铝(Al) 镓(Ga) 铟(In) 铊(Tl) 5 13 31 49 81 原子序数 自然界没有游离硼, 自然界没有游离硼, 价层电子构型 2s22p1 3s23p1 4s24p1 5s25p1 6s26p1 是地壳中蕴藏最丰富的金属元素, 是地壳中蕴藏最丰富的金属元素左右 在自然界没有独立的矿物,分散在 在自然界没有独立的矿物30℃左右) , 熔点比人的体温还低(30℃, 熔点比人的体温还低 30℃左右 主要矿有:、 Tl及其化合物均有毒 Tl+3 主要矿有0、+3 0、+1 0、+1 0、+1 0、及其化合物均有毒 、 、 与其它金属可制低熔合金 、 , 主要氧化数 液态镓的熔点、沸点相差大 主要以铝矾土矿(Al2O3·xH2O)存在 (+3) 主要以铝矾土矿 都是软金属 可用于生 其它矿物中, O)、 沸点相差大, 其它矿物中 都是软金属, +3 液态镓的熔点、 存在 +3 硼砂矿(Na2B4O7·10H2 、 硼砂矿 铝是银白色、有光泽的轻金属 铝是银白色、25%In的Ga 163 170 如含25%In的 如含 143 、 可作高温温度计, 可作高温温度计 Ga合金 原子半径/pm 288 O5·H2O)、 , 合金 原子半径产新型半导体材料122 与其它金属 / 误食少量铊盐可使毛发脱落 硼镁矿(Mg B2 硼镁矿 具有良好的导电性和延展性 离子半径 可制低熔合金 ) 可用于自动灭火装置 88.6 方硼矿(2Mg3B8O1550 ·MgCl62 方硼矿 2 27 80 3+)/pm r(M广泛用来作导线、结构材料和器皿 广泛用来作导线、 I1/(kJ·mol-1) 801 ,用于飞机制造 铝合金质轻又硬, 铝合金质轻又硬 578 579 558 589

电负性( 电负性 χp )

2.0

1.5

1.6

1.7

1.8

12-3-1 硼族元素概述
ⅣA 硼(B) 铝(Al) 镓(Ga) 铟(In) 铊(Tl) 5 13 31 49 81 原子序数 价层电子构型 2s22p1 3s23p1 4s24p1 5s25p1 6s26p1 0、+3 0、+3 0、+1 0、+1 0、 、 、 、 价电子数价层电子轨道数 为缺电子原子,可 价电子数价层电子轨道数 为缺电子原子、+1 , 主要氧化数 +3 +3 (+3) 形成缺电子化合物 3 4 143 122 163 170 原子半径/ 原子半径/pm 88 原 子 缺电子原子 等电子原子 多电子原子 离子半径 缺电子原子 27 50 62 80 88.6 3+)/pm 价电子数 r(M ‖ 可形成配位键 ∧ ∨ 价层电子轨道数 801 578 579 558 589 I1/(kJ·mol-1) (如H[BF4]) 特 点 p ) 2.0 有空轨道 有孤电子对 χ 1.5 1.6 1.7 1.8 电负性( 电负性 多中心键(如 、 多中心键(、 B2H6) B、Al C、Si、H N、O、X 、 、 、 举 例

12-3-1 硼族元素概述
ⅣA 硼(B) 铝(Al) 5 13 原子序数 价层电子构型 2s22p1 3s23p1 0、+3 0、+3 、 、 主要氧化数 镓(Ga) 铟(In) 铊(Tl) 31 49 81 4s24p1 5s25p1 6s26p1 0、+1 0、+1 0、+1 、 、 +3 +3 (+3) 88 原子半径/ 原子半径/pm 氧化数+3化合物稳定性降低 氧化数143 122 163 170 +3化合物稳定性降低 +3 离子半径 氧化数+1 +1化合物稳定性增加 氧化数+1化合物稳定性增加 27 50 62 80 88.6 3+)/pm r(M 即 578 579 558 I1/(kJ·mol-1) 801 惰性电子对效应明显589

电负性( 电负性 χp )

2.0

1.5

1.6

1.7

1.8

12-3-2 硼的氢化物 硼氢化合物性质与碳的氢化物(烷烃 硼氢化合物性质与碳的氢化物 烷烃 、 12-3-2 硼的氢化物 烷烃)、 硅的氢化物(硅烷 相似, 硅烷)相似 硅的氢化物 硅烷 相似,所以硼的氢化 物称为硼烷

类型 由于硼烷及其衍生物的特
殊结构、性质和用途,使硼 殊结构、性质和用途Hn+6 BnHn+4 Bn , 通式 B4H10(丁硼烷 丁硼烷丁硼烷 烷及其有关的碳硼烷化学成 B2H6(乙硼烷 乙硼烷) 乙硼烷 10) 为目前无机化学主要发展领 举例 B5H9(戊硼烷 戊硼烷戊硼烷 B5H11(戊硼烷 戊硼烷-11) 戊硼烷 域之一 9)

乙硼烷结构

两个3c-2e键 键 两个
四个B-H 2c-2e键 四个 键 在同一水平面上 两个3c-2e键 两个 键 位于水平面上下 与水平面垂直
动画演示

多中心键
定义:是指 个或 个或3个以上原子之间所 定义:是指3个或 个以上原子之间所 形成的共价键 三中心二电子键(3c-2e)简称三中心键 三中心二电子键 简称三中心键 是多中心键的一种形式 形成: 形成:缺电子原子 等电子原子 硼烷的性质比烷烃活泼 B 缺电子原子 形成二个三中心二电子键 H等电子原子 强度: 强度:为一般共价键强度的一半

硼烷的性质
通常情况下不稳定, 通常情况下不稳定,在空气中能自燃 B2H6(g)+3O2 → B2O3(g)+3H2O(g) 遇水发生水解 B2H6(g)+6H2O → 2H3BO3+ 6H2 能与NH3、CO(有孤电子对 分子发生 有孤电子对)分子发生 能与 有孤电子对 反应速率大,并放出大量热。 反应速率大,并放出大量热。 加合作用 曾想用作火箭或导弹的高能燃料, 曾想用作火箭或导弹的高能燃料 B2H6 + 2CO → 2[H3B CO] 但因毒性太大而未采用 B2H6 + 2NH3 → 2[H3B NH3]

12.3.3 硼酸及其盐 硼的含氧酸 名称 分子式 偏硼酸 HBO2 正硼酸 H3BO3 简称硼酸) (简称硼酸) 多硼酸 xB2O3·yH2O H3BO3 H O HBO2 H O B2O3 2 2
△ △

1212-3-3 硼酸及其盐 12-3-3 硼酸及其盐

硼酸

此结构使硼酸具有解理性 可用作润滑剂
分子间通过氢键形成接 近六角形的对称层状结 构,层与层之间借助微 弱的范德华力联在一起 因此硼酸晶体为鳞片状

1212-3-3 硼酸及其盐 12-3-3 硼酸及其盐

硼酸

此结构使硼酸具有解理性 可用作润滑剂
分子间通过氢键形成接 近六角形的对称层状结 构,层与层之间借助微 弱的范德华力联在一起 因此硼酸晶体为鳞片状

硼酸

一元弱酸 H3BO3 + H2O

[B(OH)4]- + H+ Ka =5.8?10-10 ?
?

水溶液显酸性, 是由于硼原子是缺电子原子, 水溶液显酸性 是由于硼原子是缺电子原子 价层有空轨道,能接受水解离出的OH-孤电 价层有空轨道,能接受水解离出的 子对,以配位键形式形成[B(OH)4]子对,以配位键形式形成

化学式为Na 化学式为 2B4O5(OH)4·8H2O 习惯用Na 习惯用 2B4O7·10H2O表示 表示 无色透明晶体,在空气中易风化失水 无色透明晶体, OH 2加热至350~400℃脱水成为 2B4O7, 878℃ 加热至 ℃脱水成为Na ℃ O B O 熔融, 冷却后成玻璃状物质, 熔融 冷却后成玻璃状物质 即硼砂玻璃
HO B O B OH

硼砂

易溶于水, 其溶解度随温度升高而增大 易溶于水 O B O 易水解, 易水解,水溶液呈碱性 OH 4BO2 + H2O B4O7 2- 2OH + B4O72-+ 7H2O 4H3BO3 + 2OH -

硼砂 化学式为Na 化学式为 2B4O5(OH)4·8H2O Na2B4O7+B4O7·10H2O表示 2)2·2NaBO2 习惯用Na 习惯用 2 CoO → Co(BO 表示 (蓝色) 无色透明晶体,在空气中易风化失水 无色透明晶体 在空气中易风化失水 Na2B4O7+ NiO → Ni(BO2)2·2NaBO2 加热至350~400℃脱水成为 2B4O7, 878℃ 加热至 ℃脱水成为Na ℃ (棕色 棕色) 棕色 熔融, 冷却后成玻璃状物质, 熔融 冷却后成玻璃状物质 即硼砂玻璃 Na2B4O7+ MnO → Mn(BO2)2·2NaBO2 (绿色 绿色) 绿色 易溶于水, 其溶解度随温度升高而增大 易溶于水 分析化学曾用此性质来鉴定某些金属离子 易水解, 易水解,水溶液呈碱性 硼砂珠实验: 硼砂珠实验:铁、钴、镍、锰等金属氧化物 可溶解在硼砂熔体中, 可溶解在硼砂熔体中 呈不同的特征颜色

第四节对角关系

第四节 对角关系

1 2 3 4 5 6 7

ⅠA H Li Na K Rb Cs Fr

ⅡA Be Mg Ca Sr Ba Ra

ⅢA B Al Ga In Tl

ⅣA C Si Ge Sn Pb

ⅤA N P As Sb Bi

ⅥA O S Se Te Po

ⅦA F Cl Br I At

0 He Ne Ar Kr Xe Rn

周期系中有些元素的性质常与它右下方相 邻的另一元素类似, 邻的另一元素类似,这种关系叫对角关系

硼与硅的相似性
硼(B) 硅(Si) 性质 晶态 原子晶体 原子晶体 单 质 与碱作用 置换出氢 置换出氢 含氧酸 酸性 很弱 Ka ≈10-10 很弱 Ka ≈10-10 稳定性 很稳定 稳定 多酸和多酸盐 链状或环状 链状或环状 重金属 颜色 特征颜色 特征颜色 含氧酸盐 溶解度 较小 较小 氢化物稳定性 不稳定 不稳定 极易水解 卤化物水解性 极易水解
(1)

锂与镁的相似性
性质 在过量O 在过量 2燃烧 Li Mg 生成正常氧化物 Li2O MgO

为中强碱,在水中溶解度不大 氢氧化物 为中强碱 在水中溶解度不大 氟化物、碳酸盐 难溶 磷酸盐 氯化物 溶于有机溶剂 分解为正常氧化物 碳酸盐受热 Li2O MgO

铍与铝的相似性
性质 Be 活泼金属 单质 两性 能被冷、 能被冷、浓硝酸钝化 氯化物 为共价双聚物 易升华和溶于有机溶剂 Al


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