2016无机化学（高教版）授课教案：第17章 碳、硅、硼.docVIP

无机化学（高教版）授课教案 第 17 章 碳、硅、硼[ 教学要求 ] 1. 掌握碳的氧化物、碳酸及其盐类的性质。 2. 掌握单质硅、二氧化硅、硅酸及其盐类的性质和用途。 3. 了解氧化硼、硼酸、硼砂的性质和用途。 [ 教学重点 ] 碳、硅、硼的单质、氢化物、含氧化合物和卤化物制备、性质和用途。 [ 教学难点 ] 硼的多中心少电子键 [ 教学时数 ] 2 学时 [ 教学内容 ] 1. 元素的基本性质 2. 碳 3. 硅 4. 硼 17-1 通 性 一、 碳、硅、硼的基本性质 碳、硅、硼 的基本性质 性 质 碳 硅 硼 元素符号 原子序数 原子量 价电子构型 常见氧化态 共价半径 /pm 离子半径 /pm M 4+ M 3+ 第一电离能 /(kJ/mol) 第一电子亲合能 /(kJ/mol) 电负性 (Pauling 标度 ) C 6 12.01 2s22p 2 +2 ， +4 77 15 ? 1086.5 121.9 2.5 Si 14 28.09 3s23p2 0 ， +4 117 41 ? 786.6 133.6 1.8 B 5 10.81 2s22p 1 0 ， +3 ? 20 800.7 26.73 2.0 ? 二、电子构型和成键特征 碳在元素周期表中位于非金属性最强的卤素元素和金属性最强的碱金属之间。它的价电子层结构为 2s 2 2p2 ，在化学反应中它既不容易失去电子，也不容易得到电子，难以形成离子键，而是形成特有的共价键，它的最高共价数显然为 4 。 碳原子以 sp 3 杂化，可以生成 4 个δ键，形成正四面体构型。例如金刚石、甲烷 CH4 等；碳原子以 sp 2 杂化，生成 3 个δ键， 1 个 π 键，平面三角形构型。例如石墨、 C2H4 等；碳原子以 sp 杂化，生成 2 个δ键、 2 个 π 键，直线形构型。例如 CO 2 、 HCN 、 C2H2 等；碳原子以 sp 杂化，生成 1 个δ键， 1 个 π 键， 1 个配位 π 键和 1 对孤对电子对，直线型构型。例如 CO 。 碳原子不仅仅可以形成单键、双键和叁键，碳原子之间还可以形成长长的直链、环形链、支链等等。纵横交错，变幻无穷，再配合上氢、氧、硫、磷、和金属原子，就构成了种类繁多的碳化合物。 硅通常以 sp3 杂化，生成 4 个δ键，但由于其原子半径较大，不易形成 π 键，但可用 3d 价轨道，以 sp3d2 杂化形成配位数为 6 的δ键，如 SiF62- 。或与 PO43- 类似形成 d-p π 键，如 SiO42- 。 B 原子的价电子结构是 2s22p1 ，它能提供成键的电子是 2s 1 2p x 1 2p y 1 ，还有一个 P 轨道是空的。 B 原子的价电子数少于价层轨道数，在成键时，价电子未被充满，所以 B 原子是缺电子原子，容易形成多中心键。 三、存在和丰度 碳在地壳中的质量百分含量为 0.027% ，在自然界中分布很广。以化合物形式存在的碳有煤、石油、天然气、动植物体、石灰石、白云石、二氧化碳等。 硅在地壳中的丰度为 27.7% ，在所有的元素中居第二位，地壳中含量最多的元素氧和硅结合形成的二氧化硅 SiO2 ，占地壳总质量的 87% 。硅以大量的硅酸盐矿和石英矿存在于自然界中。 如果说碳是组成生物界的主要元素，那么，硅就是构成地球上矿物界的主要元素。 硼在自然界的含量很少，主要以硼酸盐形式的矿物存在。如硼砂、硼镁矿等。 17-2 碳 一、单质 单质碳有三种，它们是 金刚石、石墨、 C 60 。它们是碳的三种同素异形体。 1 、金刚石 金刚石晶莹美丽，光彩夺目，是自然界最硬的矿石。在所有物质中，它的硬度最大。测定物质硬度的刻画法规定，以金刚石的硬度为 10 来度量其它物质的硬度。例如 Cr 的硬度为 9 、 Fe 为 4.5 、 Pb 为 1.5 、钠为 0.4 等。在所有单质中，它的熔点最高，达 3823K 。 金刚石晶体属立方晶系，是典型的原子晶体，每个碳原子都以 sp 杂化轨道与另外四个碳原子形成共价键，构成正四面体。这是金刚石的面心立方晶胞的结构。 由于金刚石晶体中 C ─ C 键很强，所有价电子都参与了共价键的形成，晶体中没有自由电子，所以金刚石不仅硬度达，熔点高，而且不导电。 室温下，金刚石对所有的化学试剂都显惰性，但在空气中加热到 1100K 左右时能燃烧成 CO 2 。 金刚石俗称钻石，除用作装饰品外，主要用于制造钻探用的钻头和磨削工具，是重要的现代工业原料，价格十分昂贵。 2 、石墨 石墨乌黑柔软，是世界上最软的矿石。石墨的密度比金刚石小，熔点比金