第十七及章 碳 硅 硼.ppt

第17章 碳 硅 硼 要求:本章只重点学习碳，硅，硼对其它金属放在以后学习。 碳是第二周期元素，应注意它在族中的特殊表现。 硼的价电子数（3个）少于价电子层轨道数（4个），它是具有这种特征的唯一非金属元素，常称为缺电子原子，由此带来一系列性质表现。学习时应特别注意。 §17-1 概述 1、形成原子晶体 ⅤA—ⅥA族非金属多为双原子或多原子的有限分子，组成分子晶体，而C，Si，B都能形成原子间共价结合的庞大分子，组成原子晶体。 金刚石是碳的同素异形体之一，具有典型的原子晶体结构，其中每个C原子以共价键（sp3）和其他4个C原子键合，构成坚固的，连续的网状骨架结构。 金刚石(其晶胞为一立方体。在立方体的8个顶角和6个面心各有1个C原子。在立方体内有4个C原子，这4个C原子的位置是这样的：将立方体分成8个小立方体，标号1的C原子位于前右上小立方体的中心，标号2的C原子位于后左上小立方体的中心，标号3的C原子位于后右下小立方体的中心，标号4的C原子位于前左下小立方体的中心。 衍生结构（有序超结构）： CuFeS2和Cu2FeSnS4的晶体结构，如果阳离子全部统计地排列，则结构完全和立方ZnS一样。这里Cu，Fe，Sn有序排列使晶格大了一倍。CuFeS2和Cu2FeSnS4这样的结构称为ZnS的衍生结构，它们是有序的超结构。 碳的另一种同素异形体石墨很软，能导电；而金刚石很硬，不导电截然相反。石墨的这些性质完全由它的晶体结构所决定。Sp2杂化轨道，六角平面的网状结构，整个晶体构成了层状结构。 另外，C原子还剩有一个未杂化的P电子，这些轨道垂直分布于平面上下，并可以象金属晶体中的自由电子那样，自由地在层间宽广范围内流动，构成极多个C原子间相互重叠的离域π键，用πmm表示，而层间作用力是范德华力。 石墨烯：2010年诺贝尔物理奖 石墨是个常见的材料，人们已经研究了近百年，石墨是层状结构，每一个碳原子层（石墨烯）靠范德瓦尔斯力吸在一起。又是范德瓦尔斯力！从前研究蜥蜴的时候，Geim要想办法用材料去模拟蜥蜴手掌去产生足够的范力，现在研究石墨烯，他要想办法怎么打破层之间的范力，剥离出单层碳原子。他和Novoselov打算用透明胶带（没错，就是办公室里常用的，最便宜的那种）。 和他同时尝试剥离石墨烯的还有哥伦比亚的年轻教授 P. Kim的科研小组。他们用的方法看上去更“高科技”一些，用AFM（原子力显微镜）的针尖扫过石墨顶端，企图依靠针尖的力量带下来几片石墨烯。 石墨烯：2010年诺贝尔物理奖 石墨烯的密度：提取石墨烯中的一个正六边形碳环作为结构单元（图1），由于每个碳原子仅有1/3属于这个六边形，因此一个结构单元中的碳原子数为2。六边形的面积为0.052 nm2。由此可计算出石墨烯的面密度为0.77 mg/m2。假设有一张面积为1 m2的石墨烯吊床，其质量仅为0.77 mg。 石墨烯：2010年诺贝尔物理奖 石墨烯的透光性和颜色：石墨烯的可见光透过率为97.7%，且与波长无关。因此自由悬浮的石墨烯是高度透明且无色（无味）的。? 石墨烯的强度：石墨烯的强度极限（抗拉强度）为42 N/m。普通用钢的强度极限大多分布在250~1200 MPa范围内，即0.25~1.2×109 N/m2。如果钢具有同石墨烯一样的厚度（~0.335 nm），则可推算出其二维强度极限为0.084~0.40 N/m。由此可知，理想石墨烯的强度约为普通钢的100倍。面积为1 m2的石墨烯层片可承受4 kg的质量。也就是说，前面提到的那张吊床不仅是近乎透明的，还可以承受一只猫的重量。而这张吊床的重量仅和猫的一根胡须的重量相当。如果再进一步，用石墨烯做一个蹦床，会是怎样一个情形呢？ 石墨烯：2010年诺贝尔物理奖 安徒生童话中那两个骗子臆造出来的“皇帝的新装”也完全可以由石墨烯来制成（图2），不仅防雨防风防灰尘，还抗辐射防静电。 2、C,Si,B有很强的成键能力 p区的非金属原子间容易发生成键作用，而C,Si,B表现更为明显，其中C是指相同原子间的成链；对Si和B，还包括形成相异原子间的Si-O-Si链状化合物，它们常构成分子量很大的无机高分子材料。 3、IIIA 、IVA元素在周期表中位置居中 元素的金属性和非金属性都不很显著，有些显两性，在化合物中以共价性为特征。而对C,Si,B更为明显，在C, Si, B与电负性较它们高的元素所形成的二元化合物中，它们都是共价化合物，具有很低的熔、沸点。在与电负性较它们低的元素结合形成的二元化合物称为碳化物，硅化物，硼化物，其组成和键型较复杂。