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详细解析高中化学关于碳族元素的疑难点

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发表于 2016-6-27 12:13:04 | 显示全部楼层 |阅读模式
  碳族元素疑难点解析
  1、碳族元素的相似性和递变性

  碳族元素包括(C)、硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、铅(Pb)等五种元素,位于周期表的第IVA族,其原子最外层上均有4个电子。碳族元素的原子不容易得、失电子,通常表现为较易形成共价化合物,而较难形成离子化合物。
  ①那么,碳族元素为何容易形成共价化合物,而不易形成离子化合物呢?
  原来,碳族元素介于典型金属(IA)和典型非金属(VIIA)的中间,其最外层电子数为4。因为碳族元素原子的最外层上有4个电子,在化学反应中往往既不容易失去电子形成阳离子,也不容易得到电子形成阴离子,而是以共价键的形式与其他元素结合形成化合物,这就是碳族元素的成键特点。故碳族元素通常易形成共价化合物,不易形成简单的离子。
  当然,我们也不能将这个问题绝对化,一方面说碳族元素不易直接形成离子键,并不是说碳族元素不能存在于离子化合物之中,因为很多碳酸盐及简单的硅酸盐都是离子化合物;另一方面,像铅等原子半径特别大的元素,也可在一定条件下形成简单的阳离子。
  ②碳族元素的主要化合价有+4价和+2价,其中C、Si、Ge、Sn的+4价化合物比较稳定,而Pb的+2价化合物比较稳定。——“铅的+2价化合物稳定,而其它碳族元素的+4价化合物稳定”体现出了同一主族元素的一般性与特殊性之间的关系。
  2、碳族元素及其单质的一些重要性质
  ①在周期表中从上到下,颜色:碱金属略有加深,卤素依次加深,氧族中氧→硒加深,碳族中分为三截:C→Si加深,Sn→Pb加深;Ge比Si浅,但比Sn深。熔点、沸点:碱金属依次降低,卤素和氧族依次升高,碳族总体呈降低趋势(熔点:锡比铅低;沸点:锗比硅高)。
  ②碳是明显的非金属,硅、锗是半导体,锡、铅是明显的金属。碳、硅虽属非金属,但其熔、沸点明显比卤族、氧族中的非金属要高得多,其原因主要是碳、硅属原子晶体。卤族,氧族中的非金属通常属于分子晶体,据此便可解释有关熔、沸点的递变现象。同理,从锡、铅熔点递变与碱金属递变的差异性中,也可说明锡、铅结构不同的实质。
  碱金属、卤素单质的熔沸点随着原子序数的递增,均呈现出一定的变化规律,但碳族元素单质的熔沸点却无明确的变化规律。这是因为,物质的熔沸点决定于物质形成晶体的结构。
  对于碱金属和卤素而言,它们同一族元素的单质所形成的晶体属于同一类型。碱金属单质形成金属晶体,它们的价电子数相同,随着原子半径的增大,其金属键减弱,故熔沸点降低;卤素的单质形成分子晶体,随着分子量的增大,其分子间作用力增强,故熔沸点升高。对于碳族元素而言,由于它们的单质的晶体类型不同,所以不可能形成同一规律。碳可形成金刚石(原子晶体)、石墨(混合型晶体)及C60等多种晶体,硅通常形成原子晶体,而锡和铅形成金属晶体,锗的晶体类型不甚明确。氧族元素、氮族元素的单质也有类似的情况。金刚石、石墨、晶体硅属原子晶体,其熔、沸点很高,碳族元素单质的结构相对于其它族元素单质的结构较为复杂。
  3、碳族元素的金属性与非金属性
  ①在碳族元素的单质中,碳是非金属;硅虽外貌像金属,但在化学反应中多显示非金属性,通常被认为是非金属;锗的金属性比非金属性强;锡和铅都是金属。可见,金属和非金属之间并无绝对严格的界限,如石墨虽属非金属,却具有金属光泽、能导电、导热等金属性质;硅、锗则是良好的半导体材料等。碳族元素的金属性和非金属性递变规律——学习中主要把握其表现形式,如比较碳族元素和其他族元素的原子半径大小、氢化物稳定性、最高价氧化物对应水化物的酸碱性强弱等等。
  ②已知在金属活动性顺序表中,锡位于铅之前,而根据元素周期律,由同主族元素性质的递变规律推断可知铅应比锡的金属性强,这是为什么呢?
  金属性的相对强弱与金属活动性的相对强弱看来还有一定的差别。金属活动性主要是通过测定在溶液中发生反应的活性而得,金属性的测定则更强调原子状态下的反应活性。由于锡铅在固态时,其晶体结构可能有差异,从而导致在通常状况下的反应活性与其原子结构的不一致性。可见判断物质的化学性质具有一定的复杂性。元素的金属性是指元素的气态原子失去电子的性质,主要用第一电离能来量度,第一电离能越小,则元素的金属性越强。查有关化学数据手册可知,锡的第一电离能为7.34eV,而铅的第一电离能为7.42eV,故锡的金属性应比铅强。金属活动顺序表是以实验事实为依据编写的,金属活动性除了与第一电离能有关外,还与金属离子的水和能、水和离子在水中的迁移速率等有关。不管从哪个角度比较,都是锡的金属性比铅强。
  这样一来,就出现了事实与现阶段所学理论不相符合的现象。其实,这是周期律中“镧系收缩”规律在发挥作用。因为铅位于周期表中第六周期,第六周期中由于镧系15种元素的存在,使得后边的元素原子半径显著减小。元素的金属性、非金属性都是核电荷数和原子半径分别对元素原子得失电子的影响的综合结果。而这两者是一对矛盾。从锡到铅,原子半径的增大所起的作用(使原子失电子能力增强)减弱,而核电荷数增大所起的作用(使原子失去电子能力减弱)依然如故。所以,就出现了锡在铅的上方,反而金属性比铅强的情况。
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