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碳族元素是指元素週期表第14族(ⅣA族)的元素,位于硼族元素和氮族元素之间。碳族元素包含碳(C)、矽(Si)、鍺(Ge)、錫(Sn)、鉛(Pb)、鈇(Fl),其中碳為典型的非金屬元素,矽和鍺為類金屬,其餘元素則為貧金屬。此外鈇為人造元素,具極高放射性。它们位于p区。
根据现在的IUPAC族编号,碳族元素是14族。在半导体物理学也称IV族。碳族元素也称为tetrel(来自希腊文tetra,意指四),源自组名的罗马数字IV,或者(并非巧合地)源自这些元素有四粒价电子的事实(请参见下文)。它们也可称为晶素(crystallogen,来自英文字根crystallo-,意指晶體,-gens,意指素)[1]或剛素(adamantogen,来自希腊文ἀδάμαντος(adamantos),意指不可征服、不可馴服,即精金等極堅硬物,-gens,意指素)。[2]
元素 |
主要化合价 |
单质沸点 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
碳 | C | 0.077 | -4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4 | 固体 | 3.51(金刚石) 2.25(石墨) |
3550 | 4827 |
硅 | Si | 0.117 | 0,+2,+4 | 固体 | 2.33 | 1410 | 2355 |
锗 | Ge | 0.122 | 0,+2,+4 | 固体 | 5.35 | 937.4 | 2830 |
锡 | Sn | 0.141 | 0,+2,+4 | 固体 | 7.28 | 231.9 | 2260 |
铅 | Pb | 0.175 | 0,+2,+4 | 固体 | 11.34 | 327.5 | 1740 |
鈇 | Fl | 0.160(推測)[3] | 0,+2,+4(推測)[3] | 液體[4]或氣體[5](推測) | 14(液态,推測)[6] | 11±50(推測)[4] | 不详 |
碳族元素的沸点随着族往下而越来越低。碳,最轻的碳族元素,升华于3825 °C。硅的沸点是3265 °C,锗的沸点是2833 °C,锡的沸点是2602 °C,而铅的是1749 °C。它们的熔点也有和沸点类似的趋势。硅在1414 °C融化,锗则在939 °C,锡的熔点为232 °C,而铅在328 °C融化。[7]
碳族元素的密度随着原子量增加而增加。碳的密度为2.26g/cm3,硅的密度为2.33g/cm3,锗的密度为5.32 g/cm3,锡的密度为7.26 g/cm3,而铅的密度为11.3 g/cm3。[7]
碳族元素的原子半徑也随着原子量增加而增加。 碳的原子半径是77皮米,硅的为118皮米,锗的则为123皮米,锡的原子半径是141皮米,而铅的为175皮米。[7]
碳的晶体结构是六方晶系,在高温和高压下形成金刚石。硅和锗的晶体结构亦為钻石结构。锡在低温下(13.2 °C以下)是钻石结构,室温下则是四方晶系。铅的晶体结构是立方晶系。[7]
碳有很多的同素异形体。 最常见的是石墨,由碳以层状结构排列而成。 另外一种碳的同素异形体是钻石,不过它相对罕见。 无定形碳 是碳的第三种同素异形体,存在于煤烟中。 碳还有一种叫做富勒烯的同素异形体,由很多碳原子折成球体而成。第五种碳同素异形体于2003年被发现,它就是石墨烯,由一层碳原子以类似蜂窝的六边形结构排列。[8][9][10]
硅在常温下有两种同素异形体。 它们分别是无定形硅和晶体硅。无定形硅是一种棕色粉末。 晶体硅则是灰色的,具有金属光泽。[11]
锡有两种同素异形体,α-锡(又称灰锡)和 β-锡。 锡在常温下是 β-锡,一种银色金属。 不过,标准压力下, β-锡会转变成 α-锡,一种灰色粉末,在13.2摄氏度/56华氏度以下时。 这使得寒冷下的锡会变成灰色粉末,也就是锡疫 。[8][12]
和其它族一样,碳族元素也有有规律的电子排布,尤其是在价电子层,因此使它们化学行为的趋势:
所有的碳族元素都有4颗价电子。此外,基态、电中性的碳族元素原子都有s2 p2的最外层电子排布。这些元素,尤其是碳和硅,有形成共价键的强烈趋势来达到八粒电子。这些元素中的键通常含有轨道杂化,其中没有明显的s和p轨道。对于 单键,一般的结构是四对sp3电子,尽管其它结构也存在,像是三对sp2电子,存在于石墨烯和石墨。双键是碳的特征(乙烯, CO
2...),其中的π系统通常也一样。随着原子的尺寸增加,失去电子的趋势也随之增加,正如原子序数的增加一样。碳可以形成阴离子,也就是碳化物(C4−)阴离子。硅和锗都是类金属,可以形成 +4离子。锡和铅都是金属,都可以形成 +2离子。尽管锡在化学上是一种金属,但α-锡比起金属,更像锗,且是一种差的电导体。而鈇是一种人造的放射性元素,半衰期很短,只有1.9秒,儘管它很可能仍是一种贫金属,但它卻反常地有著一些惰性气体的特性。
锗不和稀盐酸、稀硫酸反应,但能被浓硫酸、浓硝酸氧化。
锡和稀盐酸、稀硫酸反应,生成低价锡(Ⅱ)的化合物;跟浓H2SO4、浓HNO3反应生成高价锡(Ⅳ)的化合物。
铅跟盐酸、硫酸、硝酸都能反应被氧化成亚铅离子。
碳族元素中跟碱溶液反应的有硅和锡,它们既表现出金属性又表现出非金属性。碳族元素在加热时都能跟氧反应,被氧化成二氧化碳、二氧化硅和氧化亚铅等。碳族元素跟硫、氯共热生成相应的高价氯化物和硫化物,铅则生成铅(Ⅱ)化合物。碳、硅跟金属共热生成碳化物和硅化物,锡、铅与金属形成合金。碳族元素都不能直接与氢化合,其氢化物是间接制得的。
碳可和氫等元素形成極多種有機化合物。碳亦可以所有卤素反应形成四卤化物。碳可形成多种氧化物如:一氧化碳、二氧化三碳(C3O2)和二氧化碳。碳也会形成二硫化物和二硒化物。[14]
硅可形成两种氢化物:甲硅烷(SiH4)和乙硅烷(Si2H6)。硅和氟、氯、溴和碘形成四卤化物。硅也形成二氧化硅和二硫化硅。[15]
锗可形成两种氢化物:甲锗烷(GeH4)和乙锗烷(Ge2H6)。锗和除了砈之外的所有卤素形成四卤化物和二卤化物。锗和除了釙之外的所有氧族元素形成二氧化物、二硫化物、二硒化物。[16]
锡可形成两种氢化物:甲锡烷(SnH4)和乙锡烷(Sn2H6)。锡和除了砈之外的所有卤素形成四卤化物和二卤化物。[17]
铅可形成一种氢化物,即铅烷(PbH4)。铅和氟、氯形成四卤化物及二卤化物,也可形成四溴化铅和二碘化铅,但不稳定。铅形成四种氧化物、一种硫化物、一种硒化物、及一种碲化物。[18]
目前没有已知的鈇化合物。[19]理論上鈇的化學特性應與鉛相近,能形成FlO、FlF2、FlCl2、FlBr2和FlI2。如果其高价態(Ⅳ)能夠進行化學反應,它將只能形成FlO2和FlF4。它也有可能形成混合氧化物Fl3O4,類似於Pb3O4。而一些研究指出鈇的化學特性可能和惰性氣體氡更接近。[20]
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