碳族元素

碳族元素是指元素週期表上第14ⅣA族)的元素,位于硼族元素氮族元素之间。碳族元素包含(C)、(Si)、(Ge)、(Sn)、(Pb)、(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,具極高的放射性。它们位于p区

14族元素在週期表中的位置
氫(非金屬) 氦(惰性氣體)
鋰(鹼金屬) 鈹(鹼土金屬) 硼(類金屬) 碳(非金屬) 氮(非金屬) 氧(非金屬) 氟(鹵素) 氖(惰性氣體)
鈉(鹼金屬) 鎂(鹼土金屬) 鋁(貧金屬) 矽(類金屬) 磷(非金屬) 硫(非金屬) 氯(鹵素) 氬(惰性氣體)
鉀(鹼金屬) 鈣(鹼土金屬) 鈧(過渡金屬) 鈦(過渡金屬) 釩(過渡金屬) 鉻(過渡金屬) 錳(過渡金屬) 鐵(過渡金屬) 鈷(過渡金屬) 鎳(過渡金屬) 銅(過渡金屬) 鋅(過渡金屬) 鎵(貧金屬) 鍺(類金屬) 砷(類金屬) 硒(非金屬) 溴(鹵素) 氪(惰性氣體)
銣(鹼金屬) 鍶(鹼土金屬) 釔(過渡金屬) 鋯(過渡金屬) 鈮(過渡金屬) 鉬(過渡金屬) 鎝(過渡金屬) 釕(過渡金屬) 銠(過渡金屬) 鈀(過渡金屬) 銀(過渡金屬) 鎘(過渡金屬) 銦(貧金屬) 錫(貧金屬) 銻(類金屬) 碲(類金屬) 碘(鹵素) 氙(惰性氣體)
銫(鹼金屬) 鋇(鹼土金屬) 鑭(鑭系元素) 鈰(鑭系元素) 鐠(鑭系元素) 釹(鑭系元素) 鉕(鑭系元素) 釤(鑭系元素) 銪(鑭系元素) 釓(鑭系元素) 鋱(鑭系元素) 鏑(鑭系元素) 鈥(鑭系元素) 鉺(鑭系元素) 銩(鑭系元素) 鐿(鑭系元素) 鎦(鑭系元素) 鉿(過渡金屬) 鉭(過渡金屬) 鎢(過渡金屬) 錸(過渡金屬) 鋨(過渡金屬) 銥(過渡金屬) 鉑(過渡金屬) 金(過渡金屬) 汞(過渡金屬) 鉈(貧金屬) 鉛(貧金屬) 鉍(貧金屬) 釙(貧金屬) 砈(類金屬) 氡(惰性氣體)
鍅(鹼金屬) 鐳(鹼土金屬) 錒(錒系元素) 釷(錒系元素) 鏷(錒系元素) 鈾(錒系元素) 錼(錒系元素) 鈽(錒系元素) 鋂(錒系元素) 鋦(錒系元素) 鉳(錒系元素) 鉲(錒系元素) 鑀(錒系元素) 鐨(錒系元素) 鍆(錒系元素) 鍩(錒系元素) 鐒(錒系元素) 鑪(過渡金屬) 𨧀(過渡金屬) 𨭎(過渡金屬) 𨨏(過渡金屬) 𨭆(過渡金屬) 䥑(預測為過渡金屬) 鐽(預測為過渡金屬) 錀(預測為過渡金屬) 鎶(過渡金屬) 鉨(預測為貧金屬) 鈇(貧金屬) 鏌(預測為貧金屬) 鉝(預測為貧金屬) 鿬(預測為鹵素) 鿫(預測為惰性氣體)
硼族  氮族
IUPAC族編號 14
以元素的命名 碳族元素
CAS族編號
(US, pattern A-B-A)
IVA
舊IUPAC族編號
(Europe, pattern A-B)
IVB

↓ 週期
2
Image: 碳
(C)
6 非金屬
3
Image: 矽
(Si)
14 類金屬
4
Image: 鍺
(Ge)
32 類金屬
5
Image: 錫
(Sn)
50 貧金屬
6
Image: 鉛
(Pb)
82 貧金屬
7 (Fl)
114 貧金屬

圖例
原始核素英语primordial element
放射性元素
原子序顏色:

固體液體氣體

根据现在的 IUPAC 族编号,碳族元素被称为14族。在半导体物理学中,它也被称为 IV 族。 碳族元素也被称为 tetrels (来自于希腊文 tetra,意旨四),源自组名称中的罗马数字IV,或者(并非巧合地)源自这些元素具有四个价电子的事实(请参见下文)。 它们也可以被称为 crystallogens[1]adamantogens[2]

本族元素在化合物中一般可以呈现+4,+2等化合价,它们的原子最外层都有4个电子,離子的最高正价都是+4价。

性质编辑

物理性质编辑

元素
名称 

元素
符号

原子半径
nm

主要化合价

状态
标况

单质密度
/立方厘米

单质熔点

单质沸点
(℃)

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
Si 0.117 0,+2,+4 固体 2.33 1410 2355
Ge 0.122 0,+2,+4 固体 5.35 937.4 2830
Sn 0.141 0,+2,+4 固体 7.28 231.9 2260
Pb 0.175 0,+2,+4 固体 11.34 327.5 1740
Fl 0.160(推測)[3] 0,+2,+4(推測)[3] 氣體(推測)[4] 14(液态,推測)[5] 不详 −60(推測)[6][4]

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。鈇预测在 -60°C时沸腾。[6][4]它们的 熔点也有和沸点类似的趋势。 硅在 1414 °C下融化,锗则在 939 °C,锡的熔点为 232 °C,而铅在 328 °C下融化。[7]

碳族元素的密度随着原子量增加而增加。 碳的密度为 2.26 g/cm3, 硅的密度为 2.33 g/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]

同素异形体编辑

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]

化学性质编辑

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:

Z 元素 电子排布
6 2, 4
14 2, 8, 4
32 2, 8, 18, 4
50 2, 8, 18, 18, 4
82 2, 8, 18, 32, 18, 4
114 2, 8, 18, 32, 32, 18, 4 (预测)

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,有形成共价键的强烈趋势来达到八个电子。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CO2...),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。硅和都是类金属,可以形成 +4 离子。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。而是一种人造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。

碳可以跟浓硫酸硝酸反应,被氧化二氧化碳。不与盐酸作用。

硅与氢氟酸反应。硅在催化剂下与盐酸反应。[13]

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反应,被氧化二氧化碳二氧化硅氧化亚铅等。碳族元素跟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化合,其氢化物是间接制得的。

化合物编辑

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化物。[14]

硅可形成两种氢化物:甲硅烷(SiH4)和乙硅烷(Si2H6)。硅和、氯、形成四卤化物。硅也形成二氧化硅二硫化硅[15]

锗可形成两种氢化物:甲锗烷(GeH4)和乙锗烷(Ge2H6)。锗和除了之外的所有卤素形成四卤化物和二卤化物。锗和除了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更接近。[20]

左方一族: 碳族元素
第14族
右方一族:
硼族元素 氮族元素

参考文献编辑

  1. ^ Liu, Ning; Lu, Na; Su, Yan; Wang, Pu; Quan, Xie. Fabrication of g-C3N4/Ti3C2 composite and its visible-light photocatalytic capability for ciprofloxacin degradation. Separation and Purification Technology. 2019, 211: 782–789 [17 August 2019]. doi:10.1016/j.seppur.2018.10.027. 
  2. ^ W. B. Jensen, The Periodic Law and Table
  3. ^ 3.0 3.1 Haire, Richard G. Transactinides and the future elements. Morss; Edelstein, Norman M.; Fuger, Jean (编). The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements 3rd. Dordrecht, The Netherlands: Springer Science+Business Media. 2006. ISBN 1-4020-3555-1. 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 Seaborg, G. T. Transuranium element. Encyclopædia Britannica. [2010-03-16]. (原始内容存档于2010-11-30). 
  5. ^ Fricke, Burkhard. Superheavy elements: a prediction of their chemical and physical properties. Recent Impact of Physics on Inorganic Chemistry. Structure and Bonding. 1975, 21: 89–144 [4 October 2013]. ISBN 978-3-540-07109-9. doi:10.1007/BFb0116498. (原始内容存档于2013-10-04). 
  6. ^ 6.0 6.1 Oganessian, Yu. Ts. Discovering Superheavy Elements. Oak Ridge National Laboratory. 27 January 2017 [21 April 2017]. (原始内容存档于2019-09-21). 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 7.3 Jackson, Mark, Periodic Table Advanced, 2001 
  8. ^ 8.0 8.1 Gray, Theodore, The Elements, 2011 
  9. ^ Graphene, [January 2013] 
  10. ^ Carbon:Allotropes, [January 2013], (原始内容存档于2013-01-17) 
  11. ^ Gagnon, Steve, The Element Silicon, [January 20, 2013] 
  12. ^ Kean, Sam, The Disappearing Spoon, 2011 
  13. ^ 存档副本. [2020-03-21]. (原始内容存档于2020-03-21). 
  14. ^ Carbon compounds, [2013-01-24], (原始内容存档于2014-10-12) 
  15. ^ Silicon compounds, [2013-01-24], (原始内容存档于2013-01-17) 
  16. ^ Germanium compounds, [2013-01-24], (原始内容存档于2013-01-17) 
  17. ^ Tin compounds, [2013-01-24], (原始内容存档于2013-01-25) 
  18. ^ Lead compounds, [2013-01-24], (原始内容存档于2013-01-17) 
  19. ^ Flerovium compounds, [2013-01-24], (原始内容存档于2013-01-22) 
  20. ^ Gas Phase Chemistry of Superheavy Elements 互联网档案馆存檔,存档日期2012-02-20., lecture by Heinz W. Gäggeler, Nov. 2007. Last accessed on Dec. 12, 2008.