碳族元素

引入

为什么碳能形成数以千万计的有机化合物,而同族的硅却不能?

从碳到铅,元素的金属性如何递变?

锡和铅在古代有什么重要应用?

碳族元素（第 14 族）从非金属碳到金属铅,展示了元素性质从非金属到金属的完整过渡。碳是有机化学的基础,硅是地壳的主要成分,锡和铅是人类最早使用的金属之一。

正文

定义

碳族元素是元素周期表第 14 族（IVA 族）的元素,包括碳（$\mathrm{C}$）、硅（$\mathrm{Si}$）、锗（$\mathrm{Ge}$）、锡（$\mathrm{Sn}$）、铅（$\mathrm{Pb}$）和𫓧（$\mathrm{Fl}$）。最外层电子构型为 $n{s}^{2}n{p}^2$。

元素概览

元素	原子序数	电子构型	常见氧化态	单质类型	备注
$\mathrm{C}$	$6$	$[\mathrm{He}]2s^{2}2p^2$	$+4$、$+2$、$-4$	非金属	有机化学基础
$\mathrm{Si}$	$14$	$[\mathrm{Ne}]3s^{2}3p^2$	$+4$	类金属	半导体,地壳第二多
$\mathrm{Ge}$	$32$	$[\mathrm{Ar}]3d^{10}4s^{2}4p^2$	$+4$、$+2$	类金属	半导体
$\mathrm{Sn}$	$50$	$[\mathrm{Kr}]4d^{10}5s^{2}5p^2$	$+4$、$+2$	金属	青铜、焊锡
$\mathrm{Pb}$	$82$	$[\mathrm{Xe}]4f^{14}5d^{10}6s^{2}6p^2$	$+4$、$+2$	金属	有毒,防辐射

性质递变规律

性质	从上到下变化	原因
原子半径	增大	电子层数增加
金属性	增强（C 非金属 → Pb 金属）	原子半径增大,失电子能力增强
非金属性	减弱	原子半径增大,得电子能力减弱
最高价氧化物酸性	减弱	$\mathrm{H}{}_2\mathrm{CO}{}_3>\mathrm{H}{}_2\mathrm{SiO}{}_3>\mathrm{Ge}(\mathrm{OH}){}_4$
低价态稳定性	$+2$ 价更稳定	惰性电子对效应（$6s^2$ 电子不易参与反应）

**惰性电子对效应:**铅的 $6s^2$ 电子能量较低,不易参与成键,所以 $\mathrm{Pb}{}^{2+}$ 比 $\mathrm{Pb}{}^{4+}$ 更稳定。这与碳族上方的元素（$\mathrm{C}{}^{4+}$、$\mathrm{Si}{}^{4+}$）形成鲜明对比。

碳

详见 碳元素。

碳是有机化学的基础,也是生命不可或缺的元素。碳的特殊之处在于:

• $\mathrm{C}-\mathrm{C}$ 键能高（$348kJ/mol$）,能形成稳定的长链和环
• 能与 $\mathrm{H}$、$\mathrm{O}$、$\mathrm{N}$、$\mathrm{S}$ 等形成多种共价键
• 同素异形体丰富（金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管、石墨烯）

硅

详见 硅元素。

硅是碳的”兄弟”,但性质差异显著:

• $\mathrm{Si}-\mathrm{Si}$ 键能（$226kJ/mol$）低于 $\mathrm{C}-\mathrm{C}$,硅链不如碳链稳定
• $\mathrm{SiO}{}_2$ 是共价晶体,而 $\mathrm{CO}{}_2$ 是分子晶体
• 硅的氢化物（硅烷）不如碳的氢化物稳定

锗

锗是门捷列夫预言的元素之一（“类硅”），发现时性质与预言高度吻合,验证了元素周期表。

性质	描述
外观	灰白色,有金属光泽
导电性	半导体
用途	早期半导体材料、红外光学器件

锡

性质	描述
外观	银白色金属
密度	$7.31g/c{\mathrm{m}}^3$
熔点	$232{}^{\circ }\mathrm{C}$（低熔点金属）
化学性质	较稳定,常温下不易被腐蚀

锡的同素异形体:

• 白锡（$\beta$-锡）:常温稳定,有延展性
• 灰锡（$\alpha$-锡）:低温（$<13.2{}^{\circ }\mathrm{C}$）稳定,粉末状

“锡疫”:低温下白锡转变为灰锡,体积膨胀,使锡制品碎裂。

用途:

• 镀锡铁皮（马口铁）用于食品罐头
• 焊锡（锡铅合金,熔点低）
• 青铜（铜锡合金）
• 锡箔

铅

性质	描述
外观	蓝灰色金属
密度	$11.34g/c{\mathrm{m}}^3$（重金属）
熔点	$327{}^{\circ }\mathrm{C}$
硬度	很软
毒性	有毒,能在体内积累

化学性质:

• 表面形成致密氧化膜,耐腐蚀
• $\mathrm{Pb}{}^{2+}$ 比 $\mathrm{Pb}{}^{4+}$ 稳定（惰性电子对效应）

$\mathrm{PbO}{}_2+4\mathrm{HCl}\to \mathrm{PbCl}{}_2+\mathrm{Cl}{}_2\uparrow +2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

$\mathrm{PbO}{}_2$ 是强氧化剂。

铅的化合物:

化合物	颜色	说明
$\mathrm{PbO}$（密陀僧）	黄色	铅的碱性氧化物
$\mathrm{PbO}{}_2$	棕色	强氧化剂,铅蓄电池正极
$\mathrm{Pb}{}_3\mathrm{O}{}_4$（铅丹）	红色	防锈漆颜料
$\mathrm{PbSO}{}_4$	白色	铅蓄电池放电产物

铅中毒:

• 铅能替代骨骼中的钙,长期积累导致慢性中毒
• 影响神经系统,尤其是儿童发育
• 历史上含铅汽油和铅管是主要暴露来源
• 现代已禁用含铅汽油和铅基涂料

引出

为什么碳的化合物种类远超硅?这和键能有什么关系?

惰性电子对效应在其他族中是否也存在?

石墨烯的特殊结构赋予了它什么性质?

参考:元素周期表、碳元素、硅元素、元素周期律