碳族元素性质

碳族元素

1、碳族元素的通性

碳原子结构及特性

碳族元素中，碳、硅是非金属，其余三种是金属，由于硅、锗的金属性和非金属性均不强，也有人称其为“准金属”。

碳族元素的外层电子构型为ns 2np2

碳族元素的基本性质

碳族元素的电负性大，要失去价电子层上的1-2 个p 电子成为正离子是困难，它们倾向于将s 电子激发到p 轨道而形成较多的共价键，所以碳和硅的常见氧化态为+IV。

第一电离能在同组元素中，由上而下随着原子半径的增大，电离能减小，元素的金属性依次增强。

电子亲和能在同族元素中，自上而下原子半径逐渐增大，原子核对外来电子的吸引力逐渐减弱，自上而下，电子亲和能呈减小趋势。可能是Sn 的原子半径相对较小，外层电子云的密度小，对外来一个电子的排斥作用反而比Ge 大，因而得到一个电子放出的的能量较大。

金刚石，晶体硅都为原子晶体，锗、锡、铅都为金属晶体。

碳元素的性质

碳的成键特征

①以sp、sp2、sp3 三种杂化态与H、O、Cl、N 等非金属原子形成共价化合物，C—C、C—H、C—O 键的键能分别为331 KJ·mol-1、415 KJ·mol-1、343 KJ·mol-1, 键能越大，稳定性越高。因此，C、H、O 三种能形成数百万种的有机化合物，其中碳的氧化数从+4 变到-4

②以碳酸盐的形式存在。硅的成键特征

①以硅氧四面体的形式存在，如石英和硅酸盐矿中。

②Si—Si、Si—H、Si—O 键的键能分别为197 KJ·mol-1、320 KJ·mol-1、386 KJ·mol-1，除Si—O 键，前两者的键能分别小于C—C、C—H，因此Si、H、O 虽可以形成一些类似于C、H、O 形成的有机物，但数量有限

碳和硅可以用sp、sp2和sp3杂化轨道形成1 到4 个σ键，但Si sp 和sp2态不稳sp、定。碳的原子半径小，还能形成pπ—pπ键，所以碳能形成多重键碳的原子半径小，

锡铅的成键特征

①以+2 氧化态的形式存在于离子化合物中

②以+4 氧化态的形式存在于共价化合物和少数离子型化合物中。其中由于ns 电子对随n 增大（惰电子效应），铅在化合物中呈+2 氧化态的趋势增强，因此+4 氧化态的铅具有强的氧化性。

碳族元素在自然界中的分布

碳、硅在地壳中的丰度分别为0.023％、29.50％。硅的含量在所有元素中居第二位，它以大量的硅酸盐矿和石英矿存在于自然界。碳的含量虽然不多，但它（除氢外）是地球上化合物最多的元素。大气中有CO2；矿物界有各种碳酸盐、金刚石、石墨和煤，还有石油和天然气等碳氢化合物动植物体中的脂肪、蛋白质、淀粉和纤维素等等也都是碳的化合物。如果说硅是构成地球上矿物界的主要元素，那么，碳就是组成生物界的主要元素。锗、锡、铅在自然界中以化合状态存在。如硫银锗矿4Ag2S·GeS2，锗石矿Cu2S·FeS·GeS2，锡石矿SnO2，方铅矿PbS 等

碳及其化合物

单质碳有三种同素异形体，金刚石、石墨和球碳。木炭、焦炭、炭黑等都有石墨结构。

石墨结构金刚石结构

（1）金刚石

金刚石是典型的原子晶体，属于立方晶系。金刚石中每个碳原

子均以sp 杂化状态与相邻的四个碳原子结合成键。金刚石的硬度为10，是硬度最高的物质。金刚石也是熔点最高的物质，高达3823K。纯金刚石透明无色，天然金刚石含杂质而多带颜色。由于每个碳原子以sp3杂化所有价电子都参与了共价键的形成，晶体中没有离域π电子，所以金刚石不导点，几乎对所有的化学试剂显惰性。在空气中加热到800℃以上时，燃烧生成CO2。

（2）石墨

石墨的熔点略低于金刚石。石墨硬度为1，是最软的晶体之一，呈灰黑色。石墨具有层状结构，每个碳原子以sp2杂化轨道和邻近的 3 个碳原子以共价单键相联结，构成片状结构。每层上的原子各提供一个含成单电子的p 轨道形成一个∏nn 大π键，这些离域电子使得石墨具有良好的导电性，常用作电极。层与层之间靠分子间作用力结合在一起，但相互交错。由于层间的分子间作用力很弱，所以层间易于滑动，故石墨可以作润滑剂。石墨对一般化学试剂也显惰性，但比金刚石活泼，在500℃可被氧化成CO2，也可被浓热的HClO4氧化成CO2。依此可以出去金刚石中的石墨。

（3）球碳

科学家认为C60将是21世纪的重要材料

(i) C60分子具有球形的芳香性，可以合成C60F n，作为超级润滑剂。

(ii) C60笼内可以填入金属原子而形成超原子分子，作为新型催化剂或催化剂载体，具有超导性，掺K的C60，T c =

18K，Rb3C60T c = 29K，它们是三维超导体。

(iii) C60晶体有金属光泽，其微晶体粉末呈黄色，易溶于苯，其苯溶液呈紫红色。C60分子特别稳定，进行化学反应

时，C60始终是一个整体。

碳的氧化物

一氧化碳

CO 是一种无色无味的气体，不与水作用，属中性氧化物。CO 可以与血液中的血红素中的铁元素结合生成羰基化合物，使血液失去运输氧的功能。空气中若含有1/800 体积的CO 就使人在半小时内死亡。

CO 有还原性和加合性，将CO 通入PdCl2溶液，可立即生成黑色沉淀，此反应可用于CO 的定性检验。

CO＋PdCl2+2H2O CO2+2HCl+Pd↓

CO 与CuCl 的酸性溶液的反应进行得很完全，以至于可以用来定量吸收CO。

CO+CuCl+2H2O Cu(CO)Cl·2H2O

冶金工业上CO 是重要的还原剂。

FeO+CO Fe+CO2

CO 能与许多过渡金属结合生成羰基配合物，Fe(CO)5、

Ni(CO)4，Cr(CO)6等。这些羰基配合物的生成、分离、加热分解是制备这些高纯金属的方法之一。

工业上将空气和水蒸气交替通入红热炭层,混合气体含CO 40％，CO2 5％，H2 50％C+H2O 称之为水煤气。

C+H2O=Δ= CO+H2

或碳的不完全燃烧，得到的气体含CO 25％，CO2 4％，N2 70％( 体积比) 这种混合气体称为发生炉煤气。

2C+O2= 2CO

发生炉煤气和水煤气都是工业上的燃料气。

实验室中制备少量CO 是用浓硫酸使甲酸脱水来实现。

HCOOH +浓H2SO4=CO↑+ H2O

二氧化碳

CO2是一种无色无味的气体，无毒，但大量的CO2可令人窒息。空气中CO2的体积分数为0.03％。人呼出的的气体中CO2的体积分数为4％。2 在5.2atm、CO -56.6℃时可冷凝为雪花状的干冰。CO2中，C 原子采取sp 杂化，2 个含成单电子的sp 杂化轨道分别与 2 个O 原子的含成单电子的2p 轨道重叠形成 2 个σ键；中心C 原子上还有2 个含成单电子的2p 轨道，垂直于键轴，相互间也垂直；每个O 原子上还有1 个含成单电子的2p 轨道和一个含成对电子的2p 轨道，同样垂直于键轴，相互间也垂直，这样3 个原子对称性匹配的3 个2p 轨道相互重叠形成一个π键，另3 个对称性匹配的2p 轨道也重叠形成另一个π键。CO2构