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碳族元素

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。

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
以元素命名 碳族元素
CAS族編號
（美國，pattern A-B-A）
 IVA
舊IUPAC族編號
（歐洲，pattern A-B）
 IVB
↓ 週期
2
Image: 碳
碳 (C)
6 非金屬
3
Image: 矽
矽 (Si)
14 類金屬
4
Image: 鍺
鍺 (Ge)
32 類金屬
5
Image: 錫
錫 (Sn)
50 貧金屬
6
Image: 鉛
鉛 (Pb)
82 貧金屬
7 鈇 (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]

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粒电子，離子的最高正价都是+4价。

性质

物理性质

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
（克/立方厘米）

单质熔点
（℃）

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]

同素异形体

主条目：碳的同素异形体

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

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 碳 2、4
14 硅 2、8、4
32 锗 2、8、18、4
50 锡 2、8、18、18、4
82 铅 2、8、18、32、18、4
114 鈇 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。

碳可以跟浓硫酸、硝酸反应，被氧化成二氧化碳。不与盐酸作用。

硅与氢氟酸反应。硅在铜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。

化合物

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]

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

  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 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  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 Florez, Edison; Smits, Odile R.; Mewes, Jan-Michael; Jerabek, Paul; Schwerdtfeger, Peter. From the gas phase to the solid state: The chemical bonding in the superheavy element flerovium. The Journal of Chemical Physics. 2022, 157. doi:10.1063/5.0097642. 
  5. ^ Seaborg, G. T. Transuranium element. Encyclopædia Britannica. [2010-03-16]. （原始内容存档于2010-11-30）. 
  6. ^ 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）. 
  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], （原始内容存档于2015-10-31） 
  10. ^ Carbon:Allotropes, [January 2013], （原始内容存档于2013-01-17） 
  11. ^ Gagnon, Steve, The Element Silicon, [January 20, 2013], （原始内容存档于2012-03-09） 
  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 互联网档案馆的存檔，存档日期2012-02-20., lecture by Heinz W. Gäggeler, Nov. 2007. Last accessed on Dec. 12, 2008.
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