[科普中國]-碳族元素

碳族元素（Carbon group）指的是元素周期表ⅣA族的所有元素，包括碳（C）、硅（Si）、鍺（Ge）、錫（Sn）、鉛（Pb）、鈇（Fl）六種。它們電子排布相似，有4個價電子。碳、硅是非金屬，鍺是金屬元素，但金屬性較弱，錫和鉛是更為典型的金屬元素，F(xiàn)l系人工合成。碳族元素在分布上差異很大，碳和硅在地殼有廣泛的分布；錫、鉛也較為常見，鍺的含量則十分稀少，屬于稀散型稀有金屬。碳是碳循環(huán)的核心元素，以二氧化碳、碳酸鹽和有機物的形式存在，硅以二氧化硅和硅酸鹽為主，鍺、錫、以二氧化物存在，鉛以硫化物居多。

分布碳族元素中，硅的豐度最大，僅次于氧；碳、硅都是地殼中的常量元素；錫、鉛的豐度較小，但礦藏集中，易于開采和冶煉，因而其歷史也較為長久；鍺屬于稀散型稀有金屬，礦藏極少；鈇主要是人工合成。

元素性質(zhì)周期律性質(zhì)主條目：元素周期律

碳族元素表現(xiàn)出一定的周期性，從上到下，元素的金屬性增強，非金屬性減弱，+4價化合物穩(wěn)定性降低，+2價化合物穩(wěn)定性提高，鉛（Ⅱ）化合物穩(wěn)定性高于鉛（Ⅳ）。1

⒈相似性

·最外層都有4個電子，化合價主要有+4和+2，易形成共價化合物。

·氣態(tài)氫化物的通式：RH4

·最高價氧化物對應的水化物通式為H2RO3或R(OH)4

⒉遞變性

·+2價化合物主要氧化態(tài)穩(wěn)定性逐漸增大，+4價化合物主要氧化態(tài)穩(wěn)定性逐漸減小

·熔沸點降低，單質(zhì)密度逐漸增大

·金屬性增強，非金屬性減弱，最高價氧化物對應水化物的酸性減弱，氫化物的穩(wěn)定性減弱

硅的特殊性主條目：對角線規(guī)則

①硅與ⅢA族的硼在周期表中處于對角線位置，表現(xiàn)出特有的對角線規(guī)則。而其他碳族元素無此規(guī)律。

②碳的氫化物類型眾多（例如各種烴類），而硅的氫化物類型較少

碳族元素形成的MH4 型氫化物中，CH4的生成焓為負值，其他均為正值如下表

|| ||

因此，CH4最為穩(wěn)定，其它由上到下穩(wěn)定性逐漸降低。且由于碳原子的半徑較小，可以形成碳碳雙鍵（烯烴）、三鍵（炔烴）；而硅原子的半徑較大，硅與硅原子之間雙鍵型的氫化物（H2Si=SiH2）直到1981年才制得，極不穩(wěn)定。

③碳的含氧酸鹽很少，而硅的含氧酸鹽類型眾多。

硅酸根離子具有正四面體結(jié)構(gòu)，極其穩(wěn)定，因而有許多正硅酸鹽；四面體共用單元頂點氧原子連接形成各種各樣的結(jié)構(gòu)形式。

化學性質(zhì)碳可以跟濃硫酸、硝酸反應，被氧化成二氧化碳，不與鹽酸作用。硅不跟鹽酸、硫酸、硝酸作用，只與氫氟酸反應。鍺不和稀鹽酸、稀硫酸反應，但能被濃硫酸、濃硝酸氧化。錫和稀鹽酸、稀硫酸反應，生成低價錫（Ⅱ）的化合物；跟濃H2SO4、濃HNO3反應生成高價錫（Ⅳ）的化合物。鉛跟鹽酸、硫酸、硝酸都能反應被氧化成亞鉛離子。碳族元素中跟堿溶液反應的有硅和錫，它們既表現(xiàn)出金屬性又表現(xiàn)出非金屬性。碳族元素在加熱時都能跟氧反應，被氧化成二氧化碳、二氧化硅和氧化亞鉛等。碳族元素跟硫、氯共熱生成相應的高價氯化物和硫化物，鉛則生成鉛（Ⅱ）化合物。碳、硅跟金屬共熱生成碳化物和硅化物，錫、鉛與金屬形成合金。都不能直接與氫化合，其氫化物是間接制得的。

化學反應C + O?——→CO?

2C + O?——→ 2CO

2CO + O?——→2CO?

C+ 2CuO ——→2Cu + CO?↑

3C+ 2Fe2O?——→4Fe + 3CO?↑

CO+ CuO——→Cu + CO?

3CO+ Fe2O?——→2Fe + 3CO?

2NaOH + CO?——→Na2CO?+ H2O

2NaOH + SO?——→Na2SO?+ H2O

2NaOH + SO?——→Na2SO?+ H2O

Ca(OH)? + CO?——→CaCO? ↓+ H2O

Ca(OH)?+ SO?——→CaSO?↓+ H2O

CO?+ H2O——→H2CO?

C+ H2O——→CO + H?（生成水煤氣）

C+CO?——→2CO

2C+ SiO?——→2CO↑ + Si

Si +O?——→SiO?

2F?+ Si——→SiF?

Si + 4HF——→SiF?↑+2H?↑

Si+2NaOH+ H2O——→Na2SiO?+2H?↑

SiO2+2NaOH——→Na2SiO?+H2O

SiO2+ 4HF——→SiF?+2H2O

CaO+ SiO?——→CaSiO?

SiO?+ Na2CO?——→Na2SiO?+ CO?

SiO?+ CaCO?——→CaSiO?+ CO?↑

Na2SiO?+ 2HCl——→2 NaCl+ H2SiO?↓

Na2SiO?+H2O +CO?——→Na2CO?+ H2SiO?↓

重要性質(zhì)碳族元素的一些重要性質(zhì)2

參見·硼族元素（Boron group）

·氮族元素（Nitrogen group）

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

唐浩宇 - 教授 - 湘潭大學