碳族元素基本性质

   第ⅣA族包括碳、硅、锗、锡和铅五种元素,统称为碳族元素。它们元素的一些性质列于下表。

性     质

碳(C)

硅(Si)

锗(Ge)

锡(Sn)

铅(Pb)

原 子 序 数

6

14

32

50

82

原  子  量

12.01

28.09

72.59

118.69

207.2

价电子构型

2s22p2

3s23p2

4s24p2

5s25p2

6s26p2

主要氧化态

+4,(+2),0

+4,(+2),0

+4,+2,0

+4,+2,0

(+4),+2,0

原子共价半径(pm)

77

117

122

140

154

离子半径(pm)M4+
        M2+

16

42

53
73

71
93

84
120

电离势(kJ/mol)I1
I2
I3
I4

1086
2353
4621
6223

787
1577
3232
4356

762
1537
3302
4410

709
1412
2943
3930

716
1450
3081
4083

电  负  性

2.55

1.90

2.01

1.96

2.33

   本族元素和其它p区元素相似,其性质变化呈现出明显的规律性。本族是从典型的非金属元素(碳、硅)通过准金属元素(锗)到典型的金属元素(锡、铅)的完整过渡族。

 

碳族元素的通性

   本族元素电子层结构为ns2np2,从电离势数据可以看出要将4个电子全部失去成为+Ⅳ价离子或者得到4个电子成为-Ⅳ价离子都是十分困难的,因此形成共价化合物是本族元素的特征。碳、硅主要形成氧化数为+Ⅳ的化合物。氧化数为+Ⅳ、+Ⅱ的锗、锡都常见,氧化数+Ⅳ的铅很不稳定,为强氧化剂。铅主要以氧化数为+Ⅱ的化合物存在。

 

碳族元素的特性

   碳和硅虽然都是同族的非金属元素,但在形成化合物时,都有着各自的特点。碳是第二周期元素,外层有效轨道是2s和2p,它可以sp3、sp2、sp的不同杂化类型形成数目不等的σ键,但配位数不能超过4。又因它的半径很小,除了形成σ键外,还可以形成p-pπ多重键(双键、叁键),这是碳的化合物种类繁多的原因之一。硅是第三周期元素,半径较大,一般不能形成多重键,但它的外层除了3s和3p轨道外,还有有效d轨道可以参加成健,配位数可以达到6。

某些单键的平均键能(kJ/mol)

名   称

键   能

名   称

键   能

C-C

345.6

C-O

357.7

Si-Si

222

Si-O

452

Ge-Ge

188

C-F

485

Sn-Sn

146.4

Si-F

565

C-H

411

C-Si

318

Si-H

318

 

 

   上表列出了碳、硅、锗、锡某些单键的平均键能。从表中的键能数据可以看出:本族元素链接的趋势从C到Sn越来越小。C-H键和C—C键的键能都比Si-H键、Si-Si键的键能大,因此在自然界大量存在着一系列的含C-H键化合物,如有机物中的烃类等。这也就是碳元素组成地球上化合物最多的元素的另一种重要原因。含Si-H的化合物也制得过,但为数不多。Si-O键的键能比C-O键和Si-H键的键能都大,这就使得硅成了本族的亲氧元素,以Si-O四面体的形式构成矿物界。含Si-H键化合物燃烧也强热地生成硅的氧化物。从键能还可以知道,硅和氟所形成的化合物也是很稳定的。

 

碳族元素的电势图

   碳族元素的标准电极电势图汇列于下面。