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。
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。
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)
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。
碳族元素的标准电极电势图汇列于下面。
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