普通化学/各种元素的化学/第 14 族

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单元: 物质 · 原子结构 · 键合 · 反应 · 溶液 · 物质的相 · 平衡 · 动力学 · 热力学 · 元素
附录: 元素周期表 · 单位 · 常数 · 方程 · 还原电位 · 元素及其性质

碳族

第 14 族 (IVA) 包括碳、硅、锗、锡和铅。碳是非金属，硅和锗是类金属，锡和铅是金属。

碳族元素具有 4 个价电子，倾向于形成共价化合物。随着质量和原子半径的增加，这些元素变得越来越金属化，熔点和沸点也越来越低。

第 14 族元素很难形成气态氢化合物。这些化合物要么不稳定，要么易燃。除了铅之外，所有元素都能在 +4 氧化态下形成氧化物、硫化物和卤化物。+4 氧化态在碳、硅和锗中占主导地位；锡中同时出现 +2 和 +4 氧化态，铅中以 +2 氧化态为主。所有这些元素都形成 +4 态的卤化物，它们是共价的。

碳化合物比硅、锗、锡或铅的类似化合物更共价。更重要的是，碳可以与自身或其他元素形成双键甚至三键，形成其他重元素无法形成的化合物，如乙炔 (C₂H₂)。硅和该族的其他重元素只能形成单键。

因此，二氧化碳 CO₂ 在常温下是气体，因为碳和氧之间的双键形成了单个分子，但二氧化硅 SiO₂ 形成一种称为石英的坚硬岩石，因为它是一种共价网络固体。每个硅原子通过单键与四个不同的氧原子键合，每个氧原子与两个硅原子键合。锗、锡和铅的氧化物具有类似的性质。二氧化碳溶解在水中形成碳酸，碳酸是一种弱酸，与碱反应形成碳酸盐；该族的其他元素的氧化物在水中几乎不反应。

碳

碳是一种非常重要的元素。它在地球和大气中含量丰富，并且存在于构成所有生物的物质中。碳具有许多使其与其他元素不同的性质，因此值得深入研究。

同素异形体

同素异形体是纯元素的不同形式。碳有几种同素异形体，其中三种很常见。

无定形碳是煤和炭黑。碳分子以共价键结合，但没有顺序或排列。
石墨发生在碳形成扁平共价网络时。这些扁平的“片层”彼此之间没有键合，使它们可以自由滑动。石墨构成铅笔中的“铅”。
金刚石发生在碳形成三维共价网络时。金刚石与石墨和无定形碳大不相同。它们是透明的、闪闪发光的，并且非常坚硬。金刚石只能在高温和高压下形成。

碳还有几种稀有且奇特的同素异形体，包括

富勒烯，或称巴基球，是球形的碳球。共价键将碳原子连接成足球状图案，看起来很像巴克明斯特·富勒的球形穹顶。最常见的富勒烯具有 C₆₀ 的分子式。富勒烯足够大，可以让一个小原子被困在里面。
笼状石墨在陨石撞击地球时形成。
碳纳米管是由碳制成的非常小但坚硬的管子。它们是在实验室中制造的，是研究的主题。

请记住，同素异形体仅由一种元素组成。在这种情况下，这些同素异形体仅包含碳原子，不包含其他元素。

无机化合物

虽然碳主要以其有机化合物而闻名，但它确实形成了许多重要的无机化合物。

氧化物

碳的氧化物仅包含碳原子和氧原子。有两种氧化物很常见

一氧化碳 (CO)：当含碳燃料在氧气有限的情况下燃烧时释放的有毒气体。
二氧化碳 (CO₂)：自然存在于空气中，但含量过多被认为是污染。动物呼出二氧化碳，植物吸收二氧化碳。它略带酸性。二氧化碳在固态时为“干冰”。

还有其他可能形成的氧化物，但它们不稳定或不自然

三氧化碳

二氧化三碳 (C₃O₂)：由双键组成，末端为氧。O = C = C = C = O。它分解成二氧化碳和二氧化碳。
二氧化碳 (C₂O)：反应性很强。仅包含双键，但末端碳有一个非键合对。
三氧化碳 (CO₃)：存在于三种不同的形状中，非常不稳定

从氧化物衍生的化合物

碳酸是由二氧化碳溶解在水中形成的。它由以下反应给出

{\hbox{CO}}_{2}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}\leftrightarrow {\hbox{H}}_{2}{\hbox{CO}}_{3}

碳酸盐 和 碳酸氢盐 是碳形成的两种离子。

它们的化学式分别是 CO₃^2- 和 HCO₃^-。

离子化合物

除了氧阴离子（碳酸盐和碳酸氢盐）外，碳还可以形成几种其他的离子。

氰化物 (CN^-)
氰酸根 (OCN^-)
硫氰酸根 (SCN^-)
碳化物 (C₂^2- 和 C₃^4-)

合金

碳被用于一些合金中，合金是金属的混合物。如果将少量（按重量计 0.2% 到 2.1%）的碳混合到铁中，就会得到钢。

有机化合物

含有碳的化合物（上述无机化合物除外）被认为是有机的。它们曾经被认为只由生物体产生，但后来在实验室中被人工合成。大多数有机化合物除了碳之外还含有氢。

许多物质都是有机化合物。聚合物是有机化合物，由包含碳和其他原子的重复模式的长链组成。塑料、橡胶和尼龙都是有机聚合物。碳氢化合物是只含有氢和碳的化合物，甲烷就是一个简单的例子。原油是各种混合在一起的碳氢化合物的泥浆。丙烷、丁烷和辛烷是众所周知的用作燃料的碳氢化合物。也许最有趣的有机化合物类型是生物分子。碳水化合物、蛋白质、脂类（脂肪）和核酸（如 DNA）是最基本的生物分子。它们也是聚合物（脂类除外），由长链的小的重复化学物质通过键合在一起形成。生物分子构成了构成所有生物体的活细胞中发现的化学物质。

有机化学和生物化学是十分广泛而深入的学科。它们远远超出了普通化学的范围。幸运的是，你对普通化学的知识足以开始维基教科书的有机化学和生物化学，如果你感兴趣的话。

硅

硅存在于半导体中，半导体是所有电子设备的基础。它的电子构型使它能够捐赠或接受电子。当纯硅被“掺杂”具有比硅更多或更少电子的元素时，轻微不纯的硅就变成了半导体。这些物质通过充当开关来构成复杂的电子设备，该开关可以根据电信号打开或关闭。

硅在自然界中不以游离状态存在；它最常见于二氧化硅（包括非常常见的岩石石英和大多数沙粒）和硅酸盐中。大多数硅酸盐是不溶的。所谓的“神奇岩石”与溶解在水中的硅酸钠发生反应，然后与一些溶解的金属盐的离子发生反应，形成岩石状硅酸盐柱。

二氧化硅是一种坚硬的物质，只有在高温下才能熔化，它的化学性质与二氧化碳截然不同，二氧化碳在冻结成干冰之前是气体。熔融二氧化硅可以铸造成玻璃，玻璃是一种坚硬而有用的材料，能抵抗除氟、氢氟酸和强碱以外几乎所有化学物质的侵蚀。玻璃在家庭容器和饮具中非常有用，因为它耐化学物质、耐热，并能抵抗微生物的侵蚀。玻璃如果纯净或含有某些化学物质，可以非常透明，或者可以呈现出迷人的颜色，使其成为艺术品的首选材料。一些小型生物将海中的溶解二氧化硅转化为它们的壳来创建结构。种类繁多的硅化合物被称为硅树脂，具有广泛而多样的用途。

其他

锗是另一种用于半导体的元素。在晶体管普及之前，锗二极管在无线电中被大量使用。

锡被认为是一种“差金属”。它在标准状态下有两种同素异形体：灰锡和白锡。灰锡具有非金属特性，而白锡是金属。锡经常被用作合金。“锡罐”实际上是镀锡的钢罐，以防止腐蚀。白锡是一种主要由锡组成的铜锡合金。青铜是一种主要由铜组成的铜锡合金。焊料是锡铅合金，因其熔点低而被用于连接电线。

铅是一种重金属，呈灰色。它曾被广泛使用，但现在已知如果摄入，它会成为神经毒素。运水管以前用铅制成，但现在用铜或塑料制成，因为铅可能会污染水。铅化合物，尤其是易溶于水（如醋酸铅，在罗马时代曾用作葡萄酒的防腐剂和甜味剂）或胃酸（如以前用于油漆中的氧化铅）或以气态或液态形式（如以前用于汽油中的四乙基铅）和铅粉都是非常危险的。铅在食品、油漆和汽车燃料中的使用现在几乎在世界各地都被禁止。

铅水晶玻璃中含有氧化铅，但它与二氧化硅紧密结合，因此不易逸出。铅笔“芯”实际上不是铅，而是无害的石墨（实际上是碳）与粘土结合在一起。铅仍然在汽车电池（其中含有比铅更危险的硫酸）和核用途（作为比铅金属更危险的辐射屏蔽）中发挥作用。

$2{\hbox{PbO}}+{\hbox{PbS}}\to 3{\hbox{Pb}}+{\hbox{SO}}_{2}$	铅氧化物很容易被还原。
$3{\hbox{Pb}}_{(s)}+8{\hbox{HNO}}_{3(aq)}\to 3{\hbox{Pb}}_{(aq)}^{2+}+6{\hbox{NO}}_{3(aq)}^{-}+2{\hbox{NO}}_{(g)}+4{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}_{(l)}$	铅不溶于盐酸或硫酸，但会溶于硝酸，因为硝酸是一种强氧化剂。
${\hbox{PbO}}_{(s)}+2{\hbox{OH}}_{(aq)}^{-}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}_{(l)}\to {\hbox{Pb}}({\hbox{OH}})_{4(aq)}^{2-}$	加入碱性溶液中，氧化铅(II)会形成亚铅酸盐离子。
${\hbox{Pb}}({\hbox{OH}})_{4(aq)}^{2-}+{\hbox{Cl}}_{2(aq)}\to {\hbox{PbO}}_{2(s)}+2{\hbox{Cl}}_{(aq)}^{-}+2{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}_{(l)}$	亚铅酸盐在氯化时会形成氧化铅(IV)。
${\hbox{PbO}}_{2(s)}+2{\hbox{OH}}_{(aq)}^{-}+2{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}_{(l)}\to {\hbox{Pb}}({\hbox{OH}})_{6(aq)}^{2-}$	将氧化铅(IV)加入碱性溶液中会形成铅酸盐离子。