普通化學/各種元素的化學/第 14 族

← 各種元素的化學/第 13 族 ·各種元素的化學/第 15 族 →

← 各種元素的化學/第 13 族 ·	普通化學	· 各種元素的化學/第 15 族 →
書封 · 介紹 · v • d • e
單元: 物質 · 原子結構 · 鍵合 · 反應 · 溶液 · 物質的相 · 平衡 · 動力學 · 熱力學 · 元素
附錄: 元素週期表 · 單位 · 常數 · 方程 · 還原電位 · 元素及其性質

碳族

第 14 族 (IVA) 包括碳、矽、鍺、錫和鉛。碳是非金屬，矽和鍺是類金屬，錫和鉛是金屬。

碳族元素具有 4 個價電子，傾向於形成共價化合物。隨著質量和原子半徑的增加，這些元素變得越來越金屬化，熔點和沸點也越來越低。

第 14 族元素很難形成氣態氫化合物。這些化合物要麼不穩定，要麼易燃。除了鉛之外，所有元素都能在 +4 氧化態下形成氧化物、硫化物和鹵化物。+4 氧化態在碳、矽和鍺中占主導地位；錫中同時出現 +2 和 +4 氧化態，鉛中以 +2 氧化態為主。所有這些元素都形成 +4 態的鹵化物，它們是共價的。

碳化合物比矽、鍺、錫或鉛的類似化合物更共價。更重要的是，碳可以與自身或其他元素形成雙鍵甚至三鍵，形成其他重元素無法形成的化合物，如乙炔 (C₂H₂)。矽和該族的其他重元素只能形成單鍵。

因此，二氧化碳 CO₂ 在常溫下是氣體，因為碳和氧之間的雙鍵形成了單個分子，但二氧化矽 SiO₂ 形成一種稱為石英的堅硬岩石，因為它是一種共價網路固體。每個矽原子透過單鍵與四個不同的氧原子鍵合，每個氧原子與兩個矽原子鍵合。鍺、錫和鉛的氧化物具有類似的性質。二氧化碳溶解在水中形成碳酸，碳酸是一種弱酸，與鹼反應形成碳酸鹽；該族的其他元素的氧化物在水中幾乎不反應。

碳

碳是一種非常重要的元素。它在地球和大氣中含量豐富，並且存在於構成所有生物的物質中。碳具有許多使其與其他元素不同的性質，因此值得深入研究。

同素異形體

同素異形體是純元素的不同形式。碳有幾種同素異形體，其中三種很常見。

無定形碳是煤和炭黑。碳分子以共價鍵結合，但沒有順序或排列。
石墨發生在碳形成扁平共價網路時。這些扁平的“片層”彼此之間沒有鍵合，使它們可以自由滑動。石墨構成鉛筆中的“鉛”。
金剛石發生在碳形成三維共價網路時。金剛石與石墨和無定形碳大不相同。它們是透明的、閃閃發光的，並且非常堅硬。金剛石只能在高溫和高壓下形成。

碳還有幾種稀有且奇特的同素異形體，包括

富勒烯，或稱巴基球，是球形的碳球。共價鍵將碳原子連線成足球狀圖案，看起來很像巴克明斯特·富勒的球形穹頂。最常見的富勒烯具有 C₆₀ 的分子式。富勒烯足夠大，可以讓一個小原子被困在裡面。
籠狀石墨在隕石撞擊地球時形成。
碳奈米管是由碳製成的非常小但堅硬的管子。它們是在實驗室中製造的，是研究的主題。

請記住，同素異形體僅由一種元素組成。在這種情況下，這些同素異形體僅包含碳原子，不包含其他元素。

無機化合物

雖然碳主要以其有機化合物而聞名，但它確實形成了許多重要的無機化合物。

氧化物

碳的氧化物僅包含碳原子和氧原子。有兩種氧化物很常見

一氧化碳 (CO)：當含碳燃料在氧氣有限的情況下燃燒時釋放的有毒氣體。
二氧化碳 (CO₂)：自然存在於空氣中，但含量過多被認為是汙染。動物撥出二氧化碳，植物吸收二氧化碳。它略帶酸性。二氧化碳在固態時為“乾冰”。

還有其他可能形成的氧化物，但它們不穩定或不自然

三氧化碳

二氧化三碳 (C₃O₂)：由雙鍵組成，末端為氧。O = C = C = C = O。它分解成二氧化碳和二氧化碳。
二氧化碳 (C₂O)：反應性很強。僅包含雙鍵，但末端碳有一個非鍵合對。
三氧化碳 (CO₃)：存在於三種不同的形狀中，非常不穩定

從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。它由以下反應給出

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

碳酸鹽 和 碳酸氫鹽 是碳形成的兩種離子。

它們的化學式分別是 CO₃^2- 和 HCO₃^-。

離子化合物

除了氧陰離子（碳酸鹽和碳酸氫鹽）外，碳還可以形成幾種其他的離子。

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

合金

碳被用於一些合金中，合金是金屬的混合物。如果將少量（按重量計 0.2% 到 2.1%）的碳混合到鐵中，就會得到鋼。

有機化合物

含有碳的化合物（上述無機化合物除外）被認為是有機的。它們曾經被認為只由生物體產生，但後來在實驗室中被人工合成。大多數有機化合物除了碳之外還含有氫。

許多物質都是有機化合物。聚合物是有機化合物，由包含碳和其他原子的重複模式的長鏈組成。塑膠、橡膠和尼龍都是有機聚合物。碳氫化合物是隻含有氫和碳的化合物，甲烷就是一個簡單的例子。原油是各種混合在一起的碳氫化合物的泥漿。丙烷、丁烷和辛烷是眾所周知的用作燃料的碳氫化合物。也許最有趣的有機化合物型別是生物分子。碳水化合物、蛋白質、脂類（脂肪）和核酸（如 DNA）是最基本的生物分子。它們也是聚合物（脂類除外），由長鏈的小的重複化學物質透過鍵合在一起形成。生物分子構成了構成所有生物體的活細胞中發現的化學物質。

有機化學和生物化學是十分廣泛而深入的學科。它們遠遠超出了普通化學的範圍。幸運的是，你對普通化學的知識足以開始華夏公益教科書的有機化學和生物化學，如果你感興趣的話。

矽

矽存在於半導體中，半導體是所有電子裝置的基礎。它的電子構型使它能夠捐贈或接受電子。當純矽被“摻雜”具有比矽更多或更少電子的元素時，輕微不純的矽就變成了半導體。這些物質透過充當開關來構成複雜的電子裝置，該開關可以根據電訊號開啟或關閉。

矽在自然界中不以遊離狀態存在；它最常見於二氧化矽（包括非常常見的岩石石英和大多數沙粒）和矽酸鹽中。大多數矽酸鹽是不溶的。所謂的“神奇巖石”與溶解在水中的矽酸鈉發生反應，然後與一些溶解的金屬鹽的離子發生反應，形成岩石狀矽酸鹽柱。

二氧化矽是一種堅硬的物質，只有在高溫下才能熔化，它的化學性質與二氧化碳截然不同，二氧化碳在凍結成乾冰之前是氣體。熔融二氧化矽可以鑄造成玻璃，玻璃是一種堅硬而有用的材料，能抵抗除氟、氫氟酸和強鹼以外幾乎所有化學物質的侵蝕。玻璃在家庭容器和飲具中非常有用，因為它耐化學物質、耐熱，並能抵抗微生物的侵蝕。玻璃如果純淨或含有某些化學物質，可以非常透明，或者可以呈現出迷人的顏色，使其成為藝術品的首選材料。一些小型生物將海中的溶解二氧化矽轉化為它們的殼來建立結構。種類繁多的矽化合物被稱為矽樹脂，具有廣泛而多樣的用途。

其他

鍺是另一種用於半導體的元素。在電晶體普及之前，鍺二極體在無線電中被大量使用。

錫被認為是一種“差金屬”。它在標準狀態下有兩種同素異形體：灰錫和白錫。灰錫具有非金屬特性，而白錫是金屬。錫經常被用作合金。“錫罐”實際上是鍍錫的鋼罐，以防止腐蝕。白錫是一種主要由錫組成的銅錫合金。青銅是一種主要由銅組成的銅錫合金。焊料是錫鉛合金，因其熔點低而被用於連線電線。

鉛是一種重金屬，呈灰色。它曾被廣泛使用，但現在已知如果攝入，它會成為神經毒素。運水管以前用鉛製成，但現在用銅或塑膠製成，因為鉛可能會汙染水。鉛化合物，尤其是易溶於水（如醋酸鉛，在羅馬時代曾用作葡萄酒的防腐劑和甜味劑）或胃酸（如以前用於油漆中的氧化鉛）或以氣態或液態形式（如以前用於汽油中的四乙基鉛）和鉛粉都是非常危險的。鉛在食品、油漆和汽車燃料中的使用現在幾乎在世界各地都被禁止。

鉛水晶玻璃中含有氧化鉛，但它與二氧化矽緊密結合，因此不易逸出。鉛筆“芯”實際上不是鉛，而是無害的石墨（實際上是碳）與粘土結合在一起。鉛仍然在汽車電池（其中含有比鉛更危險的硫酸）和核用途（作為比鉛金屬更危險的輻射遮蔽）中發揮作用。

$2{\hbox{PbO}}+{\hbox{PbS}}\to 3{\hbox{Pb}}+{\hbox{SO}}_{2}$	鉛氧化物很容易被還原。
$3{\hbox{Pb}}_{(s)}+8{\hbox{HNO}}_{3(aq)}\to 3{\hbox{Pb}}_{(aq)}^{2+}+6{\hbox{NO}}_{3(aq)}^{-}+2{\hbox{NO}}_{(g)}+4{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}_{(l)}$	鉛不溶於鹽酸或硫酸，但會溶於硝酸，因為硝酸是一種強氧化劑。
${\hbox{PbO}}_{(s)}+2{\hbox{OH}}_{(aq)}^{-}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}_{(l)}\to {\hbox{Pb}}({\hbox{OH}})_{4(aq)}^{2-}$	加入鹼性溶液中，氧化鉛(II)會形成亞鉛酸鹽離子。
${\hbox{Pb}}({\hbox{OH}})_{4(aq)}^{2-}+{\hbox{Cl}}_{2(aq)}\to {\hbox{PbO}}_{2(s)}+2{\hbox{Cl}}_{(aq)}^{-}+2{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}_{(l)}$	亞鉛酸鹽在氯化時會形成氧化鉛(IV)。
${\hbox{PbO}}_{2(s)}+2{\hbox{OH}}_{(aq)}^{-}+2{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}_{(l)}\to {\hbox{Pb}}({\hbox{OH}})_{6(aq)}^{2-}$	將氧化鉛(IV)加入鹼性溶液中會形成鉛酸鹽離子。