碳族元素13.1 碳族元素通性周期表中第ⅣA族包括碳（C）、硅（Si）、锗（Ge）、锡（Sn）、铅（Pb）五种元素，统称碳族元素。

其中碳（C）、硅（Si）是非金属元素，锗（Ge）、锡（Sn）、铅（Pb）是金属元素。

本族元素基态原子的价电子层结构是ns2np2，主要氧化数+4和+2。

碳原子的价电子层结构是2s22p2，在化合物中一般多显+4，也可显+4到-4之间的任意氧化数。

在化合物中，C能以sp、sp2、sp3杂化轨道相互结合或与其他原子结合。

C-C、C-H、C-O键的键能大，稳定性高，奠定了含碳有机物结构复杂、数量庞大的基础。

硅原子的价电子层结构是3s23p2，化合物中一般显+4价。

Si-Si键不稳定，但硅氧键很稳定，所以硅的化合物中硅氧键占很大比例。

锗（Ge）、锡（Sn）、铅（Pb）中，随着原子序数的增大，稳定氧化态逐渐由+4变为+2，这是由于ns2电子对随n的增大逐渐稳定的结果。

锡一般以+2价的形式存在于离子化合物中。

铅则以+4价氧化态的形式存在于共价化合物和少数离子型化合物中。

+4价的铅由于惰性电子对效应，具有很强的氧化性。

碳主要以煤、石油、天然气等有机物存在。

硅主要以硅酸盐的形式存在于土壤和泥沙中，自然界也存在石英矿。

碳、硅在地壳中的丰度分别为0.023%，25.90%，碳是组成生物界的主要元素，硅是组成地球矿物界的主要元素。

硅在地壳中的含量仅次于氧，分布很广。

硅有很强的亲氧性，自然界中基本不存在游离态的硅，一般以硅的含氧化合物，如SiO2、硅酸盐等形式存在。

锗、锡、铅主要以硫化物和氧化物的形式存在。

．13.2 碳及其化合物单质碳有三种同素异形体金刚石、石墨、和球碳。

金刚石：具有四面体结构。

每个碳以sp杂化，与相邻四个3金刚石晶体中碳碳键很碳原子结合成键，是典型原子晶体。

没有自由电子金刚所有价电子都参与了共价键的形成，强，主要用而且不导电。

石硬度最大，在所有单质中熔点最高，它还用于制作首饰等高档装于制造钻探用钻头和磨削工具，饰品。

σ3个碳原子形成杂化轨道与相邻的的石墨：具有层状结构。

层内每个碳原子都是以sp2轨道相互平行重叠，形p轨道，在同层中与相邻碳原子的1个p单键。

每个碳原子均余下m 键中的电子可以在同一大)(πmmσ1成个垂直于键所在平面的中心电子的离域键。

πm平面层中“流动”，所以石墨具有良好的导电性和导热性。

石墨的层与层之间的距离较大．（335 pm），结合力相当于范德华力，易于滑动、故石墨质软且具有润滑性。

石墨在工业上用途广泛，可以用它制电极和高温热电偶、坩埚、冷凝器等化工设备、润滑剂、颜料、火箭发动机喷嘴和宇宙飞船及导弹的某些铅笔芯、在核反应堆中作中子减速剂及防射线材料部件等。

等。

石墨和金刚石的大量工业用品是人工制造的。

左右3273 K人造石墨可用石油，焦炭，加煤焦油或沥青，成型烘干后在真空电炉中加热到1500~2000KkPa和10~6×10制得。

工业上一般以Ni-C-Fe合金等为催化剂，在1.52×66r下，将石墨转变为金刚石。

是一大类由碳原子组成的呈现封闭的多面体形的圆球形或椭球形结构的碳单质的总:球碳个碳原子相互联结的一种近似圆球的分子，又是由60CC和C等。

、称。

主要有C60708460年后相继1985被称为“富勒烯”或“巴基球”。

C和60…等碳原子组成的分子一样，是、、CC 发现的C18024120碳单质的新的存在形式个碳原子相连，形成C分子中每个碳原子与周围360碳原子杂个六元环和一个五元环。

23个σ键并参与组成（金刚石）之间，分子中有一个spπ。

sp 化轨道介于（石墨）和603260等碳原子簇的发现，对物理学、电子学、材料学、生物学、医药科学等领域产生了C60广泛的影响，且在理论研究和应用方面显示出了广阔的前景。

碳的氧化物,）C3O2）和次氧化碳（CO2、二氧化碳（）CO碳可以形成三种氧化物：一氧化碳（．前两种氧化物比较重要。

1一氧化碳CO与N、CN、NO等是等电子体，结构相似，分子中也有三重键即一个σ键与两个+-2分子不同的是：其中一个π键是配键，其电子来源于氧原子。

这个配键在一定N键。

但与π2程度上抵消了因碳氧间电负性差所造成的极性，而且碳原子略显负电，比较容易向其他有空轨道的原子提供电子对. CO的分子轨道式CO: 碳在空气中不充分的燃烧，或用酸脱水可以得到2CO+O2=2COH2SO4)=H2O+COHCOOH(浓CO是无色无味的气体，不与水作用，有剧毒。

有强还原性，在加热下，它同硫反应生成硫氧化碳，同氯气反应（光或铂催化）生成二CO 能还原许多金属氧化物，例如：CO氧化碳或光气。

在高温下CuO+CO=CO2+CuFe2O3+3CO=3CO2+2Fe在常温下也能还原溶液中的金属化合CO这种还原作用在冶金工业中起着很重要的作用。

物，例如它同溶液中的氯化钯反应，CO+PdCl2+H2O=CO2+Pd+2HCl的存在。

产生的金属钯成为黑色的微细分散的沉淀物析出，可以利用这个反应检查CO 2 二氧化碳，0.03%空气中二氧化碳的体积分数是是无色无味的气体，无毒，大量吸入可令人窒息。

CO2℃时可冷凝为雪花状、-56.65.2atm4%人呼出的气体中二氧化碳的体积分数约为。

CO2在。

dm-3·0.03~0.04mol溶液的浓度为CO2常温下饱和可溶于水，CO2称为干冰。

的固体，。

π键）在CO分子中，碳原子与氧原子生成四个键，两个σ键和两个大π键（即离域2轨道肩并肩地发生重轨道同氧原子的pCO为直线型分子。

碳原子上两个未杂化成键的p2（键长）处于双键C=O叠，由于π电子的高离域性，使CO中的碳氧键（键长=116pm 2（键长=110pm）之间。

CO没有极性。

=122pm）和叁键C≡O2OCO在的溶解，因为生成了碳酸盐：CO2溶液中加碱有利于CO2H2CO3(g)+2NaOH()=Na2CO(3aq)+2H2O(l)+H2O(l)）3（aqCO2(g)+2OH–(aq)=CO2 颗粒作为CO2的吸收剂。

NaOH因此常用的浓溶液或固态NaOH CO2不助燃，可用于灭火，但不能扑灭燃着的镁，因为它可与镁反应：CO2+2Mg=2MgO+CCO2通入石灰水中生成白色沉淀：+H2O ↓CO2+Ca(OH)2=CaCO3CO2此反应可鉴定。

CO2主要来源于碳酸盐的分解。

实验室可用碳酸钙与盐酸反应来制备少量CO2。

工业碳酸及其盐碳酸CO大部分H溶解的CO在水中的溶解度不大。

CO很少一部分与HO反应而生成CO，222223以水合状态存在.。

很不稳定，它是二元酸。

HCO32K 10 H H 第一级电离：CO ==== +HCO =2.4×-4+-1233K+CO HCO 第二级电离：==== H ×= 4.6910-11-2-+2 33．碳酸盐CO的结构）HCO 与（12--33它的σ键，杂化轨道与三个氧原子的p轨道形成在碳酸根与碳酸根离子中，碳原子均以sp2 键，离子为平面三角形结构。

π轨道与氧原子的p轨道形成另一个p）碳酸盐的性质：（2 溶解性：所有碳酸氢盐都溶于水。

正盐中只有铵盐和碱金属盐溶于水。

离子在HCO若正盐易溶，则相应的酸式盐在水中的溶解度比正盐的溶解度小，这同3-3它们的晶体中通过氢键结合成链有关。

若正盐难溶，则酸式盐的溶解度比正盐的溶解度大。

自然界有许多碳酸盐矿石，大理石、石灰石、方解石以及珍珠、珊瑚、贝壳等的主要成和水的长期侵COMgCO。

地表层的碳酸盐矿石在分都是CaCO。

白云石、菱镁矿含有233 )而溶解。

所以天然水中蚀下可以部分地转变为Ca(HCO23O + COCaCO+ HCa(HCO) 223 32Ca(HCO)，它经过长期的自然分解、受热及CO分压的降低，又析出CaCO。

这是3322自然界中钟乳石和石笋的成因，也是暂时硬水(含HCO及Ca和Mg)软化的原理。

2+2+-3水解性：?碳酸盐和碳酸氢盐都能水解。

在金属盐类（碱金属和NH 盐除外）的水溶液中加入可4溶性碳酸盐，产物可能是碳酸盐、碱式碳酸盐或氢氧化物。

．如果金属离子不水解，如Ca、Ba将得到碳酸盐。

2+2+如果金属离子的水解性极强，其氢氧化物的溶度积又小，如Al、Cr和Fe等，将3+3+3+得到氢氧化物。

2 Cr +3 CO + 3 HO = 2 Cr(OH)↓+ 3 CO↑2-3+2233有些金属离子如Cu、Zn、Pb和Mg等，其氢氧化物和碳酸盐的溶解度相差不2+2+2+2+多，则可能得到碱式盐。

2 Cu+ 2 CO+ HO＝Cu(OH)CO↓+ CO↑2- 2+ 232223热稳定性：碳酸盐受热分解的难易程度与阳离子的极化作用有关。

2?2?CO不稳定以致于分解。

阳离子对CO离子产生反极化作用，使33阳离子的极化作用越大，碳酸盐就越不稳定。

一般来说，酸式碳酸盐的热稳定性均比相应的正盐稳定性差。

因为氢离子虽只带一个正电荷，但半径极小，电荷密度极大，反极化作用特别大。

13.3 硅及其化合物单质单质硅有无定型与晶体两种，晶体硅结构与金刚石相同，属原子晶体，熔沸点较高，硬而脆，呈灰色，有金属光泽。

单质硅加热条件下能同单质如卤素、氮、碳等非金属作用，也能同某些金属如镁、钙、铁、铂等作用生成硅化物。

它不溶于一般的无机酸中，但能溶解在碱溶液中，并放出氢气。

Si(s)+2NaOH(aq)=NaSiO3(aq)+2H2(g)在炽热温度下，硅能同水蒸气发生作用Si(s)+2H2O(g)=SiO2(s)+2H2(g)以上反应都反映了硅同氧有很强的亲和力。

硅在空气中燃烧能直接生成二氧化硅并放出大量热。

二氧化硅二氧化硅是无色晶体，硅和氧原子以SiO4四面体的形式相互连接，属原子型晶体因此性质和二氧化碳的差异很大。

二氧化硅的熔沸点分别为（1713+_5）℃、2950℃，难溶于普通酸，但能溶于热碱和HF溶液中：SiO + 2NaOH == NaSiO + HO 2223SiO2 + 6HF ==HSiF + 2HO226因此，玻璃容器不能盛放浓碱溶液和氢氟酸。

硅酸及其盐1、硅酸和硅凝胶简单的硅酸是正硅酸H4SiO4〔Si(OH)4〕。

在室温下将细的无定形的二氧化硅放在水中不断搅动至平衡，可以得到一种含0.01% Si(OH)4的稀溶液：SiO2+2H2O= Si(OH)4用冷的稀酸同可溶的正硅酸盐作用，可以得到较浓(过饱和的)的正硅酸盐溶液：SiO4+4H= Si(OH)4+4-四氯化硅水解也可以得到正硅酸的水溶液。

硅酸是一种弱酸（K1=3.0X10，K2=2X10),-12-10它的盐在水溶液中有显著地水解作用。

正硅酸在Ph=2~3的范围内是稳定的，不过若将饱溶液长期放置，有时会生成无定形的二氧化硅沉淀相。

这种二氧化硅可以呈Si(OH)4和的．现为胶态粒子、沉淀物或凝胶。