碳在氧气不足的情况下，生成 CO：
2 C（s）+ O2（g）—— 2 CO（g）（b）
一氧化碳可以与氧气进一步反应，
生成二氧化碳：
2 CO + O2 —— 2 CO2
（c）
焦炭是冶金工业的重要还原剂， 被用来还原金属氧化物矿物以冶炼 金属。如：
ZnO + C —12—00 —K Zn + CO
该反应可看作是反应
每个 C 原子以近似于 sp2 的杂化轨 道与相邻 3 个碳原子相连，未参加杂化 的 p 轨道在 C60 的球面形成大 键。
用纯石墨作电极，在氦气氛围中放 电，令电弧中产生的碳烟沉积在水冷反 应器的内壁上，这种碳烟中存在着数量 可观的 C60、C70 等碳原子簇。
2. 碳单质的还原性 碳单质最重要的性质是它的还原性。 碳在空气中充分燃烧，生成 CO2： C（s）+ O2（g）—— CO2 （g） （a）
CaCO3
有机化合物 动植物体， 煤，石油，天然气
碳在地壳中的质量分数 为 0.048 % 列第 15 位
硅 Si （曾用矽）
以 Si－O－Si 键的化合态存在： 水晶、石英、SiO2 其他硅酸盐矿物
硅在地壳中的质量分数 为 27.7 % 列第 2 位
1823 年，瑞典人贝采里乌斯 （Berz-elius)用金属钾还原四氟化 硅首次制得单质硅。
图中（d），（b）两线交点所对 应的温度为 T1，这时反应：
△rGm /（kJ·mol－1） －200 －400 －600 －800
（a） （b）
（c）
273
1273
T/K
（a） 2 CO（g）+ O2（g）—— 2 CO2（g）
反应的 △rSm 为负，其斜率为正。
△rGm /（kJ·mol－1） －200 －400 －600 －800
（a） （b）
（c）
0，2，4。
从 C → Pb +2 氧化态稳定性增强 +4 氧化态稳定性减弱
ns2 稳定性↑── 惰性电子对效应
14. 1 碳单质及其化合物
14. 1. 1 碳元素的单质
1. 碳的同素异形体 碳主要有三种同素异形体。 金刚石、石墨和碳簇
（1） 金刚石
金刚石 典型的原子晶体， 属于立方晶系。
莫氏硬度为10，是硬度最高的物质。
这些离域电子使得石墨在层向具 良好的导电性。
层间的分子间作用力小，易滑动， 故石墨有润滑性。
木炭和焦炭实际上都具有石墨结构。
（3） 碳原子簇
以 C60 为代表的碳单质的第三种 同素异形体 —— 碳簇，是 20 世纪 80 年代被人们发现的。
C60 分子中的 60 个碳原子构成近似 于球形的三十二面体，即由 12 个正五边 形和 20 个正六边形组成的截角正二十面 体。
273
1273
T/K
（b） C（s） + O2（g）—— CO2 （g）
反应的 △rSm 约等于零，与横轴平行。
2 Zn + O2 —— 2 ZnO
△rGm / （kJ·mol－1）
－200
－400
－600
沸点
熔点
－800
273
1000 T1 T2 1500
（d）
（d） （a）
（b）
（c） T/K
（b） C（s） + O2（g）—— CO2（g）
△rSm ＝
3 J•mol－1•K－1
（c） 2 C（s） + O2（g）—— 2 CO （g）
△rSm ＝ 179 J•mol－1•K－1
根据关系式 △rGm ＝ △rHm － T△rSm
作 △rGm－ T 图。
图中有反应（a），（b）和（c） 的 △rGm－T 线
碳作为还原剂， 涉及如下 三个反应
（a） 2 CO（g） + O2（g）—— 2 CO2（g） （b） C（s） + O2（g）—— CO2 （g） （c） 2 C（s） + O2（g）—— 2 CO （g）
（a） 2 CO（g）+ O2（g）—— 2 CO2（g）
△rSm ＝ －173 J•mol－1•K－1
锗 Ge 锗石矿 Cu（5 Cu，Fe）6AsGeS12 锗在地壳中的质量分数 为 1.5 10－4 %
1886 年，德国人温克勒（Winkler） 发现了锗，并从硫银锗矿中分离出并确 认了这种新元素。
他将锗命名为 “Germanium” 以纪念他的祖国德国（Germany）。
锗正是1869年门捷列夫所预言 的“类硅”元素。
锡 Sn 锡石矿 SnO2 锡在地壳中的质量分数 为 2.2 10－4 %
我国是锡储量最丰富的国家之 一，云南的个旧是举世闻名的锡都。
铅 Pb 方铅矿 PbS 铅在地壳中的质量分数 为 1.4 10－3 %
碳族元素基态原子的价电子层结 构为ns2np2 。
它们的最高氧化数为 +4。 IVA 族元素的主要氧化数包括
金刚石中碳原子 sp3 等性杂化， 每个碳原子与相邻四个碳原子成 共价键。
由于无自由电子，故金刚石不导电。
（2） 石墨 硬度小，熔点极高，层状结构。
石墨具有层状结构，每个碳原子以 sp2 杂化轨道与邻近的 3 个碳原子以共 价单键相联结，构成片层结构。
每个碳原子均有 1 个未参与杂化 的 p 电子，形成大 π 键 nn 。
△rGm / （kJ·mol－1）
（a）
－200
－400
（b）
－600
－800
（c）
273
1273
T/K
△rGm /（kJ·mol－1） －200 －400 －600 －800
（a） （b）
（c）
273
1273
T/K
（c） 2 C（s） + O2（g）—— 2 CO （g） 反应的 △rSm 为正，其斜率为负。
2C（s）+ O2（g）—— 2 CO（g）（b）
2 Zn + O2 —— 2 ZnO
（d）
（b）－ （d）差的一半。
作反应（b）和反应（d）以及反 应（a）和反应（c）的吉布斯自由能 △rGm 随温度 T 变化的曲线：
由公式 △rGm ＝ △rHm － T△rSm
可知 △rGm 对温度 T 作图，图像 是直线，而其斜率是 －△rSm。
第 14 章 碳族元素
碳单质及其化合物 硅单质及其化合物 锗、锡、铅
周期表中 IVA 族包括： C，Si，Ge，Sn，Pb 碳，硅，锗，锡，铅 统称为碳族元素。 C 和 Si 是非金属元素， Ge，Sn刚石
无机化合物
CO2 白云石 MgCa（CO3）2 石灰石、大理石、方解石