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碳族元素

碳族元素是指元素週期表第14族（ⅣA族）的元素，位於硼族元素和氮族元素之間。碳族元素包含碳（C）、矽（Si）、鍺（Ge）、錫（Sn）、鉛（Pb）、鈇（Fl），其中碳為典型的非金屬元素，矽和鍺為類金屬，其餘元素則為貧金屬。此外鈇為人造元素，具極高放射性。它們位於p區。

14族元素在週期表中的位置
氫（非金屬） 氦（惰性氣體）
鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（惰性氣體）
鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（惰性氣體）
鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（惰性氣體）
銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鎝（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（惰性氣體）
銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鎦（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砈（類金屬） 氡（惰性氣體）
鍅（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 錼（錒系元素） 鈽（錒系元素） 鋂（錒系元素） 鋦（錒系元素） 鉳（錒系元素） 鉲（錒系元素） 鑀（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為惰性氣體）
硼族 ←    → 氮族
IUPAC族編號 14
以元素命名 碳族元素
CAS族編號
（美國，pattern A-B-A）
 IVA
舊IUPAC族編號
（歐洲，pattern A-B）
 IVB
↓ 週期
2
Image: 碳
碳 (C)
6 非金屬
3
Image: 矽
矽 (Si)
14 類金屬
4
Image: 鍺
鍺 (Ge)
32 類金屬
5
Image: 錫
錫 (Sn)
50 貧金屬
6
Image: 鉛
鉛 (Pb)
82 貧金屬
7 鈇 (Fl)
114 貧金屬
圖例
原始核素（英語：primordial element）
放射性元素
原子序顏色：

固體、液體、氣體

根據現在的IUPAC族編號，碳族元素是14族。在半導體物理學也稱IV族。碳族元素也稱為tetrel（來自希臘文tetra，意指四），源自組名的羅馬數字IV，或者（並非巧合地）源自這些元素有四粒價電子的事實（請參見下文）。它們也可稱為晶素（crystallogen，來自英文字根crystallo-，意指晶體，-gens，意指素）[1]或剛素（adamantogen，來自希臘文ἀδάμαντος（adamantos），意指不可征服、不可馴服，即精金等極堅硬物，-gens，意指素）。[2]

本族元素在化合物中一般可以呈現+4，+2等化合價，它們的原子最外層都有4粒電子，離子的最高正價都是+4價。

性質

物理性質

元素
名稱 

元素
符號

原子半徑
（nm）

主要化合價

狀態
（標況）

單質密度
（克/立方厘米）

單質熔點
（℃）

單質沸點
（℃）

碳 C 0.077 -4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4 固體 3.51（金剛石）
2.25（石墨）		 3550 4827
矽 Si 0.117 0，+2，+4 固體 2.33 1410 2355
鍺 Ge 0.122 0，+2，+4 固體 5.35 937.4 2830
錫 Sn 0.141 0，+2，+4 固體 7.28 231.9 2260
鉛 Pb 0.175 0，+2，+4 固體 11.34 327.5 1740
鈇 Fl 0.160（推測）[3] 0，+2，+4（推測）[3] 液體[4]或氣體[5]（推測） 14（液態，推測）[6] 11±50（推測）[4] 不詳

碳族元素的沸點隨着族往下而越來越低。碳，最輕的碳族元素，升華於3825 °C。矽的沸點是3265 °C，鍺的沸點是2833 °C，錫的沸點是2602 °C，而鉛的是1749 °C。它們的熔點也有和沸點類似的趨勢。矽在1414 °C融化，鍺則在939 °C，錫的熔點為232 °C，而鉛在328 °C融化。[7]

碳族元素的密度隨着原子量增加而增加。碳的密度為2.26g/cm3，矽的密度為2.33g/cm3，鍺的密度為5.32 g/cm3，錫的密度為7.26 g/cm3，而鉛的密度為11.3 g/cm3。[7]

碳族元素的原子半徑也隨着原子量增加而增加。 碳的原子半徑是77皮米，矽的為118皮米，鍺的則為123皮米，錫的原子半徑是141皮米，而鉛的為175皮米。[7]

碳的晶體結構是六方晶系，在高溫和高壓下形成金剛石。矽和鍺的晶體結構亦為鑽石結構。錫在低溫下（13.2 °C以下）是鑽石結構，室溫下則是四方晶系。鉛的晶體結構是立方晶系。[7]

同素異形體

主條目：碳的同素異形體

碳有很多的同素異形體。 最常見的是石墨，由碳以層狀結構排列而成。 另外一種碳的同素異形體是鑽石，不過它相對罕見。 無定形碳 是碳的第三種同素異形體，存在於煤煙中。 碳還有一種叫做富勒烯的同素異形體，由很多碳原子折成球體而成。第五種碳同素異形體於2003年被發現，它就是石墨烯，由一層碳原子以類似蜂窩的六邊形結構排列。[8][9][10]

矽在常溫下有兩種同素異形體。 它們分別是無定形矽和晶體矽。無定形矽是一種棕色粉末。 晶體矽則是灰色的，具有金屬光澤。[11]

錫有兩種同素異形體，α-錫（又稱灰錫）和 β-錫。 錫在常溫下是 β-錫，一種銀色金屬。 不過，標準壓力下， β-錫會轉變成 α-錫，一種灰色粉末，在13.2攝氏度／56華氏度以下時。 這使得寒冷下的錫會變成灰色粉末，也就是錫疫 。[8][12]

化學性質

和其它族一樣，碳族元素也有有規律的電子排布，尤其是在價電子層，因此使它們化學行為的趨勢：

Z 元素 電子排布
6 碳 2、4
14 矽 2、8、4
32 鍺 2、8、18、4
50 錫 2、8、18、18、4
82 鉛 2、8、18、32、18、4
114 鈇 2、8、18、32、32、18、4 （預測）

所有的碳族元素都有4顆價電子。此外，基態、電中性的碳族元素原子都有s2 p2的最外層電子排布。這些元素，尤其是碳和矽，有形成共價鍵的強烈趨勢來達到八粒電子。這些元素中的鍵通常含有軌道雜化，其中沒有明顯的s和p軌道。對於 單鍵，一般的結構是四對sp3電子，儘管其它結構也存在，像是三對sp2電子，存在於石墨烯和石墨。雙鍵是碳的特徵（乙烯， CO
2...），其中的π系統通常也一樣。隨着原子的尺寸增加，失去電子的趨勢也隨之增加，正如原子序數的增加一樣。碳可以形成陰離子，也就是碳化物（C4−）陰離子。矽和鍺都是類金屬，可以形成 +4離子。錫和鉛都是金屬，都可以形成 +2離子。儘管錫在化學上是一種金屬，但α-錫比起金屬，更像鍺，且是一種差的電導體。而鈇是一種人造的放射性元素，半衰期很短，只有1.9秒，儘管它很可能仍是一種貧金屬，但它卻反常地有着一些惰性氣體的特性。

碳可以跟濃硫酸、硝酸反應，被氧化成二氧化碳。不與鹽酸作用。

矽與氫氟酸反應。矽在銅催化劑下與鹽酸反應。[13]

鍺不和稀鹽酸、稀硫酸反應，但能被濃硫酸、濃硝酸氧化。

錫和稀鹽酸、稀硫酸反應，生成低價錫（Ⅱ）的化合物；跟濃H2SO4、濃HNO3反應生成高價錫（Ⅳ）的化合物。

鉛跟鹽酸、硫酸、硝酸都能反應被氧化成亞鉛離子。

碳族元素中跟鹼溶液反應的有矽和錫，它們既表現出金屬性又表現出非金屬性。碳族元素在加熱時都能跟氧反應，被氧化成二氧化碳、二氧化矽和氧化亞鉛等。碳族元素跟硫、氯共熱生成相應的高價氯化物和硫化物，鉛則生成鉛（Ⅱ）化合物。碳、矽跟金屬共熱生成碳化物和矽化物，錫、鉛與金屬形成合金。碳族元素都不能直接與氫化合，其氫化物是間接製得的。

化合物

碳可和氫等元素形成極多種有機化合物。碳亦可以所有鹵素反應形成四鹵化物。碳可形成多種氧化物如：一氧化碳、二氧化三碳（C3O2）和二氧化碳。碳也會形成二硫化物和二硒化物。[14]

矽可形成兩種氫化物：甲矽烷（SiH4）和乙矽烷（Si2H6）。矽和氟、氯、溴和碘形成四鹵化物。矽也形成二氧化矽和二硫化矽。[15]

鍺可形成兩種氫化物：甲鍺烷（GeH4）和乙鍺烷（Ge2H6）。鍺和除了砈之外的所有鹵素形成四鹵化物和二鹵化物。鍺和除了釙之外的所有氧族元素形成二氧化物、二硫化物、二硒化物。[16]

錫可形成兩種氫化物：甲錫烷（SnH4）和乙錫烷（Sn2H6）。錫和除了砈之外的所有鹵素形成四鹵化物和二鹵化物。[17]

鉛可形成一種氫化物，即鉛烷（PbH4）。鉛和氟、氯形成四鹵化物及二鹵化物，也可形成四溴化鉛和二碘化鉛，但不穩定。鉛形成四種氧化物、一種硫化物、一種硒化物、及一種碲化物。[18]

目前沒有已知的鈇化合物。[19]理論上鈇的化學特性應與鉛相近，能形成FlO、FlF2、FlCl2、FlBr2和FlI2。如果其高價態（Ⅳ）能夠進行化學反應，它將只能形成FlO2和FlF4。它也有可能形成混合氧化物Fl3O4，類似於Pb3O4。而一些研究指出鈇的化學特性可能和惰性氣體氡更接近。[20]

左方一族： 碳族元素
第14族 		右方一族：
硼族元素 氮族元素

參考文獻

  1. ^ Liu, Ning; Lu, Na; Su, Yan; Wang, Pu; Quan, Xie. Fabrication of g-C3N4/Ti3C2 composite and its visible-light photocatalytic capability for ciprofloxacin degradation. Separation and Purification Technology. 2019, 211: 782–789 [17 August 2019]. doi:10.1016/j.seppur.2018.10.027. 
  2. ^ W. B. Jensen, The Periodic Law and Table （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
  3. ^ 3.0 3.1 Haire, Richard G. Transactinides and the future elements. Morss; Edelstein, Norman M.; Fuger, Jean (編). The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements 3rd. Dordrecht, The Netherlands: Springer Science+Business Media. 2006. ISBN 1-4020-3555-1. 
  4. ^ 4.0 4.1 Florez, Edison; Smits, Odile R.; Mewes, Jan-Michael; Jerabek, Paul; Schwerdtfeger, Peter. From the gas phase to the solid state: The chemical bonding in the superheavy element flerovium. The Journal of Chemical Physics. 2022, 157. doi:10.1063/5.0097642. 
  5. ^ Seaborg, G. T. Transuranium element. Encyclopædia Britannica. [2010-03-16]. （原始內容存檔於2010-11-30）. 
  6. ^ Fricke, Burkhard. Superheavy elements: a prediction of their chemical and physical properties. Recent Impact of Physics on Inorganic Chemistry. Structure and Bonding. 1975, 21: 89–144 [4 October 2013]. ISBN 978-3-540-07109-9. doi:10.1007/BFb0116498. （原始內容存檔於2013-10-04）. 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 7.3 Jackson, Mark, Periodic Table Advanced, 2001 
  8. ^ 8.0 8.1 Gray, Theodore, The Elements, 2011 
  9. ^ Graphene, [January 2013], （原始內容存檔於2015-10-31） 
  10. ^ Carbon:Allotropes, [January 2013], （原始內容存檔於2013-01-17） 
  11. ^ Gagnon, Steve, The Element Silicon, [January 20, 2013], （原始內容存檔於2012-03-09） 
  12. ^ Kean, Sam, The Disappearing Spoon, 2011 
  13. ^ 存档副本. [2020-03-21]. （原始內容存檔於2020-03-21）. 
  14. ^ Carbon compounds, [2013-01-24], （原始內容存檔於2014-10-12） 
  15. ^ Silicon compounds, [2013-01-24], （原始內容存檔於2013-01-17） 
  16. ^ Germanium compounds, [2013-01-24], （原始內容存檔於2013-01-17） 
  17. ^ Tin compounds, [2013-01-24], （原始內容存檔於2013-01-25） 
  18. ^ Lead compounds, [2013-01-24], （原始內容存檔於2013-01-17） 
  19. ^ Flerovium compounds, [2013-01-24], （原始內容存檔於2013-01-22） 
  20. ^ Gas Phase Chemistry of Superheavy Elements 互聯網檔案館的存檔，存檔日期2012-02-20., lecture by Heinz W. Gäggeler, Nov. 2007. Last accessed on Dec. 12, 2008.
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