化一 碳族元素

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1、第十三章碳族元素碳族元素Carbongroup碳族元素指的是元素周期表ⅣA族的所有元素，包括碳（C）、硅（Si）、锗（Ge）、锡（Sn）、铅（Pb）五种。它们电子排布相似，有4个价电子。碳族元素通性碳、硅是非金属，锗是金属元素，但金属性较弱，锡和铅是更为典型的金属元素。碳族元素的外层电子构型为ns2np2碳族元素表现出一定的周期性，从上到下，元素的金属性增强，非金属性减弱，+4价化合物稳定性降低，+2价化合物稳定性提高，铅（Ⅱ）化合物稳定性高于铅（Ⅳ）。元素成键特征碳的成键特征碳在元素周期表中属第ⅣA族头一名元素，位于非金属性最强的卤素元素和金属性最强的碱金属之间。它

2、的价电子层结构为2s22p2，在化学反应中它既不容易失去电子，也不容易得到电子，难以形成离子键，而是形成特有的共价键，它的最高共价数显然为4。碳原子sp3杂化碳原子sp2杂化碳原子sp杂化-1碳原子sp杂化-2碳原子sp3杂化碳原子的sp3杂化可以生成4个δ键，形成正四面体构型。例如金刚石、甲烷CH4、四氯化碳CCl4、乙烷C2H6等。在甲烷分子中，C原子4个sp3杂化轨道与4个H原子生成4个δ共价键，分子构型为正四面体结构。碳原子sp2杂化碳原子的sp2杂化生成3个δ键，1个∏键，平面三角形构型。例如石墨、COCl2、C2H4、C6H6等。在COCl2分子中，C原子以3个s

3、p2杂化轨道分别与2个Cl原子和1个O原子各生成1个δ共价键外，它的未参加杂化的那个p轨道中的未成对的p电子O原子中的对称性相同的1个p轨道上的p电子生成了一个∏共价键，所以在C和O原子之间是共价双键，分子构型为平面三角形。碳原子sp杂化-1生成2个δ键、2个∏键，直线形构型。例如CO2、HCN、C2H2等。在CO2分子中，C原子以2个sp杂化轨道分别与2个O原子生成2个δ共价键，它的2个未参加杂化的p轨道上的2个p电子分别与2个O原子的对称性相同的2个P轨道上的3个p电子形成2个三中心四电子的大∏键，所以CO2是2个双键。在HCN分子中，C原子分别与H和N原子各生成1个δ共

4、价键外，还与N原子生成了2个正常的∏共价键，所以在HCN分子中是一个单键，1个叁键。碳原子sp杂化-2生成1个δ键，1个∏键，1个配位∏键和1对孤对电子对，直线型构型。例如在CO分子中，C原子与O原子除了生成一个δ共价键和1个正常的∏共价键外，C原子的未参加杂化的1个空的p轨道可以接受来自O原子的一对孤电子对而形成一个配位∏键，所以CO分子中C与O之间是叁键，还有1对孤电子对。碳原子不仅仅可以形成单键、双键和叁键，碳原子之间还可以形成长长的直链、环形链、支链等等。纵横交错，变幻无穷，再配合上氢、氧、硫、磷、和金属原子，就构成了种类繁多的碳化合物。硅的成键特征①以硅氧四面体的形

5、式存在。如石英和硅酸盐矿中。②Si—Si、Si—H、Si—O键的键能分别为197KJ·mol-1，320KJ·mol-1，368KJ·mol-1，除Si—O键外前两者的键能分别小于C—C键和C—H键锡铅的成键特征①以+2氧化态的形式存在于离子化合物中②以+4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氧化态的铅因为惰性电子对效应，具有强的氧化性　　元素在自然界的分布碳在自然界中主要以煤、石油，天然气、动植物等有机物存在，无机物矿藏主要有石灰石CaCO3、大理石CaCO3、白云石CaCO3·MgCO3、菱镁矿MgCO3等。碳元素在地壳中约占0.03%，金刚石、石墨是天

6、然存在的游离单质碳。据估计，生物界和海洋中的含碳总量达8×1016kg。大气中的碳主要以CO₂形式存在，总量达6×1011kg.目前已知的同位素共有十二种，有8C至19C，其中12C和13C属稳定型，其余的均带放射性，当中14C的半衰期长达五千多年，其他的均全不足半小时。在地球的自然界里，12C在所有碳的含量占98.93%，13C则有1.07%。C的原子量取12C、13C两种同位素丰度加权的平均值，一般计算时取12.01。12C是国际单位制中定义摩尔的尺度，以12克碳12中含有的原子数为1摩尔。14C由于具有较长的半衰期，被广泛用来测定古物的年代。碳族元素在分布上差异很大，碳

7、和硅在地壳有广泛的分布；锡、铅也较为常见，锗的含量则十分稀少，属于稀散型稀有金属。碳在地壳以二氧化碳、碳酸盐和有机物的形式存在，硅以二氧化硅和硅酸盐为主，锗、锡、以二氧化物存在，铅以硫化物居多。一、碳及其化合物单质碳的三种同素异性体：金刚石、石墨、球碳。金刚石结构石墨结构球碳金刚石是每个碳原子均以sp3杂化状态与相邻的四个碳原子结合成键，构成原子型晶体。它是一种无色透明的晶状固体，　金刚石的熔点超过3500℃，相当于某些恒星表面温度。石墨是每个碳原子以sp2杂化状态与相邻的三个碳原子结合成键，构成层状原