p區(qū)第14（4A）族元素　碳族元素（Carbon group elements）

C,Si,Ge,Sn,Pb

6號(hào)元素　C碳

碳是古代已知元素。碳的單質(zhì)有金剛石、石墨、1985年發(fā)現(xiàn)的球碳（又稱富勒烯），以及非結(jié)晶碳，如木炭、煤、活性炭、焦炭等。碳在地殼中含量只占0.027％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），其中99.7％以煤、甲烷和碳酸鹽的形式存在，0.2％在大氣中以CO2和CH4出現(xiàn)，剩余不到0.1％的碳組成有機(jī)化合物。在地球上已發(fā)現(xiàn)和合成得到的化合物種類數(shù)目中，含碳有機(jī)物占90％以上。

碳的同位素　碳有12C、13C和14C三種同位素，其特性和應(yīng)用分述如下：12C是碳的主要成分，占碳總量的98.93％。12C是IUPAC規(guī)定的相對(duì)原子質(zhì)量的物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，以其為基準(zhǔn)，確定原子質(zhì)量單位（英文名稱為atomic mass unit，單位符號(hào)u）：即處于基態(tài)的12C原子質(zhì)量的1/12。1u=1.66055402（10）×10-27kg。例如，碳的相對(duì)原子質(zhì)量為12.0107（8），即碳的原子質(zhì)量為12.0107u，（8）表示該數(shù)據(jù)的最后一位偏差為8。13C的核自旋I=1/2，在核磁共振（NMR）中有響應(yīng)。13C NMR是分析含碳化合物分子結(jié)構(gòu)的重要方法。因13C天然豐度只有1.1％，在分子中相鄰兩個(gè)C均為13C的概率極低，所以不會(huì)出現(xiàn)13C-13C耦合導(dǎo)致的自旋-自旋裂分，故每一組環(huán)境不等同的碳只出現(xiàn)一條明銳的譜線，方便解析分子結(jié)構(gòu)。14C是碳的放射性同位素，半衰期為5730a，在考古學(xué)上用以測(cè)定地質(zhì)中埋藏的生物體的年代。

碳的三類同素異構(gòu)體　晶態(tài)的碳有三類同素異構(gòu)體：金剛石、石墨和球碳。金剛石結(jié)構(gòu)中，碳原子以sp3雜化軌道按四面體取向成鍵而形成晶體。每個(gè)原子都以C—C共價(jià)單鍵和周邊原子結(jié)合，可以說(shuō)一粒金剛石就是一個(gè)大分子。金剛石硬度居所有物質(zhì)之首。石墨結(jié)構(gòu)中，碳原子以sp2雜化軌道按平面三角形和周圍3個(gè)原子結(jié)合，每個(gè)原子剩余一個(gè)軌道和一個(gè)電子相互形成離域鍵，形成平面型分子，因此石墨能導(dǎo)電、具有黑色金屬光澤。層型石墨分子平行地堆積起來(lái)，形成石墨晶體。球碳結(jié)構(gòu)中，碳原子以介于sp2和sp3之間的雜化軌道型式相互結(jié)合形成一個(gè)一個(gè)球形分子，最常見(jiàn)的是以60個(gè)C原子組成足球形狀的分子C60，C60分子堆積在一起，形成棕黑色的粉末狀晶體。

金剛石是最硬的天然物質(zhì)，也是最名貴的寶石。它折射率高（nD=2.4173），對(duì)稱性高，純凈的為無(wú)色透明晶體，若含少量雜質(zhì)會(huì)出現(xiàn)黃、褐、藍(lán)、綠等顏色。經(jīng)過(guò)精細(xì)雕琢，可形成對(duì)稱多面體，在光照下，呈現(xiàn)霓虹色彩，美麗非凡。天然金剛石產(chǎn)量稀少，價(jià)格昂貴。金剛石亦可人工合成。細(xì)粒金剛砂（corundum，emery）是碳化硅的（SiC）的俗名，結(jié)構(gòu)和金剛石相似，硬度高，生產(chǎn)價(jià)格便宜，可作細(xì)粒金剛石的代替品，作研磨和切割材料。

石墨具有層型結(jié)構(gòu)，層內(nèi)碳原子間形成離域π鍵，因而具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，可用以制作電極。包銅箔的石墨焊接電極，廣泛用于鋼鐵的焊接工藝中。鉛筆是用石墨和黏土等混合、加壓制成。寫(xiě)字時(shí)，層型石墨分子受力鋪在紙上（不一定是單層），由于筆跡的色澤和金屬鉛表面的色澤相似因而得名，也就是說(shuō)鉛筆不含鉛。石墨烯（英文名稱為graphene）是近年來(lái)備受關(guān)注的材料，它是單層石墨分子。可以用簡(jiǎn)單的膠帶從石墨中“粘”出來(lái)，也可用高科技手段從石墨中分離，或者選擇合適的含碳化合物，通過(guò)反應(yīng)在襯底上（如硅單晶表面）形成。北京大學(xué)的研究人員以甲烷等碳?xì)浠衔餅樵希刂茥l件，在潔凈的金屬銅表面生長(zhǎng)出面積較大的石墨烯，可用于制作柔性透明電極。

碳納米管可看作是球碳的球體沿一個(gè)方向延伸形成開(kāi)口或閉合的管狀結(jié)構(gòu)分子，或者由石墨層卷曲連接而成。理論計(jì)算表明，碳納米管具有極高的強(qiáng)度和極大的韌性，其強(qiáng)度約為相同粗細(xì)鋼條的100倍，而密度只有鋼的1/6，是又一種待開(kāi)發(fā)的新領(lǐng)域。

無(wú)定形碳包括炭黑、煙炱、活性炭、焦炭、煤等，是制作多種重要工業(yè)產(chǎn)品的必需材料。

有機(jī)化合物，除甲烷及其衍生物外，可看作是含有碳-碳鍵的化合物，根據(jù)碳的單質(zhì)的成鍵規(guī)律和結(jié)構(gòu)型式，可將有機(jī)化合物分成三族，即脂肪族化合物、芳香族化合物和球碳族化合物，各族化合物都具有其通性。

碳是生命世界中最重要的元素，它構(gòu)成有機(jī)物質(zhì)的分子骨架。生命的基礎(chǔ)物質(zhì)如糖、蛋白質(zhì)、脂肪、核酸等都是由碳骨架構(gòu)成的。碳占人體質(zhì)量的19％左右，是排在氧之后，即按質(zhì)量計(jì)占第二位的元素。

14號(hào)元素　Si硅

1823年貝采里烏斯（J.J.Berzelius，瑞典）用金屬鉀還原四氟化硅得到。名稱源于拉丁文“Silex”，意為“燧石”。自然界中硅分布極廣，資源豐富，是地殼中含量?jī)H次于氧的元素，按質(zhì)量計(jì)達(dá)25.7％。主要以二氧化硅和硅酸鹽的形態(tài)存在。主要礦物有石英（SiO2）、長(zhǎng)石和黏土等。中文名稱硅（音歸，gui），是20世紀(jì)50年代由中國(guó)化學(xué)會(huì)定名的。早期根據(jù)英文讀音曾定名為“矽（音夕，xi）”，這一名稱至今仍在港澳臺(tái)地區(qū)應(yīng)用。大陸醫(yī)生對(duì)吸入含硅化合物而發(fā)生的職業(yè)病還常稱“矽肺”（現(xiàn)稱為“硅沉著病”），硅和鐵形成的合金鋼也常稱作“矽鋼”。

硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，常溫下與空氣、水和大多數(shù)酸無(wú)明顯作用，但能與氫氟酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。晶態(tài)硅分為單晶硅和多晶硅，具有半導(dǎo)體性質(zhì)，有金屬光澤，莫氏硬度6.5。無(wú)定形硅為灰黑色粉末。用途：（1）純凈的單晶硅（純度達(dá)8個(gè)9以上）是制作芯片的基礎(chǔ)材料，決定著信息工業(yè)的發(fā)展。（2）以金屬鋁作襯底，在其表面“植上”一層10～25μm的單晶硅層，即成太陽(yáng)能電池中將光能變?yōu)殡娔艿年P(guān)鍵部件，是能源工業(yè)的基礎(chǔ)。（3）石英的化學(xué)成分是SiO2，天然和人工生長(zhǎng)的無(wú)色透明晶體，俗稱水晶，帶顏色和花紋的稱玉燧和瑪瑙，可做飾品、工藝品，天平的刀口，研缽；融化的石英制成石英玻璃，熱膨脹系數(shù)低，耐壓強(qiáng)度大，折射率高，可做精密光學(xué)元件、高壓汞燈、化學(xué)儀器；超純的石英玻璃纖維是光纖通訊的介質(zhì)材料。（4）黏土的主要成分是硅鋁酸鹽，可以燒制陶瓷，用高嶺土生產(chǎn)的瓷器潔白光亮，如同玉石，早年歐洲人稱之為china，后來(lái)演化為中國(guó)的英文名稱China；硅鋁酸鹽可以形成具有分子級(jí)孔道的多孔材料，俗稱分子篩，廣泛應(yīng)用于吸附、分離和催化劑領(lǐng)域。（5）有機(jī)硅材料。利用硅與氧以及烷基結(jié)合的特點(diǎn)，可以控制形成各種硅氧烷，獲得性能優(yōu)良的硅油、硅樹(shù)脂、硅橡膠等，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和日常生活。

生物學(xué)作用　硅是人體的必需元素，主要存在于皮膚、主動(dòng)脈、氣管、肌腱以及骨骼和結(jié)締組織中，參與重要的生命過(guò)程。

32號(hào)元素　Ge鍺

1886年溫克勒（C.A.Winkler，德）分析處理硫銀鍺礦時(shí)得到GeS2，再用氫氣還原后制得鍺。名稱源于英文“Germany”，意為“德國(guó)”，發(fā)現(xiàn)者以此紀(jì)念他的祖國(guó)。鍺就是門捷列夫曾預(yù)言過(guò)的“類硅”。鍺是分散元素，常與Ag、Pb、Sn、Sb在硫化物中共生，存在于煤、鐵礦和某些銀礦、銅礦中。礦物有硫鍺鐵銅礦（Cu6Fe2GeS8）、硫鍺銀礦（Ag8 GeS6）和硫鐵銅礦［Cu3（Fe,Ge）S4］等。

鍺是銀灰色金屬。晶態(tài)鍺質(zhì)脆，加工性能似玻璃，有明顯的非金屬性質(zhì)。細(xì)的鍺粉能在氯或溴中燃燒。鍺是優(yōu)良半導(dǎo)體。高純度的單晶鍺可制造晶體管，摻入雜質(zhì)元素（As、Ga、Sb）后的鍺用于制作鍺芯片，此舉被認(rèn)為是電子器件微型化的革命性舉措。當(dāng)前鍺的主要應(yīng)用是制作通信網(wǎng)絡(luò)的光纖。另外，SiGe微芯片在無(wú)線電通信中已取代了GaAs芯片。

生物學(xué)作用　鍺是人體非必需但有用的微量元素。有一定的非特異免疫增強(qiáng)作用。在人參、靈芝、枸杞等藥材中含量較高。有機(jī)鍺具有生理活性、藥理作用，但用量需要控制，很多有毒副作用。

50號(hào)元素　Sn錫

早在公元前約2100年，埃及、中國(guó)和希臘等地古人用木炭還原錫石（SnO2）制得錫。將錫和銅制成青銅合金，開(kāi)啟了人類的青銅時(shí)期。英文名稱“tin”源于意大利古國(guó)Etruscan的一個(gè)神的名字Tinia，元素符號(hào)Sn源于拉丁文Stannum。

金屬錫化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易和水、空氣及有機(jī)酸作用，外觀保持銀白色光澤，可制作錫壺等日用器皿，供盛酒等使用。鐵皮表面鍍錫形成鍍錫鐵，有抗銹蝕功能，可用來(lái)做罐頭盒。由于此材料20世紀(jì)50年代前內(nèi)地多由澳門（Macao）進(jìn)口，所以按音譯稱為“馬口鐵”；也有另外的說(shuō)法，因此材料被用于制作煤油燈燈頭，形似“馬口”而得名；如今這一名稱已被廢止。金屬錫質(zhì)軟而富延展性，可制成很薄的錫箔，用以包裝糖果、香煙等。錫可以和多種金屬形成合金，如銅70％、錫20％和鉛10％的合金耐沖擊、耐腐蝕、耐高溫，用以制造軸瓦；錫鋯合金可用作核反應(yīng)燃料棒的包裝外殼；錫鎵合金高溫下易熔化，用于消防自動(dòng)報(bào)警裝置；錫鉛合金用作焊錫等。銅錫合金稱為青銅，十分堅(jiān)硬，改變了純銅和純錫較軟的性質(zhì)。我國(guó)夏商周時(shí)代廣泛使用青銅，史稱青銅時(shí)代。

錫是人體必需的微量元素。錫化合物具有抗腫瘤活性，能促進(jìn)蛋白質(zhì)及核酸的合成并維護(hù)其三維空間結(jié)構(gòu)。金屬錫無(wú)毒，大多數(shù)無(wú)機(jī)錫化合物屬于低毒或微毒類，但有機(jī)錫化合物多數(shù)有毒。

錫疫的故事　常溫常壓下錫的存在形式為白錫，密度為7.28g/cm3。當(dāng)溫度低于-13℃，變成密度低的灰錫（5.77g/cm3），該相變發(fā)生時(shí)伴隨體積膨脹，產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，使一塊潔白明亮的金屬變成灰色粉末狀疏松物質(zhì)，這種轉(zhuǎn)變稱為“錫疫”。歷史上記載了兩件和錫疫有關(guān)的大事：1812年，拿破侖率領(lǐng)60萬(wàn)大軍遠(yuǎn)征俄國(guó)，士兵御寒的大衣紐扣由錫制成，在凜冽的寒風(fēng)中，錫制紐扣碎裂，士兵受冷挨凍，大大降低了戰(zhàn)斗力，最后拿破侖失敗退回法國(guó)。另一件事發(fā)生在1912年，當(dāng)時(shí)英國(guó)探險(xiǎn)家斯克特（R.F.Scott）帶領(lǐng)一隊(duì)人馬赴南極探險(xiǎn)，他們攜帶煤油的油桶由焊錫焊制而成。在南極的低溫條件下，焊錫發(fā)生錫疫而碎裂，桶內(nèi)煤油漏光。失去了賴以取暖做飯的燃料，他們不幸被凍死在南極。

82號(hào)元素　Pb鉛

古代已知元素。拉丁文稱鉛為“Plumbum”，其符號(hào)“Pb”即源于此。礦物有方鉛礦（PbS）和白鉛礦（PbCO3）等。鉛礦中常雜有其他金屬元素，如銀、鋅、銅、鉈和銦等。

鉛是銀白色重金屬，質(zhì)柔軟，延性差、展性強(qiáng)，抗張強(qiáng)度小。鉛主要用于電纜、蓄電池、硫酸工業(yè)、制四乙基鉛、焊錫、彈藥、顏料以及防護(hù)X射線和γ射線的屏蔽材料。世界上生產(chǎn)的鉛，一半以上用于制造鉛蓄電池，由于廉價(jià)且性能穩(wěn)定，大量用作汽車等動(dòng)力車的蓄電池。

鉛及其化合物均有毒。鉛是蓄積性毒物，痕量水平的鉛對(duì)人就有毒。鉛主要損害造血系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和腎臟，對(duì)心血管系統(tǒng)、生殖功能也有損害，也可能致癌、致畸、致突變。含鉛汽油產(chǎn)生的汽車尾氣是鉛中毒的禍?zhǔn)祝F(xiàn)已被禁用。我國(guó)王選等發(fā)明的激光照排取代了鉛字印刷，為防止鉛污染做出了重大貢獻(xiàn)。