碳族元素单质的还原性和氧化性

一、碳族元素的种类、位置和结构特点

C族元素包括C、Si、Ge、Sn、Pb 5种元素，在元素周期表中处于ⅣA族，最外层有4个电子。

（1）Si、Ge是半导体；Sn、Pb是导体；C单质中的石墨导电，金刚石不导电。

（2）注意Sn、Se的写法，不要混淆。

二、半导体

常见的半导体单质材料有Si、Ge、Se、Ga 4种，常见的半导体化合物较多，如砷化镓等。

科学上，半导体材料通常在周期表中的金属和非金属分界线附近寻找。在已发现的半导体材料中有：Si、Ge和Se，以及某些合成材料。半导体材料为什么在元素周期表中的金属和非金属分界线附近出现，这与分界线附近元素原子的结构有着密切的关系。详细的理论有待同学们进一步学习和研究。

三、石墨晶体的导电性

物质的结构决定物质的性质，欲认识物质的性质，须先了解物质的结构。

图7－1

研究表明，石墨晶体为片层结构。片层内部，C原子相互以共价键连接成牢固的正六边形。片层之间，以微弱的范德华力相联系。

由于片层内部，每个C原子只提供3个电子形成了3个共价键，因而每个C原子还有1个未成键电子，这些个未成键电子在外加电压的作用下可以定向移动，所以石墨晶体能够导电。

四、C族元素性质的递变规律

随C、Si、Ge、Sn、Pb原子序数的递增：

（1）原子半径逐渐增大；

（2）单质密度逐渐增大（金刚石除外）；

（3）单质的熔点逐渐降低；

①石墨的熔点高于金刚石；

②锡反常：熔点低于铅；

（4）金属单质的沸点逐渐降低，非金属单质的沸点也逐渐降低；

（5）非金属性越来越弱，金属性越来越强；

（6）C、Si与H2结合能力依次减弱，其氢化物的稳定性依次降低；

（7）最高价氧化物对应水化物的酸性逐渐减弱、碱性逐渐增强。

①H2CO3能使紫色石蕊试液变浅红色，H2SiO3（或H4SiO4）不能。

②H2CO3能溶于水，H2SiO3（或H4SiO4）不溶。

（8）碳族元素的化合价主要有＋4和＋2，碳、硅、锗、锡的＋4价化合物是稳定的，而铅的＋2价化合物是稳定的。

五、碳族单质熔、沸点的递变规律

C、Si、Ge、Sn、Pb 5种元素中，C、Si是非金属元素，其单质熔沸点递变规律与卤素相同（规律相同、原理不同）；Ge、Sn、Pb是金属元素，其单质熔沸点递变规律与碱金属相同。

C、Si、Ge、Sn、Pb中，C、Si形成的是原子晶体，由于C—C键比Si—Si键短，即键能大，因而克服它耗费的能量就多，故其熔点较高。Ge、Sn、Pb形成的是金属晶体，它们的价电子数相同，但离子半径依次增大，即键长依次增大，键能依次减小，故熔点逐渐降低。由于Si晶体的熔点比Ge晶体高，所以C、Si、Ge、Sn、Pb熔、沸点逐渐降低（熔点Sn反常）。

六、金刚石、石墨熔点的比较

金刚石的熔点是3550℃，石墨的熔点是3652℃～3697℃（升华）。石墨熔点高于金刚石。从片层内部来看，石墨是原子晶体；从片层之间来看，石墨是分子晶体；而金刚石是原子晶体。石墨晶体的熔点反而高于金刚石，似乎不可思议，但石墨晶体片层内共价键的键长是1.42×10－10m，金刚石晶体内共价键的键长是1.55×10－10m。同为共价键，键长越小，键越牢固，破坏它也就越难，也就需要提供更多的能量，故而熔点应该更高。

七、C族元素的反常规律

在碳族元素的递变规律中有三个反常现象，它们分别是：

（1）C、Si、Ge、Sn的＋4价是稳定的，Pb的＋2价是稳定的。

根据递变规律，C、Si、Ge、Sn、Pb还原性逐渐增强，因而理论上Pb的＋4价是比C、Si、Ge、Sn的＋4价化合物稳定的，而事实上正好相反：Pb的＋4价是极不稳定的，＋4价的Pb具有很强的氧化性。

（2）金属活动顺序表中，Sn排在Pb的前面。

根据递变规律可知，Pb的活泼性比Sn要强，而事实上，在金属活动顺序表中，Sn却排在Pb的前面。

（3）Sn的熔点比Pb低。

根据递变规律，熔点Sn比Pb高，而事实上却是Sn比Pb低。

八、C60

（1）C60、金刚石和石墨都是C元素的同素异形体。

（2）C60是60个C原子形成的1个分子，其式量为720。C60间形成分子晶体，熔沸点较低。

（3）与C60相似，C70、C84、C240等相继被发现，它们也是C元素的同素异形体。

九、PbO2、MnO2与浓盐酸（aq）的反应比较

通常Pb有两种化合价：＋2价和＋4价；＋4价Pb因氧化性太强而不稳定，易变为＋2价。PbO2氧化浓盐酸的反应如下：

PbO2＋4HCl（浓）＝＝＝＝PbCl2＋Cl2↑＋2H2O

不论从反应物与生成物的化学式、化学计量数，还是从Pb、Mn的价态及其变化上，这个反应，跟MnO2氧化浓盐酸的反应很相似：

MnO2＋4HCl（浓）MnCl2＋Cl2↑＋2H2O

不同点是PbO2的氧化性更强，不需加热就能将浓盐酸氧化。

AS

英文名： Arsenic

中文名： 砷

原子序号：33

折射率：(solid) 1.001552

原子化焓：kJ /mol @25℃301.3

体积d性模量：GPa22

热容：J /（mol· K）24.64

导电性：10^6/(cm ·Ω )0.0345

导热系数：W/（m·K） 50.2

汽化热:(千焦/摩尔) 34.760

元素在宇宙中的含量:(ppm)0.008

相对原子质量： 74.9216

常见化合价： -3,+3,+5

电负性： 2.2

外围电子排布： 4s2 4p3

核外电子排布： 2,8,18,5

同位素及放射线： As-71[2.7d] As-72[26h] As-73[80.3d] As-74[17.8d] As-75 As-76[26.3h] As-77[39h] As-79[9m]

电子亲合和能： 78.3 KJ·mol-1

第一电离能： 944 KJ·mol-1

第二电离能： 1797.8 KJ·mol-1

第三电离能： 2735.5 KJ·mol-1

单质密度： 5.72 g/cm3

单质熔点： 817.0 ℃

单质沸点： 613.0 升华 ℃

原子半径： 1.33 埃

离子半径： 0.58(+5) 埃

共价半径： 1.2 埃

常见化合物： AsH3 As2O3 As2O5 H3AsO4 As2S3 H3AsO3 As4S4

发现人： 远古就被发现

时间： 0

地点： 未知

名称由来： 希腊文：arsenikon；拉丁文：arsenicum（都是黄色染料的名字）。

元素描述： 铁灰色，松脆，介于金属和非金属间。 元

素来源： 见于毒砂（砷黄铁矿）中。

元素用途： 大部分砷的化合物都有致命的毒性，可用作除草剂和灭鼠药。有导电性，可制半导体。砷的某些化合物--叫做砷化物--用来制造油漆、墙纸和陶瓷。

详细说明如下：

1. 砷作合金添加剂生产铅制d丸、印刷合金、黄铜(冷凝器用)、蓄电池栅板、耐磨合金、高强结构钢及耐蚀钢等。黄铜中含有重量砷时可防止脱锌。

2. 高纯砷是制取化合物半导体砷化镓、砷化铟等的原料，也是半导体材料锗和硅的掺杂元素，这些材料广泛用作二极管、发光二极管、红外线发射器、激光器等。

3. 砷的化合物还用于制造农药、防腐剂、染料和医药等。

Pb

中文名： 铅

体积d性模量：GPa 46

原子化焓：kJ /mol @25℃ 铅

194.6

热容：J /（mol· K） 26.650

导热系数：W/（m·K） 35.3

导电性：10^6/（cm ·Ω ） 0.0481

熔化热：（kJ/mol） 4.799

汽化热：（kJ/mol） 177.70

元素在宇宙中的含量:(ppm) 0.01

相对原子质量： 207.2

常见化合价： +2,+4

电负性： 1.6

外围电子排布： 6s2 6p2

核外电子排布： 2,8,18,32,18,4

同位素及放射线： Pb-202[53000y] Pb-203[2.16d] Pb-204 Pb-205[1.5E7y] Pb-206 Pb-207 *Pb-208 Pb-209[3.25h] Pb-210[22.3y] Pb-211[36.1m] Pb-212[10.64h] Pb-214[27m]

电子亲合和能： 101.3 KJ·mol-1

第一电离能： 716 KJ·mol-1

第二电离能： 1450 KJ·mol-1

第三电离能： 3081 KJ·mol-1

单质密度： 11.34 g/cm3

单质熔点： 327.5 ℃

单质沸点： 1740.0 ℃

原子半径： 1.81 埃

离子半径： 1.19(+2) 埃

共价半径： 1.47 埃

常见化合物： Pb3O4 PbO PbO2 ：

名称由来： 盎格鲁-撒克逊语：lead（铅）；

元素符号来自拉丁文“plumbum”。

元素描述： 铅

有光泽的蓝白色金属，非常柔软，极易延展。

元素来源： 最常见于被称之为方铅矿或硫化亚铅(PbS)的矿物中，偶尔也能发现游离态的铅。

元素用途： 用于焊接、防辐射，也用于制造电池。

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