第 14 族:碳族

碳族6 個元素

第 14 族包含碳、矽、鍺、錫、鉛和人工合成元素鈇。每個原子都有四個最外層電子,這一族是元素沿著一行往下金屬性逐漸增強的最清楚例子:碳是非金屬,矽和鍺是類金屬,錫和鉛是金屬。

在週期表中的位置

這一族中的元素

四個最外層電子:ns² np²

每種電子組態都以 ns² np² 結尾,如碳([He] 2s² 2p²)和矽([Ne] 3s² 3p²)。四個電子正好是填滿八隅體的一半,所以要得到或失去全部四個都很困難。碳和矽改為共用電子,形成四個共價鍵,如在甲烷(CH₄)和二氧化矽(SiO₂)中。碳的氧化態從甲烷中的 −4 到二氧化碳中的 +4。

沿著這一族往下,+2 氧化態變得更重要。錫能形成 +2 和 +4 的化合物,而鉛以 Pb²⁺ 最穩定。

沿著這一族往下的趨勢

密度從碳(石墨)的 2.267 g/cm³ 升到鍺的 5.323 g/cm³ 和鉛的 11.34 g/cm³。第一游離能從碳的 11.26 eV 降到錫的 7.344 eV,所以較重的原子更容易放出電子,行為像金屬。熔點從矽的 1687 K 降到鍺的 1211.4 K 和錫的 505.08 K,而鉛在 600.61 K 熔化。

你在哪裡會遇到第 14 族

碳是一切生物、燃料和塑膠的骨架,因為它的原子能連成長鏈和環。矽由沙子提煉而來,是電腦晶片和太陽能電池的材料,矽酸鹽構成大部分的岩石。鍺幫助光纖電纜傳導光,錫用來鍍在鋼罐上,也是焊錫中的主要金屬,鉛則仍用於汽車電池和輻射屏蔽。

這一行中的驚奇

鍺是先被預測、後被發現的。1871 年,門得列夫在矽的下方留了一個空位,並描述了一種缺失的類矽元素,密度約為 5.5 g/cm³;1886 年發現的鍺,密度為 5.323 g/cm³。錫也有自己的驚奇:在約 13 °C 以下,有光澤的白錫可能慢慢碎裂成易碎的灰錫。鈇(114)每次只製造出幾個原子,所以它的性質是預測的,而非測量得到的。

第 14 族:沿族向下的性質變化

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第 14 族
6 碳 C 4 +4, −4 2.55 170 3,823 K (3,549.8 °C) 2.267 g/cm³
14 矽 Si 4 +4, −4 1.9 210 1,687 K (1,413.8 °C) 2.329 g/cm³
32 鍺 Ge 4 +4, −4 2.01 211 1,211.4 K (938.3 °C) 5.323 g/cm³
50 錫 Sn 4 +2, +4 1.96 217 505.08 K (231.9 °C) 7.287 g/cm³
82 鉛 Pb 4 +2, +4 2.33 202 600.61 K (327.5 °C) 11.34 g/cm³
114 鈇 Fl 4 — — — — —

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