p区第14（4A）族元素　碳族元素（Carbon group elements）

C,Si,Ge,Sn,Pb

6号元素　C碳

碳是古代已知元素。碳的单质有金刚石、石墨、1985年发现的球碳（又称富勒烯），以及非结晶碳，如木炭、煤、活性炭、焦炭等。碳在地壳中含量只占0.027％（质量分数），其中99.7％以煤、甲烷和碳酸盐的形式存在，0.2％在大气中以CO2和CH4出现，剩余不到0.1％的碳组成有机化合物。在地球上已发现和合成得到的化合物种类数目中，含碳有机物占90％以上。

碳的同位素　碳有12C、13C和14C三种同位素，其特性和应用分述如下：12C是碳的主要成分，占碳总量的98.93％。12C是IUPAC规定的相对原子质量的物质标准，以其为基准，确定原子质量单位（英文名称为atomic mass unit，单位符号u）：即处于基态的12C原子质量的1/12。1u=1.66055402（10）×10-27kg。例如，碳的相对原子质量为12.0107（8），即碳的原子质量为12.0107u，（8）表示该数据的最后一位偏差为8。13C的核自旋I=1/2，在核磁共振（NMR）中有响应。13C NMR是分析含碳化合物分子结构的重要方法。因13C天然丰度只有1.1％，在分子中相邻两个C均为13C的概率极低，所以不会出现13C-13C耦合导致的自旋-自旋裂分，故每一组环境不等同的碳只出现一条明锐的谱线，方便解析分子结构。14C是碳的放射性同位素，半衰期为5730a，在考古学上用以测定地质中埋藏的生物体的年代。

碳的三类同素异构体　晶态的碳有三类同素异构体：金刚石、石墨和球碳。金刚石结构中，碳原子以sp3杂化轨道按四面体取向成键而形成晶体。每个原子都以C—C共价单键和周边原子结合，可以说一粒金刚石就是一个大分子。金刚石硬度居所有物质之首。石墨结构中，碳原子以sp2杂化轨道按平面三角形和周围3个原子结合，每个原子剩余一个轨道和一个电子相互形成离域键，形成平面型分子，因此石墨能导电、具有黑色金属光泽。层型石墨分子平行地堆积起来，形成石墨晶体。球碳结构中，碳原子以介于sp2和sp3之间的杂化轨道型式相互结合形成一个一个球形分子，最常见的是以60个C原子组成足球形状的分子C60，C60分子堆积在一起，形成棕黑色的粉末状晶体。

金刚石是最硬的天然物质，也是最名贵的宝石。它折射率高（nD=2.4173），对称性高，纯净的为无色透明晶体，若含少量杂质会出现黄、褐、蓝、绿等颜色。经过精细雕琢，可形成对称多面体，在光照下，呈现霓虹色彩，美丽非凡。天然金刚石产量稀少，价格昂贵。金刚石亦可人工合成。细粒金刚砂（corundum，emery）是碳化硅的（SiC）的俗名，结构和金刚石相似，硬度高，生产价格便宜，可作细粒金刚石的代替品，作研磨和切割材料。

石墨具有层型结构，层内碳原子间形成离域π键，因而具有优良的导电性，可用以制作电极。包铜箔的石墨焊接电极，广泛用于钢铁的焊接工艺中。铅笔是用石墨和黏土等混合、加压制成。写字时，层型石墨分子受力铺在纸上（不一定是单层），由于笔迹的色泽和金属铅表面的色泽相似因而得名，也就是说铅笔不含铅。石墨烯（英文名称为graphene）是近年来备受关注的材料，它是单层石墨分子。可以用简单的胶带从石墨中“粘”出来，也可用高科技手段从石墨中分离，或者选择合适的含碳化合物，通过反应在衬底上（如硅单晶表面）形成。北京大学的研究人员以甲烷等碳氢化合物为原料，控制条件，在洁净的金属铜表面生长出面积较大的石墨烯，可用于制作柔性透明电极。

碳纳米管可看作是球碳的球体沿一个方向延伸形成开口或闭合的管状结构分子，或者由石墨层卷曲连接而成。理论计算表明，碳纳米管具有极高的强度和极大的韧性，其强度约为相同粗细钢条的100倍，而密度只有钢的1/6，是又一种待开发的新领域。

无定形碳包括炭黑、烟炱、活性炭、焦炭、煤等，是制作多种重要工业产品的必需材料。

有机化合物，除甲烷及其衍生物外，可看作是含有碳-碳键的化合物，根据碳的单质的成键规律和结构型式，可将有机化合物分成三族，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，它构成有机物质的分子骨架。生命的基础物质如糖、蛋白质、脂肪、核酸等都是由碳骨架构成的。碳占人体质量的19％左右，是排在氧之后，即按质量计占第二位的元素。

14号元素　Si硅

1823年贝采里乌斯（J.J.Berzelius，瑞典）用金属钾还原四氟化硅得到。名称源于拉丁文“Silex”，意为“燧石”。自然界中硅分布极广，资源丰富，是地壳中含量仅次于氧的元素，按质量计达25.7％。主要以二氧化硅和硅酸盐的形态存在。主要矿物有石英（SiO2）、长石和黏土等。中文名称硅（音归，gui），是20世纪50年代由中国化学会定名的。早期根据英文读音曾定名为“矽（音夕，xi）”，这一名称至今仍在港澳台地区应用。大陆医生对吸入含硅化合物而发生的职业病还常称“矽肺”（现称为“硅沉着病”），硅和铁形成的合金钢也常称作“矽钢”。

硅的化学性质不活泼，常温下与空气、水和大多数酸无明显作用，但能与氢氟酸发生化学反应。晶态硅分为单晶硅和多晶硅，具有半导体性质，有金属光泽，莫氏硬度6.5。无定形硅为灰黑色粉末。用途：（1）纯净的单晶硅（纯度达8个9以上）是制作芯片的基础材料，决定着信息工业的发展。（2）以金属铝作衬底，在其表面“植上”一层10～25μm的单晶硅层，即成太阳能电池中将光能变为电能的关键部件，是能源工业的基础。（3）石英的化学成分是SiO2，天然和人工生长的无色透明晶体，俗称水晶，带颜色和花纹的称玉燧和玛瑙，可做饰品、工艺品，天平的刀口，研钵；融化的石英制成石英玻璃，热膨胀系数低，耐压强度大，折射率高，可做精密光学元件、高压汞灯、化学仪器；超纯的石英玻璃纤维是光纤通讯的介质材料。（4）黏土的主要成分是硅铝酸盐，可以烧制陶瓷，用高岭土生产的瓷器洁白光亮，如同玉石，早年欧洲人称之为china，后来演化为中国的英文名称China；硅铝酸盐可以形成具有分子级孔道的多孔材料，俗称分子筛，广泛应用于吸附、分离和催化剂领域。（5）有机硅材料。利用硅与氧以及烷基结合的特点，可以控制形成各种硅氧烷，获得性能优良的硅油、硅树脂、硅橡胶等，广泛应用于工业和日常生活。

生物学作用　硅是人体的必需元素，主要存在于皮肤、主动脉、气管、肌腱以及骨骼和结缔组织中，参与重要的生命过程。

32号元素　Ge锗

1886年温克勒（C.A.Winkler，德）分析处理硫银锗矿时得到GeS2，再用氢气还原后制得锗。名称源于英文“Germany”，意为“德国”，发现者以此纪念他的祖国。锗就是门捷列夫曾预言过的“类硅”。锗是分散元素，常与Ag、Pb、Sn、Sb在硫化物中共生，存在于煤、铁矿和某些银矿、铜矿中。矿物有硫锗铁铜矿（Cu6Fe2GeS8）、硫锗银矿（Ag8 GeS6）和硫铁铜矿［Cu3（Fe,Ge）S4］等。

锗是银灰色金属。晶态锗质脆，加工性能似玻璃，有明显的非金属性质。细的锗粉能在氯或溴中燃烧。锗是优良半导体。高纯度的单晶锗可制造晶体管，掺入杂质元素（As、Ga、Sb）后的锗用于制作锗芯片，此举被认为是电子器件微型化的革命性举措。当前锗的主要应用是制作通信网络的光纤。另外，SiGe微芯片在无线电通信中已取代了GaAs芯片。

生物学作用　锗是人体非必需但有用的微量元素。有一定的非特异免疫增强作用。在人参、灵芝、枸杞等药材中含量较高。有机锗具有生理活性、药理作用，但用量需要控制，很多有毒副作用。

50号元素　Sn锡

早在公元前约2100年，埃及、中国和希腊等地古人用木炭还原锡石（SnO2）制得锡。将锡和铜制成青铜合金，开启了人类的青铜时期。英文名称“tin”源于意大利古国Etruscan的一个神的名字Tinia，元素符号Sn源于拉丁文Stannum。

金属锡化学性质稳定，不易和水、空气及有机酸作用，外观保持银白色光泽，可制作锡壶等日用器皿，供盛酒等使用。铁皮表面镀锡形成镀锡铁，有抗锈蚀功能，可用来做罐头盒。由于此材料20世纪50年代前内地多由澳门（Macao）进口，所以按音译称为“马口铁”；也有另外的说法，因此材料被用于制作煤油灯灯头，形似“马口”而得名；如今这一名称已被废止。金属锡质软而富延展性，可制成很薄的锡箔，用以包装糖果、香烟等。锡可以和多种金属形成合金，如铜70％、锡20％和铅10％的合金耐冲击、耐腐蚀、耐高温，用以制造轴瓦；锡锆合金可用作核反应燃料棒的包装外壳；锡镓合金高温下易熔化，用于消防自动报警装置；锡铅合金用作焊锡等。铜锡合金称为青铜，十分坚硬，改变了纯铜和纯锡较软的性质。我国夏商周时代广泛使用青铜，史称青铜时代。

锡是人体必需的微量元素。锡化合物具有抗肿瘤活性，能促进蛋白质及核酸的合成并维护其三维空间结构。金属锡无毒，大多数无机锡化合物属于低毒或微毒类，但有机锡化合物多数有毒。

锡疫的故事　常温常压下锡的存在形式为白锡，密度为7.28g/cm3。当温度低于-13℃，变成密度低的灰锡（5.77g/cm3），该相变发生时伴随体积膨胀，产生很大的内应力，使一块洁白明亮的金属变成灰色粉末状疏松物质，这种转变称为“锡疫”。历史上记载了两件和锡疫有关的大事：1812年，拿破仑率领60万大军远征俄国，士兵御寒的大衣纽扣由锡制成，在凛冽的寒风中，锡制纽扣碎裂，士兵受冷挨冻，大大降低了战斗力，最后拿破仑失败退回法国。另一件事发生在1912年，当时英国探险家斯克特（R.F.Scott）带领一队人马赴南极探险，他们携带煤油的油桶由焊锡焊制而成。在南极的低温条件下，焊锡发生锡疫而碎裂，桶内煤油漏光。失去了赖以取暖做饭的燃料，他们不幸被冻死在南极。

82号元素　Pb铅

古代已知元素。拉丁文称铅为“Plumbum”，其符号“Pb”即源于此。矿物有方铅矿（PbS）和白铅矿（PbCO3）等。铅矿中常杂有其他金属元素，如银、锌、铜、铊和铟等。

铅是银白色重金属，质柔软，延性差、展性强，抗张强度小。铅主要用于电缆、蓄电池、硫酸工业、制四乙基铅、焊锡、弹药、颜料以及防护X射线和γ射线的屏蔽材料。世界上生产的铅，一半以上用于制造铅蓄电池，由于廉价且性能稳定，大量用作汽车等动力车的蓄电池。

铅及其化合物均有毒。铅是蓄积性毒物，痕量水平的铅对人就有毒。铅主要损害造血系统、神经系统和肾脏，对心血管系统、生殖功能也有损害，也可能致癌、致畸、致突变。含铅汽油产生的汽车尾气是铅中毒的祸首，现已被禁用。我国王选等发明的激光照排取代了铅字印刷，为防止铅污染做出了重大贡献。