碳族元素

1.1 化学性质

像其他族元素一样，碳族元素具有相似的电子构型，特别是在最外层，使得它们的化学性质有一定规律可循：

碳族中的每个元素在其最外层轨道（原子的最高能级）都有4个电子。所有这些元素的最后一个轨道是p2轨道。在大多数情况下，这些元素共享它们的电子。随着原子半径和原子序数的增加，这些元素会更容易失去电子，碳元素单独形成C^4-负离子。硅和锗都具有一定金属性，都可以形成+4价离子。锡和铅都是金属，而𫓧是一种合成的放射性元素（半衰期非常短），尽管它是过渡金属，但它可能具有一些类似惰性气体的性质。锡和铅都能形成+2价离子。

碳元素能够与所有卤素形成四卤化物，还能够形成三种氧化物：一氧化碳、二氧化三碳（C₃O₂）和二氧化碳，还形成二硫化物和二硒化物 。^[1]

硅能够形成两种氢化物：SiH₄和Si₂H₆。硅能够与氟、氯和碘形成四卤化物。硅也能够形成二氧化物和二硫化物。^[2]氮化硅的化学式为Si₃N₄。

锗能够形成两种氢化物：GeH₄和Ge₂H₆。锗能够与除砹以外的所有卤素形成四卤化物，并能够与除溴和砹以外的所有卤素形成二卤化物。锗能够与除钋以外的所有天然单一的硫族元素化合，形成二氧化物、二硫化物和二硒化物。氮化锗的化学式为Ge3N4。^[3]

锡能够形成两种氢化物：SnH₄和Sn₂H₆。锡能够与除砹以外的所有卤素形成二卤化物和四卤化物。锡能够与除钋以外的每种天然存在的硫族元素中的一种形成硫族元素化合物，并能够与除钋和碲以外的每种天然存在的硫族元素中的两种形成硫族元素化合物。^[4]

铅能够形成一种氢化物，其分子式为PbH₄。铅能够与氟和氯形成二卤化物和四卤化物，也能够形成四溴化铅和二碘化铅，但铅的四溴化物和四碘化物不稳定。铅能够形成四种氧化物，一种硫化物、一种硒化物和一种碲化物。^[5]

目前还没有已知的𫓧的化合物。^[6]

1.2 物理性质

碳族元素的沸点随着元素原子质量的增加而降低。碳是最轻的碳族元素， 3825℃升华。硅的沸点是3265℃，锗的沸点是2833℃，锡的沸点是2602℃，铅的沸点是1749℃。碳族元素的熔点与它们的沸点有大致相同的趋势。硅的熔点为1414℃，锗的熔点为939℃，锡的熔点为232℃，铅的熔点为328℃。^[7]

碳的晶体结构是六方晶系；在高压和高温下，碳能够形成金刚石（见下文）。硅和锗具有金刚石立方晶体结构，锡在低温下（低于13.2℃）也是如此。锡在室温下具有四方晶体结构。铅具有面心立方晶体结构。^[7]

碳族元素的密度随着原子序数的增加而增加。碳的密度为每立方厘米2.26克，硅的密度为每立方厘米2.33克，锗的密度为每立方厘米5.32克。锡的密度为每立方厘米7.26克，铅的密度为每立方厘米11.3克。^[7]

碳族元素的原子半径随着原子序数的增加而增加。碳的原子半径为77皮米，硅的原子半径为118皮米，锗的原子半径为123皮米，锡的原子半径为141皮米，铅的原子半径为175皮米。^[7]

同素异形体

碳有多个同素异形体。最常见的是石墨，它是碳原子层层堆叠形成的。另一种形式的碳是金刚石，但这种情况相对较少。无定形碳是碳的第三个同素异形体；它是炭黑的一种成分。碳的另一个同素异形体是富勒烯，它是碳原子折叠成球体形成的。2003年发现的第五种碳同素异形体叫做石墨烯，它是碳原子层叠成蜂窝状形成的。^[8][9]

硅在室温下存在两种已知的同素异形体。这些同素异形体被称为无定形硅和晶体硅。无定形同素异形体是棕色粉末。晶态同素异形体是灰色的，有金属光泽。^[10]

锡有两种同素异形体：α-锡，也称为灰色锡，和β-锡。锡通常以银白色金属β-锡的形式存在。然而，在标准压力下，β-锡在低于13.2摄氏度/56华氏度的温度下转化为α-锡，一种灰色粉末。这种现象可能导致锡制品在低温下破碎成灰色粉末，这一过程被称为锡疫或锡腐烂。

1.3 原子核

至少有两种碳族元素（锡和铅）有幻核，这意味着这些元素比没有幻核的元素更常见、更稳定。

同位素

碳有15种已知同位素。其中有三种是自然界存在的。最常见的是稳定的碳-12，其次是稳定的碳-13。^[7]碳-14是一种天然放射性同位素，半衰期为5730年。

科学家们已经发现了23种硅同位素。其中五种是自然界存在的。最常见的是稳定的硅-28，其次是稳定的硅-29和稳定的硅-30。硅-32是一种放射性同位素，由锕系元素的放射性衰变，并通过高层大气中的散裂而产生。硅-34也是锕系元素放射性衰变的产物。

科学家们已经发现了32种锗同位素。其中五种是自然界存在的。最常见的是稳定的锗-74，其次是稳定的锗-72、稳定的锗-70和稳定的锗-73。锗-76是一种原始放射性同位素。

科学家们已经发现了40种锡同位素。其中14种是自然界存在的。最常见的是锡-120，其次是锡-118、锡-116、锡-119、锡-117、锡-124、锡-122、锡-112和锡-114：所有这些都是稳定的。锡还有四种放射性同位素，它们是铀放射性衰变的产物。这些同位素是锡-121、锡-123、锡-125和锡-126。

科学家们已经发现了38种铅同位素。其中9种是自然界存在的。最常见的同位素是铅-208，其次是铅-206、铅-207和铅-204：所有这些都是稳定的。4种铅同位素来自铀和钍的放射性衰变。这些同位素是铅-209、铅-210、铅-211和铅-212。

科学家们已发现6种𫓧的同位素（𫓧-284、𫓧-285、𫓧-286、𫓧-287、𫓧-288和𫓧-289）。这些都不是天然存在的。𫓧最稳定的同位素是𫓧-289，半衰期为2.6秒。

在大多数恒星中，甚至在小恒星中，碳都是星体融合的结果。^[11]地壳中，碳含量百万分之480，海水中，碳含量百万分之28。碳元素以一氧化碳、二氧化碳和甲烷的形式存在于大气中。碳元素是碳酸盐矿物的一个关键组成部分，存在于海水中常见的碳酸氢盐中。碳元素占一个正常人类体重的22.8%。^[11]

硅在地壳中含量28%，是地壳中第二丰富的元素。海水中硅的浓度从海洋表面的一亿分之三到深层的五十万分之一不等。在地球大气中存在微量硅粉尘。硅酸盐矿物是地球上最常见的矿物类型。硅平均占人体的百万分之14.3。^[11]只有最大的恒星才能通过星体融合产生硅。^[11]

锗占地壳的百万分之二，是地球上第52丰富的元素。平均而言，锗占土壤的百万分之一。锗占海水的万亿分之0.5。有机锗化合物也存在于海水中。锗在人体中的浓度为十亿分之71.4。科学家们发现在一些非常遥远的恒星中也存在锗。^[11]

锡占地球地壳的百万分之二，是地球上第49丰富的元素。平均来说，锡占土壤的百万分之一。锡以每万亿分之四的浓度存在于海水中。锡占人体的十万分之42.8。氧化锡（IV）在土壤中的浓度为百万分之0.1到万分之3。火成岩中锡的浓度也是千分之一。^[11]

铅占地壳的百万分之十四，是地壳中含量第36高的元素。平均来说，铅占土壤的百万分之23，但是在老铅矿附近，铅的浓度可以达到2%。海水中的铅浓度为万亿分之二。铅占人体重量的百万分之1.7。人类活动释放到环境中的铅比任何其他金属都多。^[11]

𫓧只出现在粒子加速器中。^[11]

3.1 古代的发现和用途

碳、锡、铅和硫、铁、铜、汞、银、金一样，都是古代世界就已经熟知的元素。^[12]

前王朝时期的埃及人很熟悉以岩石晶体形式存在的硅，他们用它来制作珠子和小花瓶——对早期中国人以及许多其他古人来说也是如此。早在公元前1500年，埃及人和腓尼基人都制造了含二氧化硅的玻璃。许多天然存在的化合物或硅酸盐矿物被最初的人类用于建造住宅的各种砂浆中。

锡的起源似乎无法从历史上得以考证。青铜是铜和锡的合金，在纯金属被分离出来之前的一段时间被史前人类使用过。青铜器在早期美索不达米亚、印度河流域、埃及、克里特岛、以色列和秘鲁很常见。早期地中海人使用的大部分锡似乎来自不列颠群岛的锡利群岛和康沃尔，^[13]那里的金属开采可以追溯到公元前300年-公元前200年。在被西班牙征服之前，南美洲和中美洲的印加和阿兹特克地区都有锡矿。

早期圣经记载中经常提到铅。巴比伦人使用金属作为记录铭文的板。罗马人用它来制作平板、水管、硬币，甚至炊具；事实上，由于最后一次使用，铅中毒在奥古斯都·恺撒时代就被发现了。至少早在公元前200年，这种被称为白铅的化合物就被制成装饰颜料。

3.2 现代发现

瑞典化学家詹斯·雅各布·贝尔泽利乌斯在1824年首次获得纯净的无定形单质硅；不纯的硅已经在1811年获得。晶体单质硅直到1854年才作为电解的产物被制备出来。

锗是俄罗斯化学家德米特里·门捷列夫在1869年首次设计元素周期表时就预测存在的三种元素之一。然而，该元素实际上有一段时间没有被发现。1885年9月，一名矿工在一座银矿中发现了一种矿物样品，并将其交给矿长，矿长断定这是一种新矿物，并将其送往克莱门斯·温克勒（Clemens A. Winkler）。温克勒发现样品中含有75%的银、18%的硫和7%的未知元素。几个月后，温克勒分离出元素，并确定它是第32号元素。

1969年1969年，在联合核研究所（Joint Institute for Nuclear Research）首次尝试发现𫓧（当时被称为“114号元素”），但没有成功。1977年，联合核研究所的研究人员用钙-48轰击钚-244原子，但再次失败。科学家们在1998年重复了这个核反应，这次成功了。

3.3 词源

“carbon”一词来自拉丁语单词carbo，意思是“木炭”。“silicon”一词来自拉丁语silex或silicis，意思是“燧石”。“germanium”一词来源于germanium一词，在拉丁语中是德国的意思，因为镓是在德国被发现的。“tin”一词来源于古英语单词“tin”。“lead”一词来自古英语单词lead。

无定形碳应用最广，可被用于炼钢、炭黑、轮胎填充物、呼吸器和活性炭等。石墨通常用于铅笔的笔芯。金刚石是另一种形式的碳，通常用于珠宝。碳纤维因其具有很高的强度和弹性被广泛用于许多领域中，例如卫星框架。

二氧化硅用途广泛，包括牙膏、建筑填料，并且是玻璃的主要成分。50%的纯硅用于制造金属合金。45%的硅用于硅树脂的制造。自20世纪50年代以来，硅也普遍用于生产半导体。^[14]

锗在20世纪50年代以前一直用于半导体，后来被硅取代。^[14]辐射探测器含有锗。氧化锗用于光纤和广角相机镜头。少量锗与银混合可以防止银变色，所得合金被称为“argentium”。

焊料是锡最重要的用途，所有生产的锡中有50%用于此。所有生产的锡中有20%用于镀锡板。20%的锡也用于化学工业。锡也是许多合金的成分，包括白镴。氧化锡（IV）已经在陶瓷中普遍使用了几千年。锡酸钴是一种锡化合物，用作天蓝色颜料。

80%的铅被制成铅酸电池。铅的其他应用包括负重、颜料和对放射性物质的屏蔽。铅在历史上曾以四乙基铅的形式用于汽油，但由于担心毒性，现已停止使用。^[14]

碳的同素异形金刚石主要由俄罗斯、博茨瓦纳、刚果、加拿大和南非生产。80%的人造金刚石是俄罗斯生产的。中国的石墨产量占世界的70%。其他石墨的开采国有巴西、加拿大和墨西哥。^[15]

硅可以通过用碳加热二氧化硅来制备。^[15]

自然界存在锗矿石，如锗石，但由于稀有而没有开采。相反，锗是从锌等金属矿石中提取出来的。在俄罗斯和中国，锗也能从煤矿中分离出来。含锗矿石首先用氯处理形成四氯化锗，四氯化锗与氢气混合，然后通过区域精炼进一步精炼锗。全球每年大约生产140吨锗。^[15]

全球每年通过矿石能够生产30万吨锡。中国、印度尼西亚、秘鲁、玻利维亚和巴西是锡的主要生产国。生产锡的方法是将锡矿物锡石（二氧化锡）与焦炭混合。^[15]

最常开采的铅矿是方铅矿（硫化铅）。全球每年新开采400万吨铅，主要分布在在中国、澳大利亚、美国和秘鲁。矿石与焦炭和石灰石混合，焙烧产生纯铅。大多数铅是从铅电池中回收的。人类开采的铅总量已达3.5亿吨。^[15]

碳是所有已知生命的关键元素。它存在于所有有机化合物中，例如，脱氧核糖核酸、类固醇和蛋白质。^[15]碳对生命的重要性主要在于它能与其他元素形成无数的化学键。^[15]一个正常的70公斤的人有16公斤的碳。^[15]

硅基生命的可行性是人们普遍讨论的问题，但硅比碳更难形成精细的环和链。^[15]硅藻和海绵用二氧化硅来形成细胞壁和骨骼。硅对鸡和老鼠的骨骼生长是必不可少的，对人类也是必不可少的。人类每天平均消耗20至1200毫克硅，主要来自谷物。一个正常的70公斤的人有1克硅。^[15]

尽管锗确实能促进新陈代谢，但锗的生物学作用尚不清楚，。1980年，Kazuhiko Asai报道了锗对健康有益，但这一说法尚未得到证实。一些植物能够从土壤中吸收氧化锗。这些植物包括谷物和蔬菜，它们含有大约百万分之0.05的锗。据估计，人类每天摄入锗1毫克。一个正常的70公斤的人体内有5毫克锗。^[15]

锡已被证明对老鼠的正常生长至关重要，但截至2013年，没有证据表明人类饮食中需要锡。植物不需要锡，但植物在根部收集锡。小麦和玉米分别含有百万分之七和三的锡。然而，如果植物靠近锡冶炼厂，植物中的锡含量可以达到千分之二。平均而言，人类每天消耗0.3毫克锡。一个正常的70公斤重的人体内有30毫克锡。^[15]

铅没有已知的生物学作用，事实上，铅有剧毒，但是一些微生物能够在铅污染的环境中生存。有些植物，如黄瓜，含铅量高达百万分之几十。一个正常的70公斤的人体内有120毫克的铅。^[15]

6.1 毒性

单质碳一般没有毒性，但它的许多化合物有毒性，如一氧化碳和氰化氢。然而，碳尘可能是危险的，因为它以类似石棉的方式滞留在肺部。^[15]

硅矿物通常没有毒性，但二氧化硅粉尘，如火山喷发的粉尘，如果进入肺部，会对健康造成不利影响。^[15]

锗会干扰乳酸和乙醇脱氢酶等酶的作用。有机锗化合物比无机锗化合物毒性更大。锗对动物的口服毒性很低。严重的锗中毒会导致呼吸麻痹致死。^[15]

一些锡化合物是有毒的，但大多数无机锡化合物被认为是无毒的。有机锡化合物，如三甲基锡和三乙基锡毒性很高，可以破坏细胞内的代谢过程。^[15]

铅及其化合物，如醋酸铅是剧毒的。铅中毒会导致头痛、胃痛、便秘和痛风。^[15]