<p><b>碳族元素</b>是指元素週期表上第14族（<b>ⅣA族</b>）的元素，位於硼族元素和氮族元素之間。碳族元素包含碳（C）、矽（Si）、鍺（Ge）、錫（Sn）、鉛（Pb）、鈇（Fl），其中碳為典型的非金屬元素，矽和鍺為類金屬，其餘元素則為貧金屬。此外鈇為人造元素，具極高的放射性。它們位於p區。
</p><p>根據現在的 IUPAC 族編號，碳族元素被稱為<b>14族</b>。在半導體物理學中，它也被稱為 <b>IV 族</b>。 碳族元素也被稱為 <b>tetrels</b> （來自於希臘文 <i>tetra</i>，意旨四），源自組名稱中的羅馬數字IV，或者（並非巧合地）源自這些元素具有四個價電子的事實（請參見下文）。 它們也可以被稱為 <b>crystallogens</b> （來自英文字根 <i>crystallo-</i>，意指晶體， <i>-gens</i>，意指素）或 <b>adamantogens</b>（來自希臘文 ἀδάμαντος（adamantos），意指不可征服、不可馴服，即精金等極堅硬物，<i>-gens</i>，意指素）。</p><p>本族元素在化合物中一般可以呈現+4，+2等化合價，它們的原子最外層都有4個電子，離子的最高正價都是+4價。
</p>


<h2><span id=".E6.80.A7.E8.B4.A8"></span><span id="性质">性質</span></h2>
<h3><span id=".E7.89.A9.E7.90.86.E6.80.A7.E8.B4.A8"></span><span id="物理性质">物理性質</span></h3>
<p>碳族元素的沸點隨著族往下而越來越低。碳，最輕的碳族元素，升華 於 3825 °C。 矽的沸點是 3265 °C，鍺的沸點是 2833 °C，錫的沸點是 2602 °C，而鉛的是 1749 °C。鈇預測在 -60°C時沸騰。它們的 熔點也有和沸點類似的趨勢。 矽在 1414 °C下融化，鍺則在 939 °C，錫的熔點為 232 °C，而鉛在 328 °C下融化。</p><p>碳族元素的密度隨著原子量增加而增加。 碳的密度為 2.26 g/cm<sup>3</sup>, 矽的密度為 2.33 g/cm<sup>3</sup>, 鍺的密度為 5.32 g/cm<sup>3</sup>，錫的密度為 7.26 g/cm<sup>3</sup>，而鉛的密度為 11.3 g/cm<sup>3</sup>。</p><p>碳族元素的原子半徑也隨著原子量增加而增加。 碳的原子半徑是 77 皮米，矽的為 118 皮米，鍺的則為 123 皮米，錫的原子半徑是 141皮米，而鉛的為175皮米。</p><p>碳的晶體結構是六方晶系，在高溫和高壓下形成金剛石。矽和鍺的晶體結構亦為鑽石結構。錫在低溫下（13.2 °C 以下）是鑽石結構，室溫下則是四方晶系。鉛的晶體結構是立方晶系。</p>
<h4><span id=".E5.90.8C.E7.B4.A0.E5.BC.82.E5.BD.A2.E4.BD.93"></span><span id="同素异形体">同素異形體</span></h4>

<p>碳有很多的同素異形體。 最常見的是石墨，由碳以層狀結構排列而成。 另外一種碳的同素異形體是鑽石，不過它相對罕見。 無定形碳 是碳的第三種同素異形體，存在於煤煙中。 碳還有一種叫做富勒烯的同素異形體，由很多碳原子折成球體而成。第五種碳同素異形體於 2003年被發現，它就是石墨烯，由一層碳原子以類似蜂窩的六邊形結構排列。</p><p>矽在常溫下有兩種同素異形體。 它們分別是無定形矽和晶體矽。無定形矽是一種棕色粉末。 晶體矽則是灰色的，具有金屬光澤。</p><p>錫有兩種同素異形體， α-錫（又稱灰錫）和 β-錫。 錫在常溫下是 β-錫，一種銀色金屬。 不過，標準壓力下， β-錫會轉變成 α-錫，一種灰色粉末，在 13.2° 攝氏度/56° 華氏度以下時。 這使得寒冷下的錫會變成灰色粉末，也就是錫疫 。</p>
<h3><span id=".E5.8C.96.E5.AD.A6.E6.80.A7.E8.B4.A8"></span><span id="化学性质">化學性質</span></h3>
<p>和其它族一樣，碳族元素也有有規律的電子排布，尤其是在價電子層，因此使它們化學行為的趨勢：
</p>
<p>所有的碳族元素都有4顆價電子。此外，基態、電中性的碳族元素原子都有 s<sup>2</sup> p<sup>2</sup> 的最外層電子排布。這些元素，尤其是碳和矽，有形成共價鍵的強烈趨勢來達到八個電子。這些元素中的鍵通常含有軌道雜化，其中沒有明顯的s和p軌道。對於 單鍵，一般的結構是四對 sp<sup>3</sup> 電子, 儘管其它結構也存在，像是三對 sp<sup>2</sup> 電子，存在於石墨烯和石墨。雙鍵是碳的特徵(乙烯， <span>CO<span><br>2</span></span>...)，其中的π系統通常也一樣。隨著原子的尺寸增加，失去電子的趨勢也隨之增加，正如原子序數的增加一樣。碳可以形成陰離子，也就是碳化物 (C<sup>4−</sup>) 陰離子。矽和鍺都是類金屬，可以形成 +4 離子。錫和鉛都是金屬，都可以形成 +2 離子。儘管錫在化學上是一種金屬，但α-錫比起金屬，更像鍺，且是一種差的電導體。而鈇是一種人造的放射性元素，半衰期很短，只有1.9秒，儘管它很可能仍是一種貧金屬，但它卻反常地有著一些惰性氣體的特性。
</p><p>碳可以跟濃硫酸、硝酸反應，被氧化成二氧化碳。不與鹽酸作用。
</p><p>矽與氫氟酸反應。矽在銅催化劑下與鹽酸反應。</p><p>鍺不和稀鹽酸、稀硫酸反應，但能被濃硫酸、濃硝酸氧化。
</p><p>錫和稀鹽酸、稀硫酸反應，生成低價錫（Ⅱ）的化合物；跟濃H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>、濃HNO<sub>3</sub>反應生成高價錫（Ⅳ）的化合物。
</p><p>鉛跟鹽酸、硫酸、硝酸都能反應被氧化成亞鉛離子。
</p><p>碳族元素中跟鹼溶液反應的有矽和錫，它們既表現出金屬性又表現出非金屬性。碳族元素在加熱時都能跟氧反應，被氧化成二氧化碳、二氧化矽和氧化亞鉛等。碳族元素跟硫、氯共熱生成相應的高價氯化物和硫化物，鉛則生成鉛（Ⅱ）化合物。碳、矽跟金屬共熱生成碳化物和矽化物，錫、鉛與金屬形成合金。碳族元素都不能直接與氫化合，其氫化物是間接製得的。
</p>
<h4><span id=".E5.8C.96.E5.90.88.E7.89.A9"></span><span id="化合物">化合物</span></h4>
<p>碳可和氫等元素形成極多種有機化合物。碳亦可以所有鹵素反應形成四鹵化物。碳可形成多種氧化物如：一氧化碳、二氧化三碳（C<sub>3</sub>O<sub>2</sub>）和二氧化碳。碳也會形成二硫化物和二硒化物。</p><p>矽可形成兩種氫化物：甲矽烷（SiH<sub>4</sub>）和乙矽烷（Si<sub>2</sub>H<sub>6</sub>）。矽和氟、氯、溴和碘形成四鹵化物。矽也形成二氧化矽和二硫化矽。</p><p>鍺可形成兩種氫化物：甲鍺烷（GeH<sub>4</sub>）和乙鍺烷（Ge<sub>2</sub>H<sub>6</sub>）。鍺和除了砈之外的所有鹵素形成四鹵化物和二鹵化物。鍺和除了釙之外的所有氧族元素形成二氧化物、二硫化物、二硒化物。</p><p>錫可形成兩種氫化物：甲錫烷（SnH<sub>4</sub>）和乙錫烷（Sn<sub>2</sub>H<sub>6</sub>）。錫和除了砈之外的所有鹵素形成四鹵化物和二鹵化物。</p><p>鉛可形成一種氫化物，即鉛烷（PbH<sub>4</sub>）。鉛和氟、氯形成四鹵化物及二鹵化物，也可形成四溴化鉛和二碘化鉛，但不穩定。鉛形成四種氧化物、一種硫化物、一種硒化物、及一種碲化物。</p><p>目前沒有已知的鈇化合物。理論上鈇的化學特性應與鉛相近，能形成FlO、FlF<sub>2</sub>、FlCl<sub>2</sub>、FlBr<sub>2</sub>和FlI<sub>2</sub>。如果其高價態（Ⅳ）能夠進行化學反應，它將只能形成FlO<sub>2</sub>和FlF<sub>4</sub>。它也有可能形成混合氧化物Fl<sub>3</sub>O<sub>4</sub>，類似於Pb<sub>3</sub>O<sub>4</sub>。而一些研究指出鈇的化學特性可能和惰性氣體氡更接近。</p>
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<h2><span id=".E5.8F.82.E8.80.83.E6.96.87.E7.8C.AE"></span><span id="参考文献">參考文獻</span></h2>

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**碳族元素**是指元素週期表上第 14 族（**ⅣA 族**）的元素，位於硼族元素和氮族元素之間。碳族元素包含碳（C）、矽（Si）、鍺（Ge）、錫（Sn）、鉛（Pb）、鈇（Fl），其中碳為典型的非金屬元素，矽和鍺為類金屬，其餘元素則為貧金屬。此外鈇為人造元素，具極高的放射性。它們位於 p 區。

根據現在的 IUPAC 族編號，碳族元素被稱為 **14 族**。在半導體物理學中，它也被稱為 **IV 族**。 碳族元素也被稱為 **tetrels** （來自於希臘文 _tetra_，意旨四），源自組名稱中的羅馬數字 IV，或者（並非巧合地）源自這些元素具有四個價電子的事實（請參見下文）。 它們也可以被稱為 **crystallogens** （來自英文字根 _crystallo-_，意指晶體， _-gens_，意指素）或 **adamantogens**（來自希臘文 ἀδάμαντος（adamantos），意指不可征服、不可馴服，即精金等極堅硬物，_-gens_，意指素）。

本族元素在化合物中一般可以呈現 + 4，+2 等化合價，它們的原子最外層都有 4 個電子，離子的最高正價都是 + 4 價。

## 性質

### 物理性質

碳族元素的沸點隨著族往下而越來越低。碳，最輕的碳族元素，升華 於 3825 °C。 矽的沸點是 3265 °C，鍺的沸點是 2833 °C，錫的沸點是 2602 °C，而鉛的是 1749 °C。鈇預測在 -60°C 時沸騰。它們的 熔點也有和沸點類似的趨勢。 矽在 1414 °C 下融化，鍺則在 939 °C，錫的熔點為 232 °C，而鉛在 328 °C 下融化。

碳族元素的密度隨著原子量增加而增加。 碳的密度為 2.26 g/cm3, 矽的密度為 2.33 g/cm3, 鍺的密度為 5.32 g/cm3，錫的密度為 7.26 g/cm3，而鉛的密度為 11.3 g/cm3。

碳族元素的原子半徑也隨著原子量增加而增加。 碳的原子半徑是 77 皮米，矽的為 118 皮米，鍺的則為 123 皮米，錫的原子半徑是 141 皮米，而鉛的為 175 皮米。

碳的晶體結構是六方晶系，在高溫和高壓下形成金剛石。矽和鍺的晶體結構亦為鑽石結構。錫在低溫下（13.2 °C 以下）是鑽石結構，室溫下則是四方晶系。鉛的晶體結構是立方晶系。

#### 同素異形體

碳有很多的同素異形體。 最常見的是石墨，由碳以層狀結構排列而成。 另外一種碳的同素異形體是鑽石，不過它相對罕見。 無定形碳 是碳的第三種同素異形體，存在於煤煙中。 碳還有一種叫做富勒烯的同素異形體，由很多碳原子折成球體而成。第五種碳同素異形體於 2003 年被發現，它就是石墨烯，由一層碳原子以類似蜂窩的六邊形結構排列。

矽在常溫下有兩種同素異形體。 它們分別是無定形矽和晶體矽。無定形矽是一種棕色粉末。 晶體矽則是灰色的，具有金屬光澤。

錫有兩種同素異形體， α- 錫（又稱灰錫）和 β- 錫。 錫在常溫下是 β- 錫，一種銀色金屬。 不過，標準壓力下， β- 錫會轉變成 α- 錫，一種灰色粉末，在 13.2° 攝氏度 / 56° 華氏度以下時。 這使得寒冷下的錫會變成灰色粉末，也就是錫疫 。

### 化學性質

和其它族一樣，碳族元素也有有規律的電子排布，尤其是在價電子層，因此使它們化學行為的趨勢：

所有的碳族元素都有 4 顆價電子。此外，基態、電中性的碳族元素原子都有 s2 p2 的最外層電子排布。這些元素，尤其是碳和矽，有形成共價鍵的強烈趨勢來達到八個電子。這些元素中的鍵通常含有軌道雜化，其中沒有明顯的 s 和 p 軌道。對於 單鍵，一般的結構是四對 sp3 電子，儘管其它結構也存在，像是三對 sp2 電子，存在於石墨烯和石墨。雙鍵是碳的特徵 (乙烯， CO 
2...)，其中的 π 系統通常也一樣。隨著原子的尺寸增加，失去電子的趨勢也隨之增加，正如原子序數的增加一樣。碳可以形成陰離子，也就是碳化物 (C4−) 陰離子。矽和鍺都是類金屬，可以形成 +4 離子。錫和鉛都是金屬，都可以形成 +2 離子。儘管錫在化學上是一種金屬，但 α- 錫比起金屬，更像鍺，且是一種差的電導體。而鈇是一種人造的放射性元素，半衰期很短，只有 1.9 秒，儘管它很可能仍是一種貧金屬，但它卻反常地有著一些惰性氣體的特性。

碳可以跟濃硫酸、硝酸反應，被氧化成二氧化碳。不與鹽酸作用。

矽與氫氟酸反應。矽在銅催化劑下與鹽酸反應。

鍺不和稀鹽酸、稀硫酸反應，但能被濃硫酸、濃硝酸氧化。

錫和稀鹽酸、稀硫酸反應，生成低價錫（Ⅱ）的化合物；跟濃 H2SO4、濃 HNO3 反應生成高價錫（Ⅳ）的化合物。

鉛跟鹽酸、硫酸、硝酸都能反應被氧化成亞鉛離子。

碳族元素中跟鹼溶液反應的有矽和錫，它們既表現出金屬性又表現出非金屬性。碳族元素在加熱時都能跟氧反應，被氧化成二氧化碳、二氧化矽和氧化亞鉛等。碳族元素跟硫、氯共熱生成相應的高價氯化物和硫化物，鉛則生成鉛（Ⅱ）化合物。碳、矽跟金屬共熱生成碳化物和矽化物，錫、鉛與金屬形成合金。碳族元素都不能直接與氫化合，其氫化物是間接製得的。

#### 化合物

碳可和氫等元素形成極多種有機化合物。碳亦可以所有鹵素反應形成四鹵化物。碳可形成多種氧化物如：一氧化碳、二氧化三碳（C3O2）和二氧化碳。碳也會形成二硫化物和二硒化物。

矽可形成兩種氫化物：甲矽烷（SiH4）和乙矽烷（Si2H6）。矽和氟、氯、溴和碘形成四鹵化物。矽也形成二氧化矽和二硫化矽。

鍺可形成兩種氫化物：甲鍺烷（GeH4）和乙鍺烷（Ge2H6）。鍺和除了砈之外的所有鹵素形成四鹵化物和二鹵化物。鍺和除了釙之外的所有氧族元素形成二氧化物、二硫化物、二硒化物。

錫可形成兩種氫化物：甲錫烷（SnH4）和乙錫烷（Sn2H6）。錫和除了砈之外的所有鹵素形成四鹵化物和二鹵化物。

鉛可形成一種氫化物，即鉛烷（PbH4）。鉛和氟、氯形成四鹵化物及二鹵化物，也可形成四溴化鉛和二碘化鉛，但不穩定。鉛形成四種氧化物、一種硫化物、一種硒化物、及一種碲化物。

目前沒有已知的鈇化合物。理論上鈇的化學特性應與鉛相近，能形成 FlO、FlF2、FlCl2、FlBr2 和 FlI2。如果其高價態（Ⅳ）能夠進行化學反應，它將只能形成 FlO2 和 FlF4。它也有可能形成混合氧化物 Fl3O4，類似於 Pb3O4。而一些研究指出鈇的化學特性可能和惰性氣體氡更接近。

## 參考文獻
14族元素