碳和硅结构化学的比较.PDFVIP

第 20卷 　第 4 期 2005年 8月 碳和硅结构化学的比较 周公度 (北京大学化学与分子工程学院　北京 100871) 　　碳和硅是元素周期表第 14族的前两个元素 ,它们在化学中占有极其重要的地位 。碳统治 着有机化学 ,有机化合物的定义是一切含有 C—C键的化合物 。硅统治着无机化学 ,硅在地壳 中的含量按 40km 厚度的地壳计 ,约占地壳质量的 28% ,在地壳的所有元素中 ,硅仅次于氧而 居第二位 。硅和氧以及其他元素一起结合形成硅酸盐 ,硅酸盐化合物 占地壳质量的 80% 以 上 ,单是长石一类硅酸盐矿物就 占地壳质量的一半 。为什么这两个元素有如此独特的能力 ? 关键在于这两个元素的原子能各自形成独特的化学键 。 1　碳和硅化学键的比较 　　在基态时 ,碳和硅的电子组态分别为 : 2 2 2 2 　　　　C: [H e ]2 s 2p ; 　　Si: [N e ] 3 s 3p 表面上看 ,这两个元素有着非常相似的价层电子组态 ,但它们的成键性质并不相同。究其原因 是这两个元素有着下面的差异 : ( ) [ 1 ] 　　 1 原子的大小不同。若按屏蔽常数近似地估算原子中某一原子轨道的有效半径 r : 2 n 　　　　r = a0 Z 式中 n 是要计算的轨道的主量子数 , Z 是有效核电荷 ,它等于核电荷减去屏蔽常数 , a0 是 Bohr 半径值 ,它等于 52. 9pm 。 ( ) 　　按上式可算得 C原子基态时 2p 轨道的有效半径 r C 为 : 2p 2 2 　　　　r (C) = ×52. 9pm = 65pm 2p 6 - 2. 75 ( ) Si原子基态时 3p 轨道的有效半径 r Si 为 : 3p 2 3 　　　　r ( Si) = ×52. 9pm = 115pm 3p 14 - 9. 85 可见 Si原子的半径比 C大得多 。 ( ) 　　 2 原子的电负性不同。碳原子的电负性为 2. 54 ,是非金属元素 ; Si原子的电负性为 1. 92 ,处于金属和非金属的边界 ,显示出半导体的特性 。迄今单晶硅是最重要的半导体材料 。 ( ) 　　 3 价层空轨道不同。C 原子价层 2 s2p 中没有能级相近的 d轨道 ; Si原子价层 3 s3p 轨 道有电子占据外 ,还有能级相近的 3d空轨道可以参加成键作用 。