化学自习室移动版

碳、硅同处于周期表的IVA族，原子结构相似，故其单质及化合物在物理、化学性质方面有很多相似之处。

比如，其单质均可形成微观四面体结构(金刚石与晶体硅)；其简单氢化物分子均为正四面体型结构；最高价氧化物的水化物均为弱酸等。

但是应该注意到，碳与硅在原子结构方面也有不同点。比如，它们的原子半径不同、碳原子最外层不存在d轨道而硅原子最外层则有3d轨道。

这些结构差异导致两种元素的单质及某些化合物结构与性质上的差异。

比如，碳的单质除金刚石外，还有层状结构的石墨——同一层内碳原子间彼此结合形成一个个平面正六边形，这是由于碳的原子半径不大，平面内相邻原子间距离小，故各碳原子未杂化的2P轨道可以彼此重叠，形成“超大规模的离域π键”，这些离域电子使得石墨具有很强的导电性。

而硅则由于原子半径过大，假如形成平面结构，相邻原子间距离过大，彼此间的3p轨道难以重叠形成稳定的离域π键，所以硅的单质很难形成类似于石墨的层状晶体结构。

再比如，CO₂为气态，而SiO₂则为坚硬的固态。

CO₂常温下呈气态，缘于CO₂形成的是小分子。

在CO₂分子中，碳原子首先以sp杂化轨道与氧原子形成σ键后，碳、氧原子未杂化的P轨道间还可以从侧面发生电子云重叠形成稳定的π键，这样构成了稳定的CO₂小分子。

CO₂分子间作用力弱，所以常温下呈气态。

而在硅的氧化物中，由于硅原子半径太大，硅原子跟氧原子间距离相对较远，硅的3p轨道很难跟氧原子的2p轨道发生有效重叠形成稳定的π键。

于是Si原子只好发生sp³杂化，用4个杂化轨道分别通过σ键结合氧原子(而每个氧原子则结合2个硅原子)，形成微观正四面体结构，这种结构向空间伸展开来，构成了空间网状结构的原子晶体，形成熔沸点非常高的晶体。

可以反过来设想，CO₂能不能形成类似于SiO₂的具有微观四面体结构的原子晶体呢？如果制得了原子晶体的CO₂，其性质将是怎样的呢？

这个问题科学家早就想到了，而且不断有人尝试运用高压条件合成具有空间网状结构的原子晶体CO₂。

可以设想，如果制得这样的具体，它的硬度将比SiO₂(石英晶体)高很多，因为碳的原子半径比硅小得多，C－O键的键能比Si－O键要大得多。