Elementos DEL Grupo DEL Carbono PDF

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ELEMENTOS DEL GRUPO DEL CARBONO. principales compuestos químicos. Uned...

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ELEMENTOS DEL GRUPO DEL CARBONO El grupo 14 del sistema periódico está compuesto por el carbono (C), el silicio (Si), el germanio (Ge), el estaño (Sn) y el plomo (Pb). En este grupo, encontramos dos de los elementos más importantes en la vida en la Tierra y la corteza terrestre, el carbono y el silicio. El último elemento del grupo, el ununquandio (Uuq) fue descubierto en 1999 y se obtuvo por primera vez bombardeando átomos de plutonio con iones de calcio. Esto produjo un único átomo de ununquandio 289, un isótopo con un tiempo de semidesintegración de 21 segundos. Su posición central hace que este grupo sea un grupo de transición en la Tabla Periódica, por lo que está compuesto de no metales, metaloides y metales. El carbono es un no metal, el silicio y el germanio son semimetales o metaloides y el estaño y el plomo presentan propiedades metálicas. 1. PROPIEDADES Y APLICACIONES DE LOS ELEMENTOS DEL GRUPO DEL CARBONO -

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La configuración electrónica de los elementos de este grupo es ns2 np2. Todos los elementos del este grupo presentan el estado de oxidación +4. El carbono y el silicio también pueden presentar estado de oxidación -4, como en el caso de los carburos metálicos que son compuestos covalentes. El estado de oxidación +2 lo presentan los elementos metálicos, estaño y plomo, estos cationes son solubles en agua. En los compuestos covalentes, encontramos átomos con hibridación sp3 de geometría tetraédrica. Sin embargo, todos los elementos del grupo, excepto el carbono, pueden formar seis enlaces cuando además de los orbitales s y p intervienen también dos orbitales d. CARBONO

El carbono es un elemento que se encuentra en una gran cantidad de compuestos. En forma libre se encuentra en diferentes formas alotrópicas, las cristalinas, grafito y diamante, y las amorfas, el carbón (en sus diferentes variedades) y por último, los fullerenos. En forma mineral se encuentra en los carbonatos (calcita, dolomita, etc.). El grafito y el diamante son dos de las formas alotrópicas cristalinas del carbono y son redes covalentes de átomos de carbono. Es interesante analizar esas dos formas alotrópicas cristalinas, el grafito y el diamante. Ambas están constituidas por átomos de carbono unidos por enlaces covalentes pero las redes cristalinas son diferentes. El grafito es un sólido blando, negro, conductor de la electricidad y con brillo metálico. Su estructura es laminar. Cada capa consiste en átomos de carbono con hibridación sp2 unidos entre sí cada átomo de carbono está unido a otros tres mediante enlaces tipo σ formando hexágonos con electrones π deslocalizados en cada capa. Cada una está unida a su vecina mediante fuerzas de van der Waals. Como este tipo de interacciones son débiles, las capas de grafito pueden deslizarse con facilidad unas sobre otras lo cual se traduce en sus propiedades lubricante

El diamante es el material natural que posee mayor dureza. Es un sólido incoloro, transparente y no conduce la electricidad. Su estructura es una red tridimensional en la que los átomos de carbono presentan una hibridación sp3 y cada átomo de carbono está unido a otros cuatro mediante enlaces σ. La estructura cristalina, está compuesta de tetraedros unidos por sus vértices y para moverse entre dos planos de la estructura se deben romper enlaces C–C y ello confiere al diamante su gran dureza. Los diamantes naturales se formaron en el interior de la Tierra hace millones de años en condiciones de alta presión y temperatura. El grafito es la forma más estable del carbono termodinámicamente. El grafito puede transformarse en diamante aplicando diversas técnicas siendo las más importantes la alta presión y temperatura (HPHT) y la deposición química en fase de vapor (CVD). El carbón es la forma alotrópica amorfa del carbono. Hay muchas variedades, por ejemplo, el negro de carbón o coque, que está compuesto por pequeños cristales de carbono, pero con estructura amorfa. Se produce al quemar gas natural o hidrocarburos procedentes del petróleo. La variedad más que contiene más cantidad de carbono amorfo es la antracita que contiene más de un 90% de carbono amorfo. En 1985, se descubrió una nueva forma alotrópica del carbono, el Buckminsterfullereno, fullereno o 60C que presenta una estructura simétrica en forma de balón de fútbol. Se trata de una estructura de anillos aromáticos fusionados (20 hexágonos y 12 pentágonos) en la que los átomos de carbono tienen hibridación sp2. La bola de 60C tiene un diámetro de 7 pm y puede contener metales en su interior y es muy estable, su temperatura de descomposición es 1650°C. Se ha encontrado 60C en el polvo interestelar y en algunas formaciones geológicas en la Tierra. Recientemente se han aislado estructuras con un número mayor de átomos de carbono entre las que podemos citar el 70C y 80C. El carbono tiene un isótopo muy importante y con muchos usos el 13C que se utiliza entre otras aplicaciones, en química orgánica, para marcar compuestos para su estudio a nivel molecular. También existe un isótopo radioactivo el 14C que se utiliza para calcular la edad de piezas arqueológicas. SILICIO El silicio es un no metal, es el segundo elemento más abundante en la Tierra después del oxígeno. Su principal compuesto es el dióxido de silicio (SiO2), que se encuentra abundantemente en la corteza terrestre. El silicio es un sólido gris, con lustre, duro y alto punto de fusión. Es relativamente inerte y solo reacciona con halógenos y bases diluidas. Se utiliza para la fabricación de dispositivos electrónicos debido a su carácter semiconductor. Su estructura cristalina es cúbica, centrada en las caras, y compuesta por tetraedros unidos por sus vértices en la que los átomos de silicio tienen hibridación sp3 similar a la del diamante. El carbono y el silicio son no metales, pero su manera de formar enlaces es diferente. El carbono se encuentra en diferentes estados de hibridación sp3 , sp2 o sp y ello da lugar a enlaces sencillos o múltiples, dobles o triples con otro átomo de carbono o con otros átomos como el nitrógeno, el oxígeno, el azufre o el fósforo, sin embargo, el silicio forma enlaces sencillos con otro átomo de silicio o bien con los de otros elementos, ello es debido al mayor tamaño del átomo de silicio. El silicio tiene varios isótopos, con masas desde 22 a 44. El 28Si es el más abundante (92, 23%), y después el 29 Si (4,67%), y el 30Si (3,1%), los tres son estables. Por último, el 32Si es radioactivo. GERMANIO El germanio es un semimetal de color gris blanquecino, duro, y semiconductor que se utiliza en la fabricación de transistores y chips. Presenta propiedades intermedias entre las de un no metal y un metal de su grupo. Su estructura cristalina es como la del diamante, es estable al aire y al agua y no reacciona con bases ni con ácidos, excepto con el ácido nítrico. ESTAÑO

El estaño es un metal plateado, blando, de propiedades similares a sus vecinos de grupo, el germanio y el plomo. Es estable al aire y por ello se utiliza para recubrir otros metales para evitar su oxidación, conduce la electricidad a temperatura ambiente, aunque se vuelve menos conductor a temperaturas más altas. El estaño tiene a temperatura ambiente dos formas alotrópicas, la α, estaño blanco y la β, el estaño gris. El estaño blanco tiene una temperatura de transición a 13 °C, en la que se convierte en estaño gris, que tiene propiedades semiconductoras y una estructura cristalina tipo diamante. El proceso de transición es lento salvo cuando tiene lugar en un hilo de estaño, en el que el estaño gris comienza a cristalizar en puntos aislados que aceleran la transformación (sembrado de cristales). Este fenómeno se conoce como la peste del estaño. PLOMO El plomo es un metal pesado de color azulado, que en contacto con el aire se empaña y toma un color grisáceo. Es flexible, inelástico y funde con facilidad. Es relativamente resistente al ataque de los ácidos salvo con el ácido nítrico en el que se disuelve con lentitud. El plomo forma muchas sales, óxidos y compuestos organometálicos 2. REACCIONES Y COMPUESTOS En general, los elementos de este grupo son bastante inertes, sobre todo si se encuentran en sus formas cristalinas. Se oxidan al aire a temperaturas altas y por ello los compuestos más importantes son los óxidos EL CARBONO Y SUS COMPUESTOS HIDRUROS Los hidruros son compuestos con enlaces covalentes C-H y que constituyen la familia de los hidrocarburos. La polarización del enlace C–H es bastante baja, ya que la diferencia en electronegatividad del carbono y el hidrógeno es pequeña. (2.5 vs 2.1) por lo que el enlace es muy estable. Sin embargo, a pesar de que la diferencia de electronegatividad entre el hidrógeno y los demás elementos del grupo es similar, a medida que se baja en el grupo, aumenta el tamaño de los átomos y en consecuencia la longitud de enlace, y los enlaces son más débiles. Por ello los hidruros de carbono son muy estables mientras que los del Si, Ge, Sn y Pb presentan menor estabilidad y en consecuencia mayor reactividad. HALUROS El carbono reacciona con los halógenos mediante una reacción térmica para formar tetrahalogenuros de carbono CX4 (X=F, Cl, Br, I) C + 2X2 →CX4 La estabilidad de los haluros del carbono desciende al bajar en el grupo, el más estable es el CF 4 y el más inestable el CCI4. Esto es debido a que la energía del enlace C–X, disminuye debido a la disminución de la diferencia de electronegatividad entre el átomo de carbono y los hálogenos así como al aumento de la longitud del enlace. El compuesto más importante es el tetracloruro de carbono (CCl 4), que es un líquido que reacciona con metales alcalinos o con agentes reductores (Al, Ba, Be y Zn). A pesar de su alta toxicidad (es un agente carcinógeno) se usa como disolvente en reacciones fotoquímicas debido a su facilidad para transferir un radical Cl a otra molécula. Una familia importante de haluros orgánicos es la de los fluorocarbonos y clorocarbonos, que son compuestos orgánicos que contienen carbono, flúor y cloro. CARBUROS

Los compuestos binarios del carbono con elementos de electronegatividad inferior a la del carbono se denominan carburos. Hay tres tipos: los iónicos, los intersticiales y los covalentes. Los iónicos se subdividen a su vez en, metanuros que contienen el ión C4 -, llamados así porque su hidrólisis produce metano, y los acetiluros que contienen el ión C2-2. El más importante es el carburo cálcico (CaC2) que se utiliza en la obtención del etino o acetileno ÓXIDOS, HIDRÓXIDOS Y ÁCIDOS Los compuestos más importantes del carbono que contienen oxígeno son, el monóxido de carbono (CO), el dióxido de carbono CO2, el subóxido de carbono C 3O2, el ácido carbónico (H 2CO3) y los carbonatos (CO3-2). Tanto el CO como el CO3 son dos gases muy importantes en la atmósfera terrestre y forman parte del ciclo del carbono. El CO se produce por combustión incompleta del carbono con oxígeno. C + ½O2 ↔ CO

ΔH = +111 kJ/mol

El CO es un gas incoloro, soluble en agua y un potente agente reductor. Es un gas tóxico puesto que compleja fuertemente la hemoglobina de los glóbulos rojos de la sangre impidiendo que se transporte el oxígeno. Su combustión produce CO2 y una llama azul. CO + ½O2 → CO2

ΔH = -283 kJ/mol

El carbono tiene cuatro electrones de valencia y el oxígeno tiene 6, de modo que existen orbitales s y p libres para formar enlaces. Se forman por tanto un enlace σ y dos enlaces π, lo cual indica que el enlace CO tiene un carácter de triple enlace parcial. Además, tiene un momento dipolar pequeño siendo su longitud de 1.12 Å. Su estructura se puede representar con sus tres formas resonante

El CO es también una base de Lewis débil puesto que posee dos pares de electrones libres y por ello forma complejos con metales. El CO se obtiene a nivel industrial a partir del gas natural o metano y de otros hidrocarburos superiores del petróleo, por reacción con vapor de agua u oxidación parcial. CH4 + H2O → CO + 3H2

2CH4 + O2 → 2CO + 4H2

El producto de estas reacciones es una mezcla de CO e hidrógeno, que se denomina gas de síntesis y se utiliza para otros procesos industriales. El dióxido de carbono también se obtiene por combustión del carbono, pero cuando la combustión se produce por debajo de los 700 °C Es un gas incoloro más denso que el aire y solidifica a –78 °C (nieve carbónica), soluble en agua sólo si se mantiene la presión de gas sobre el agua, y en caso contrario pasa al aire (las burbujas de CO2 de los refrescos). El CO2 reacciona con el agua y forma el ácido carbónico, que es un ácido diprótico, libera H3O+, y el agua pasa a tener un pH ligeramente ácido de 5,5. El carbono en el CO 2 tiene una hibridación sp y forma dos enlaces σ con cada oxígeno y otros dos enlaces π se forman con los orbitales p del carbono y del oxígeno. Es una molécula linear, simétrica y de momento dipolar nulo El CO2 se encuentra en el aire y es muy importante para la vida en la tierra. Las plantas lo utilizan en la fotosíntesis para fabricar hidratos de carbono y es un producto de la respiración de las mismas. Es un gas que forma parte del aire que respiramos, pero la actividad industrial y humana mediante la combustión de combustibles fósiles ha elevado la concentración del mismo en la atmósfera terrestre. En la troposfera hay gases que se denominan de invernadero porque cuando la luz solar penetra en la misma, parte de ella se convierte en calor, lo cual hace que nuestro Planeta se mantenga a la temperatura adecuada para que pueda desarrollarse la vida. Este proceso se llama efecto invernadero. El CO 2, el H2 y el CH4 son gases de invernadero.

El aumento de la cantidad de emisiones de CO2 ha provocado un calentamiento excesivo de la Tierra que es el responsable de los cambios en el clima que pueden llegar a ser extremos y disturbar la vida en la Tierra tal y como se conoce. Un ejemplo obvio del calentamiento global es el deshielo de los polos, que es algo que por desgracia está ya ocurriendo. El subóxido de carbono C3O2 se obtiene por deshidratación el ácido malónico con P 4O10. Este compuesto es inestable y polimeriza a temperatura ambiente

El ácido carbónico, que es un ácido diprótico, se forma por reacción del CO 2 con agua. Este sufre dos disociaciones para dar los aniones bicarbonato (HCO3- ) y carbonato (CO3-2) CO2 + H2O → H2CO3 H2CO3 + H2O ↔ HCO3- + H3OHCO- + H2O ↔CO3- + H3OLos carbonatos se encuentran en la naturaleza en forma de calcita (CaCO3) o piedra caliza, la dolomita (carbonato de magnesio y calcio) o la siderita (carbonato de hierro). A nivel industrial el carbonato de calcio se produce burbujeando CO2 en una disolución de hidróxido de calcio. Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O EL SILICIO Y SUS COMPUESTOS HIDRUROS El silicio forma compuestos con el hidrógeno, siendo el más sencillo el SiH 4 o silano que es un gas a temperatura ambiente. Por encima de 420 °C descompone formando silicio e hidrógeno, por lo que se usa para la deposición de silicio en superficies. Es difícil aislarlo porque polimeriza, sobre todo cuando hay impurezas en el proceso de producción. El enlace Si–H es también mucho más polarizable que el C–H por lo que el silano reacciona con el agua. La energía del enlace Si-Si (217 kJ·mol–1) es menor que la del C–C (348 kJ·mol–1), con lo cual la tendencia a formar cadenas es también mucho menor. Aun así, hay polisilanos, como el disilano, S2H6 o el trisilano S3H8. También forma polímeros con la fórmula general (SiH)n y (SiH2)n y silanos cíclicos. A nivel industrial el silano se obtiene por reacción con el silicio en dos pasos. En el primero el silicio en polvo reacciona con ácido clorhídrico a 300 °C para producir triclorosilano que en presencia de un catalizador da silano y tetracloruro de silicio. Si + 3HCl → HSiCl3 + H2 HALUROS

4HSiCl3 → SiH4 + 3SiCl4

El silicio forma también compuestos con los halógenos. Los halogenuros de silicio se hidrolizan fácilmente para dar ácido silícico y HX (F, Cl, Br, I). Cl4Si + 4H2O → H4SiO4 + HCl ÓXIDOS Y SILICATOS Los compuestos del silicio con el oxígeno son los más importantes debido a su gran abundancia en la corteza terrestre. El compuesto principal es el dióxido de silicio (SiO 2) o sílice, que se encuentra en la naturaleza como arena, cuarzo y en la pared de las células de diatomeas.

Estructuralmente, la sílice es muy diferente del CO2, que es una molécula plana. Su estructura es una red tridimensional covalente en la que cada átomo de silicio está unido a cuatro átomos de oxígeno formando un tetraedro, que a su vez están unidos a otros átomos de silicio. El cuarzo está formado por una red continua de tetraedros en los que cada átomo de oxígeno está compartido por dos tetraedros. Tiene varias formas alotrópicas, que consisten en la diferente ordenación espacial de los tetraedros de [SiO4]-4. El cuarzo α, el β, la tridimita α y β y la cristobalita α y β que en sus formas naturales se han formado en condiciones de temperatura elevada. A altas presiones se forman otros minerales. La forma termodinámicamente más estable a temperatura ambiente del SiO2 es el cuarzo α En la naturaleza, el cuarzo puede presentar coloración en presencia de impurezas metálicas (amatista, cuarzo rosa, citrina). El cuarzo funde a 1.610 °C y forma un fluido viscoso que cuando solidifica forma el vidrio de cuarzo, utilizado para la fabricación de componentes ópticos porque no absorbe la radiación ultravioleta. El SiO2 es muy poco soluble y es bastante inerte, a temperatura ambiente, las bases lo atacan lentamente y sólo reacciona con hipoclorito sódico (NaClO3) y ácido fluorhídrico (HF). Con disoluciones calientes de hidróxidos alcalinos o por fusión con carbonatos de metales alcalinos forma silicatos solubles. Por último, se debe mencionar que cuando se pasa una corriente de agua sobre el SiO 2 a 800 °C se forma Si(OH)4 que es inestable y polimeriza formando lo que se conoce como gel de sílice, que se utiliza como desecante y en cromatografía como fase estacionaria de columnas de separación. Los silicatos son compuestos de silicio y oxígeno con diferentes metales. Se pueden considerar sales del ácido silícico (H4SiO4) es un compuesto inestable. Los silicatos son los compuestos más abundantes en la corteza terrestre (95%) y por ejemplo, la arcilla es un agregado de silicatos de aluminio hidratado que se conoce desde tiempos ancestrales. El vidrio común se obtiene por reacción de la sílice con óxido cálcico y carbonato de sodio, y no es más que un silicato polimérico con una red de enlaces Si–O. Cuando se añade ácido bórico obtenemos vidrio de borosilicato, que es muy resistente al calor y a los compuestos químico y se usa en la fabricación de material de laboratorio. SILICONA La silicona es un polímero incoloro, viscoso e inerte que está formado por cadenas de Si, O y C. Se obtiene mediante hidrólisis de los alquilhalogenuros de silicio (R3XSi, R2X2Si, RX3Si). COMPUESTOS DE GERMANIO, PLOMO Y ESTAÑO HIDRUROS La estabilidad de los hidruros del grupo 14 disminuye al bajar en el grupo. El Ge puede presentar hidruros en estados de oxidación +2 y +4, ambos inestables y muy inflamables. Sus propiedades con similares a las del hidruro de silicio. El estaño y el plomo también presentan estados de oxidación 2+ y 4+. Los hidruros de estaño y plomo son volátiles y pirofóricos. El de estaño o estamnato descompone lentamente a temperatura ambiente para dar estaño metálico e hidrógeno. HALUROS El germanio, estaño y plomo forman compuestos con los halógenos con número de oxidación +2 y +4. El cloruro de germanio (II) GeCl 2 se produce pasando GeCl4, sobre Ge metal a 650 °C. Los haluros de germanio (II) en general polimerizan y forman compuestos (GeX2)n. El estaño y el plomo forman también compuestos con número de oxidación +2 y +4. El fluoruro de estaño (II), SnF2, es un sólido incoloro, ingrediente habitual de los dentríficos, como fuente de flúor. Se prepara disolviendo SnO en ácido fluorhídrico. SnO + HF → SnF2 + H2O

El tetrafluoruro de estaño SnF4 es un sólido blanco de punto de fusión alto (700 °C). Se prepara por reacción de estaño con flúor o por reacción del tetracloruro de estaño (IV) Sn + 2F2

→ SnF4

SnCl4 + 4hf → SnF4 4HCl

El cloruro de estaño (II), SnCl2, y el cloruro de estaño (IV), SnCl4 se prepa...