Carbono:Constituye el 0.09% en masa de la corteza

Tema 6. Carbono, silicio y boro. Propiedades generales. Formas alotrópicas del carbono. Óxidos y oxoácidos del carbono y silicio. Silicatos. Boro y sus combinaciones más importantes: hidruros, haluros, óxidos oxiácidos. Aluminio y sus combinaciones

Carbono:Constituye el 0.09% en masa de la corteza terrestre, pero es unelemento esencial para la materia viviente.•Se encuentra libre en forma dediamantey grafito (También como C60)

Tema 6. carbono y silicio 1

�También se presenta en el gas natural, en el petróleo y en el carbón.

�Combinado con el oxígeno forma dióxido de carbono en la atmósfera y carbonatos como en la piedra caliza en la superficie terrestre.


Los otros elementos del mismogrupo

El diamante y el grafito son alótropos delcarbono.

•El grafito es la forma estable a 25°C y 1 atm,pero la velocidad del proceso espontáneo esextremadamente pequeña. Pueden pasar cientosde años antes de que un diamante se convierta engrafito

C(diamante) C(grafito) ∆∆∆∆H = -2.87kJ


El diamante sintético se puede preparar apartir de grafito aplicando presiones ytemperaturas muy altas.

Son útiles como abrasivos y para cortarel concreto y muchas otras sustanciasduras, inclusive los metales y susaleaciones.

•El carbono se combina con el hidrógeno para formar un gran número de compuestos denominados hidrocarburos .

Carburos y cianuros . El carbono se combina con losmetales para formar numerosos compuestos iónicosdenominados carburos, en los cuales el carbono estáen forma de iones C2

-2 o C4- . El CaC2 y Be2Cconstituyen dos ejemplos.

•Estos iones son bases fuertes de Brönsted yreaccionan con el agua.


reaccionan con el agua.

C2-2(ac) +4H2O(l) 2OH (ac) + C2H2(g)

C4- (ac) + 4H2O(l) 4OH (ac) + CH4g)

•El carbono también forma compuestos covalentes con el silicio. Elcarburo de silicio, SiC, se llama carborundum.

SiO2(s) + 3C(s) SiC(s) + 2CO(g)

•También se forma por calentamiento del silicio en presencia decarbono a 1500°C. El carborundum es casi tan duro como el diamante ytiene estructura de diamante. Se usa sobre todo para cortar, moler ypulir metales y vidrios.

•Los cianuros constituyen otra importante clase de compuestos delcarbono, que contienen el grupo aniónico: CN-.

•Los iones cianuro son demasiado tóxicos porque se enlazan casiirreversiblemente al ion Fe(III) de la citocromooxidasa, una enzima


irreversiblemente al ion Fe(III) de la citocromooxidasa, una enzimaclave en procesos metabólicos.

•El cianuro de hidrógeno, que tiene el aroma de las almendrasamargas, es aun más peligroso por su volatilidad (p. eb. 26°C). Unascuantas ppm en volumen de HCN en aire pueden provocar la muerte enminutos.

•El cianuro de hidrógeno se prepara tratando cianuro de sodio o depotasio con ácido:

NaCN(s) + HCl(ac) NaCl(ac) + HCN(ac)

•El HCN (llamado ácido cinahídrico, cuando está en disolución) es unácido muy débil (Ka = 4.9 x 10-10), y se desprende de la disolución comocianuro de hidrógeno gaseoso.

•Por esta razón, nunca se deben mezclar ácidos con cianuros metálicosen el laboratorio sin la ventilación pertinente.

•Los iones cianuro se usan para extraer el oro y la plata de sus menas.

•En un proceso común, la mena pulverizada se trata con una disolución


•En un proceso común, la mena pulverizada se trata con una disoluciónacuosa de un cianuro en presencia de aire para disolver el oro por laformación del ion complejo soluble [Au(CN)2]

-:

4Au(s) + 8CN-(ac) + O2(g) + 2H2O(l) 4[Au(CN)2]-(ac) + 4OH-(ac)

•El ion complejo [Au(CN)2]- se separa por filtración y se trata con un metal

electropositivo como el zinc para recuperar oro:

Zn(s) + 2[Au(CN)2]-(ac) [Zn(CN)4]2-(ac) + 2Au(s)

Óxidos de carbono.•Los más importantes son el monóxido, CO, y el dióxido de carbono, CO2.

•El monóxido de carbono es un gas incoloro e inodoro que se forma por lacombustión incompleta del carbón o de los compuestos Que contienencarbono:

2C(s) + O2(g) 2CO(g)

•El monóxido de carbono arde con facilidad en oxígeno para formar el dióxido:

2CO(g) + O(g) 2CO (g) ∆H = -566 kJ


2CO(g) + O2(g) 2CO2(g) ∆H = -566 kJ

•El monóxido de carbono no es un óxido ácido y es poco soluble en agua.

•A pesar de que el CO es relativamente inerte, es un gas muy venenoso. La afinidad de la hemoglobina por el CO es unas 200 veces mayor que la del O2.

Datos de enlace en CO y CO2

d(C-O) Å EE(C-O) kJ mol-1 ángulo O-C-OCO 1.123 1070 -CO2 1.163 531.4 180

•El dióxido de carbono se produce cuando se quema en unexceso de oxígeno cualquier tipo de carbón o de compuestos quecontengan carbono.

•Muchos carbonatos desprenden CO2 cuando se calientan ytodos desprenden CO2 cuando se tratan con ácido:

CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)CaCO3(s) + 2HCl(ac) CaCl2(ac) + H2O(l) + CO2(g)

•El dióxido de carbono también es un subproducto de la fermentación del azúcar y un producto final en el metabolismo animal:


un producto final en el metabolismo animal:C6H12O6(ac) Glucosa 2C2H5OH(ac) Etanol + 2CO2(g)

C6H12O6(ac) + 6O2(g) 6CO2(g) + 6H2O(l)

•El dióxido de carbono es un gas incoloro e inodoro. A diferencia del monóxidode carbono, el CO2 es inocuo.

• El dióxido de carbono se usa en las bebidas, en los extintores de fuego y en lamanufactura de la “levadura” para cocinar, NaHCO3, y en lasosa solvay, Na2CO3.

•El dióxido de carbono sólido, llamadohielo secose usa como refrigerante.

• El hielo seco también se usa en la "siembra" denubes para inducir la lluvia.

•El dióxido de carbono es soluble en agua y decarácter ácido

Ácido carbónico y carbonatospH< 8 CO2 + H2O CO2(ac) H2CO3 (lento)


d(C-O)= 1.29 Å, entre unenlaces sencillo (1.34Å) y unodoble (1.20Å). Orden deenlace 1 1/3

H2CO3 + OH- HCO3- + H2O (rápido)

pH>10 CO2 + OH- HCO3- (lento)

HCO3- + OH- CO3

2- + H2O (rápido)

Procesos de ionización:

H2CO3 + H2O H3O+ + HCO3

- pKa1= 6.37

HCO3- + H2O H3O

+ + CO3-2 pKa2= 10.33

El ciclo del carbono.

•La transferencia de dióxido decarbono de y hacia la atmósfera esuna parte esencial del ciclo decarbono, que empieza con el procesode fotosíntesis conducido por lasplantas y ciertos microorganismos:


6CO2 + 6H2O C6H12O6 ∆H = 2862 kJ

Los animales consumen carbohidratos y otras moléculascomplejas que contienen carbono, y al respirar emitenCO2.

El silicio puro tiene la estructuradel diamante.

•No se conoce silicio análogo delgrafito.

•Se puede obtener por reducciónde SiO2 con carbón


SiO2(s)+2C(s) Si(s) + 2CO(g)

•El silicio ultrapuro se prepara por la técnica de refinación por zonas; se usaen la electrónica de estado sólido.

Silanos. El silicio forma una serie de hidruros covalentes denominados silanos, que tienen la fórmula general SinH2n+ 2(SiH4, Si2H6, Si3H8, Si4H10).

•Son gases a temperatura ambiente. Químicamente, sonmucho más reactivos que sus análogos de carbono:

SiH4(g) + 2O2(g) SiO2(s) + 2H2O(l)

•Los silanos se comportan más como hidruros metálicosque como hidrocarburos. En presencia de un catalizadoralcalino,reducenel aguaahidrógeno:


alcalino,reducenel aguaahidrógeno:

SiH4(ac) + 2H2O(l) SiO2(s) + 4H2(g)

•Sólo se han preparado unos cuantos compuestos que contienen los enlacesSi=Si y Si=C.

•El radio atómico de Si (132 pm) es mucho mayor que el del C (91 pm); enconsecuencia, el orbital3p de un átomo de Si no puede solaparse eficazmentecon un orbitalp de un átomo vecino (como el Si, C u O) para formar un enlaceΠ.

•El mayor tamaño del Si también explica la diferencia entre el CO2 y SiO2.

•El CO2, es una especie molecular cuya estructura de Lewis es: O=C=O.

En vez de ello, la estructura de SiO2 es unared tridimensional gigante constituida porátomos de Si enlazados tetraédricamente acuatro átomos de O.

•La sílice se disuelve lentamente endisoluciones alcalinas fuertes,

SiO (s) + 2OH-(ac) SiO -2(ac) + H O(l)


SiO2(s) + 2OH-(ac) SiO3-2(ac) + H2O(l)

•Las disoluciones de NaOH o KOH debenguardarse en recipientes de polietileno y no enbotellas de vidrio.

Polimorfismo del SiO 2


Silicatos•Casi el 90% de la corteza terrestre consta de silicatos, que son grupos de aniones constituidos por átomos de Si y O.

•La unidad básica consta de un átomo Si enlazado tetraédricamente a cuatro átomos de O.

En silicatos superiores, estas unidades seunen por compartimiento de un átomo de Oentre dos átomos de Si.


Estructuras básicas de los silicatos


•En vista de que el silicio es unas 146 veces más abundante queel carbono ycomparte con él propiedades, los científicos se preguntan por qué no juega unpapel más significativo en la determinación de la química delas formasvivientes.

•La poca estabilidad de muchos de los compuestos del silicioproviene de ladebilidad del enlace Si-Si, unos 222 J/mol, en comparación con la fuerza delenlace C-C. que es de casi 346 J/mol.


•El boro elemental, una sustancia cristalinatransparente, casi tan dura como el diamante, tienepropiedades semimetálicas, se le clasifica como metaloide.

•Es un elemento raro que constituye menos del 0.0003% de la corteza terrestre en masa.

•El boro puro no se encuentra en la naturaleza; existe en forma de compuestos oxigenados.

Algunosdeestoscompuestossonel bórax,Na B O .10H O; el ácidoortobórico,

Boro


Algunosdeestoscompuestossonel bórax,Na2B4O7 .10H2O; el ácidoortobórico,H3BO3; y la kernita, Na2B4O7 .4H2O.

El Boro se puede preparar por reducción del óxido de boro con polvo de magnesio:

B2O3(s) + 3Mg(s) 2B(s) + 3MgO(s)Compuestos de Boro•Los compuestos binarios formados por boro e hidrógeno se denominan boranos.

•Existen numerosos boranos, el más simple e importante es el diborano, B2H4.

•Como la configuración electrónica del boro es 1s22pl, hay un total de 12 electrones de valencia en el diborano (3 de cada átomo de boro y 6 de los átomos


B B

H

HH

H

H

H

electrones de valencia en el diborano (3 de cada átomo de boro y 6 de los átomos de hidrógeno). Esto significa que es imposible representar al diborano como:

H

B

•Se supone que cada átomo de B está en hibridación sp3.

•Cuatro átomos de hidrógeno están enlazados a los boros por enlaces sigma.

•Los otros dos se mantienen unidos por orbitales moleculares tritentricos.

•Los enlaces tricéntricos se extiende dos átomos de boro y otro de hidrógeno.


H

B B

B

H

H

B B

B

• El enlace tricéntrico no sólo se presenta en el diborano. También en otro boranos superiores, como el B5H9 y B6H10 donde se encuentran átomos de hidrógeno formando puentes.

(BF3, BCl3, BBr3 y BI3) Constituyen otrointeresante: grupo de compuestos. Como tienenestructura plana, se supone que la hibridación delboroessp2

Los halogenuros de boro


boroessp

El orbital 2p, no hibridizado está vacío y puedeaceptar un par de electrones de otra molécula paraformar un compuesto de adición. Esta, es unareacción tipo ácido /base de Lewis.

BF3 + NH3 F3B NH3

Oxidos

•El único óxido importante del boro es el trióxido, B2O3.

•Se prepara por calentamiento del ácido bórico y se usa en la preparación delboro, material de vidrio térmicamente resistente y en componentes electrónicos.

•Como la mayoría de los óxidos no metálicos, es un óxido ácido.

El ácido bórico, al que sueleescribírsele como H BO , es

B2O3(s) + 3H2O(l) 2B(OH)3(ac)


escribírsele como H3BO3, esmoderadamente soluble enagua.

•Es un ácido monoprótico muydébil.

•Se comporta como ácido deLewis al aceptar un par deelectrones de un ion hidróxido:

B(OH)3(ac) + H2O(l) B(OH) 4-1 (ac) + H+(ac) Ka=7.3x 10-10

Su debilidad como ácido y sus propiedades antisépticas, hacen del ácido bórico una sustancia idónea para lavado de ojos.

En forma industrial, el ácido bórico se usa para hacer vidrio térmicamente resistente, llamado vidrio borosilicato.

El boro ejemplifica las relaciones diagonales que se dan entre los elementos de la tabla periódica.

La química del boro se parece a la del silicio en varios aspectos:


aspectos:

•Los óxidos B2O3 y SiO2 son ácidos; forman los oxoácidos H3BO3 y H2SiO3.

•Forman una serie de hidruros complejos.

•Forman boruros y siliciuros metálicos, que reaccionan con ácido clorhídrico para formar hidruros de boro y silicio respectivamente.

•El boro y el silicio forman materiales vítreos similares.

Tipos de vidrioTipos de vidrio


Aluminio•El aluminio es el metal más abundante, y por ello ocupa el tercer lugar como elemento de la corteza terrestre (7.5% en masa).

• No se encuentra en forma elemental en la naturaleza; su mineral principales la bauxita (A12O3.2H2O). La ortoclasa (KAlSi3O2), el berilio(Be3A12Si6O18), la criolita (Na3AlF6) y el corindón (A12O3) son otros


(Be3A12Si6O18), la criolita (Na3AlF6) y el corindón (A12O3) son otrosminerales que contienen aluminio.

• El aluminio se prepara a partir de bauxita, la cual suele estar contaminadacon sílice (SiO2), óxidos de hierro y óxido de titanio(IV). Primero seconvierte la sílice en silicatos solubles:

SiO2(s) + 2OH-(ac) SiO3-2(ac) + H2O(l)

Y el óxido de aluminio se convierte en ion aluminato (AlO2-):

Al2O3(s) + 2OH-(ac) 2AlO2-(ac) + H2O(l)

Este tratamiento no afecta a los óxidos de hierro y titanio que se filtran.

A continuación, la disolución se trata con ácido para precipitar el hidróxido de aluminio insoluble:

AlO2 -(ac) + H3O

+(ac) Al(OH)3(s)

Después de la filtración, el hidróxido de aluminio se calienta para obtener el óxido:

2Al(OH)3(s) Al2O3 (s) + 3H2O(g)


El óxido de aluminio anhidro(Al2O3), o corindón, se reduce a aluminiopor el proceso Hal-Heroult.

La clave del proceso Hall-Heroult estriba en el uso de la criolita,Na3AlF6 (p.f. 1000°C), como disolvente del óxido de aluminio (p.f. 2045°C).La mezcla se electroliza para producir aluminio y oxígeno gaseoso:

El oxígeno gaseoso reacciona con losánodos de carbón para formar CO.

•El aluminio metálico líquido (p.f. 660.2°C)cae hacia el fondo del recipiente, el cual sepuede drenar de cuando en cuando duranteel proceso.

•El aluminio tiene baja densidad (2.7 g/cm3)y alta resistencia a la tensión.


•El aluminio es maleable, puede formarhojas muy delgadas, y es un excelenteconductor eléctrico.

•Su conductividad es más o menos del 65%respecto de la del cobre. Sin embargo,como es más barato y más ligero que elcobre, se usa en las líneas de transmisiónde alto voltaje.

Ánodo (oxidación):3x [ 2O2- O2(g) + 4e]

Cátodo (reducción): 4x [Al3+ + 3e- 4Al(l) ]

Global:2Al2O3 4Al(l) + 3O2(g)

•Sus propiedades mecánicas se mejoran de manera considerable aleándolo con pequeñas cantidades de metales como el cobre, el magnesio y el manganeso, o bien con silicio. Reactividad

•A pesar de que el aluminio se considera un metal activo, no reacciona con el agua como lo hacen el sodio y el magnesio. El aluminio reacciona con ácido clorhídrico y con bases fuertes:

2Al(s) + 6HCl(ac) 2AlCl3(ac) + 3H2(g)

2Al(s) + 2NaOH(ac) + 2H2O(l) 2NaAlO2(ac) + 3H2(g)


•El aluminio forma rápidamente el óxido A12O3 cuando se expone al aire originando una película fuertemente adherida que protege al aluminio de la corrosión:

4Al(s) + 3O2(g) 2Al2O3(s) (∆Hf = -670 kJ/mol).

•El óxido de aluminio tiene una entalpía de formación exotérmica muy grande

•Esta propiedad confiere utilidad al aluminio como combustible

•La gran afinidad del aluminio y el oxígeno se muestra en la reacción del polvo de aluminio con varios óxidos metálicos, en particular los óxidos de los metales de transición, para producir los correspondientes metales. Aluminotermias

2Al(s) + Fe2O3(s) Al2O3(l) +2Fe(l) ∆H = -852 kJ

Halogenuros

•Al contrario que los derivados del Boro el cloruro de aluminio existe como dímero


•El cloruro de aluminio se hidroliza de la siguiente manera:

AlCl3(s) + 3H2O(l) Al(OH)3(s) + 3HCl(ac)

• El hidróxido de aluminio es un hidróxido anfótero:

Al(OH)3(s) + 3H+(ac) Al3+(ac) + 3H2O(l)

Al(OH)3(s) + OH- (ac) Al (OH)4- (ac)

•El hidruro de aluminio. [AlH3]n es una sustancia polimérica en la que cada átomo de aluminio está rodeado octaédricamente por puentes de hidrógeno


Cuando se evapora lentamente una mezcla de sulfato de aluminio y sulfato de potasio, se forman cristales de KAl(SO4)2 .12H2O.

Que forma parte de una familia llamadaalumbresde fórmula general:

M+M 3+(SO4)2 .12H2O M+: K+, Na+, NH4+; M3+: Al3+, Cr3+, Fe3+

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Carbono:Constituye el 0.09% en masa de la corteza