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GRUPO 14Carbono, Silicio, Germanio, Estaño,
Plomo
Grupo 14 en la corteza terrestreEn cuanto a la composición en peso de la
corteza terrestre, el silicio ocupa el segundo lugar en abundancia, siendo aventajado, solo por el oxígeno. Se le encuentra en gran cantidad de diversos minerales. El germanio, estaño y plomo son elementos relativamente escasos (≈10-3 % en peso)
Carbono (C)
Carbono Constituye uno de los elementos más importantes de la
naturaleza, pues todos los compuestos orgánicos que forman la materia viva, sean vegetales o animales, lo contienen.
Constituye tan solo el 0.027% de la corteza terrestre, de modo de que no es un elemento abundante, aunque algo de carbono lo hallamos en forma elemental como grafito y diamante, la mayor parte se encuentra combinado. Mas de la mitad esta en compuestos de carbono, como CaCO3.
El estudio de los compuestos químicos del carbono se ha dividido en dos grupos: los que contienen carbono constituyen la química orgánica; el resto, lo estudia la química inorgánica, aunque en esta rama también se estudia el carbono como elemento y unos pocos de sus compuestos, como los carbonatos, óxidos de carbono.
¿Qué tiene de especial el carbono que da origen a la enorme diversidad de sus compuestos?
La estructura tridimensional de las moléculas orgánica y bioquímicas desempeñan un papel fundamental en su comportamiento físico y químico, esto es debido a que el carbono tiene cuatro electrones de valencia ([He]2s2p), forma cuatro enlaces en prácticamente todos su componentes.
El carbono forma fuertes enlaces con diversos elementos, en especial con H, O, N y los halogenuros, asimismo tiene una gran capacidad excepcional de enlazarse consigo mismo.
La estructura electrónica del carbono en estado básico 1s22s22p2 , con tetravalencia según se forman orbitales híbridos sp (triple enlace), sp2 (doble enlace)y sp3.(enlace sencillo) , dando origen a los numerosos compuestos de carbono existentes en la química orgánica e inorganica.
CaracterísticasEl símbolo del carbono es C; su número
atómico 6; y su peso atómico, 12,01. Del carbono, que es un no metal, se conocen tres isótopos: carbono 12, 13 y 14. El 12 existe en la proporción de 98,892%, el 13 tiene una proporción de 1,1 % de existencia y el 14 lo encontramos en trazas radiactivas. Como elemento libre, aparece en distintas formas que se comportan de la misma manera en las reacciones químicas; todas arden y producen un gas: el dióxido de carbono o anhídrido carbónico
El carbono presenta varias formas alotrópicas.
El diamante, transparente y muy duro
El grafito, quebradizo o desmenuzable.
El fureleno, que consisten en moléculas individuales C60 y C70.
La manera en que los átomos de carbono se unen entre sí señala las diferencias existentes entre sus formas alotrópicas
ObtenciónDebido a su abundancia, puede ser extraído
directamente.Puede obtenerse una forma muy pura de
carbono quemando azúcar, que es un hidrato de carbono.
El carbono en los seres vivos proviene del anhídrido carbónico del aire, las plantas toman el anhídrido para formar compuestos de carbono. Los animales los obtienen ingiriendo plantas. Cuando ambos mueren y se descomponen, el carbono vuelve al aire como anhídrido carbónico. Así, se produce un ciclo del carbono que pasa del aire a los seres vivos y viceversa.
Aplicaciones de sus compuestosTodas las formas de este elemento tienen
diversas aplicaciones. Los diamantes se usan en joyería, pero las variedades grises y otras se usan como abrasivos en la industria, debido a su extrema dureza.
Por ello en el borde de las herramientas de corte se colocan pequeños diamantes.
Bisulfuro de carbono, líquido maloliente, se utiliza como solvente o insecticida.
Tetracloruro de carbono , se emplea en los extinguidores de incendio y en la tintorería.
El carbono en forma de coque se usa para quitar oxígeno a minerales de óxidos metálicos a fin de obtener el metal puro
El disulfuro de carbono (CS2) es un importante disolvente industrial de ceras, grasas, celulosas y otras sustancias no polares.
Otros compuestos inorgánicos de carbono, el cianuro de hidrogeno (HCN) es una gas extremadamente tóxico. Se produce por la reacción de una sal de cianuro y como nacen con un ácido, las soluciones acuosas de HCN se conocen como ácido cianhídrico. La neutralización con una base como hidróxido de sodio (NaOH) produce sales de cianuro como el cianuro de sodio (NaCN)
Estos cianuros son utilizados en la industria del plástico para la fabricacion del nylon
El monóxido de carbono tiene varios usos comerciales, dado que arde con facilidad y forma CO2, se emplea como combustible.
2CO(g)+O2(g)2CO2(g) H°=-566kJEs un importante agente reductor que se utiliza
ampliamente en proceso metalúrgicos para reducir óxidos metálicos, como los óxidos de hierro.
Fe3O4(s)+4CO23Fe(s)+4CO2
El CO2 se utiliza como refrigerate (hielo seco), en bebidas carbonatadas en la fabricación de grandes cantidades de sosa para lavanderia y bicarbonato para hornear.
NaHCO3(s)+H+(ac)Na+(ac)+CO2(g)+H2O(l)
Los compuestos binarios de carbono con metales, metaloides y ciertos no metales se llaman carburos. El mas importante el carburo de calcio, que se produce por la reducción de CaO con carbono a alta temperatura, el carburo reacciona con el agua formando acetileno (H-CC-C), que se utiliza en la soldadura.
2CaO(s)+5C(s)2CaC2(ac)+CO2(g)
CaC2(s)+2H2O(l)Ca(OH)2+ C2H2(g)
El agua que contiene una concentración relativamente alta de calcio y magnesio se conoce como agua dura. Aunque la presencia de estos iones no constituye en general una amenaza para la salud, hace que el agua sea inadecuada para ciertos usos (sean domésticos o industriales), Por ejemplo, estos iones reaccionan con jabones para formar una nata de jabón insoluble. Cuando se calienta agua que contiene iones calcio y bicarbonatos, se desprende dióxido de carbono y se forma carbonato de calcio que es insoluble:
Ca+2+ 2 HCO-3(ac) CaCO3(s) + CO2 + H2O(l)
SILICIO (Si)Es un elemento metaloide, con número
atómico 14 Símbolo “Si”. El nombre Silicio deriva del
latín silex (pedernal, mineral color negro, utilizado en la antigüedad para fabricar armas)
Es el segundo más abundante en la corteza terrestre con el 28 %
Tiene un punto de fusión de 1.411 °C, un punto de ebullición de 2.355 °C y una densidad relativa de 2,33. Su masa atómica es 28,086
Los minerales que contienen silicio constituyen cerca del 40% de todos los minerales comunes, incluyendo más del 90% de los minerales que forman rocas volcánicas. El mineral cuarzo, sus variedades y los minerales cristobalita y tridimita son las formas cristalinas del silicio existentes en la naturaleza.
El dióxido de silicio es el componente principal de la arena. Los silicatos (en concreto los de aluminio, calcio y magnesio) son los componentes principales de las arcillas, el suelo y las rocas.
Obtención El elemento se obtiene mediante la reducción de
dióxido de silicio fundido con carbono a alta temperaturaSiO2(l) + 2 C(s) Si(l) + 2 CO(g)
El silicio cristalino es un sólido gris de apariencia metálica que funde a 1410 0C.
Es un semiconductor y por lo tanto se utiliza para fabricar transistores y celdas solares
Para utilizarlo como semiconductor debe ser extremadamente puro, se logra tratando al elemento con cloro gaseoso para formar tetracloruro de silicio, éste último es un líquido volátil que se purifica mediante destilación fraccionada y después, con reducción de H2, se vuelve a convertir en silicio elemental Si + 2 Cl2 SiCl4
SiCl4(g) + 2 H2(g) Si(s) + 4 HCl(g)Se puede seguir purificando por el método de
refinación por zonas
Cuarzo (SiO2) Arena
Silex Polvo de silicio Policristal
Silicato sódico (Na2SiO3)
Silicato de magnesio (Mg2SiO4)
APLICACIONESVIDRIOCuando el cuarzo se funde, forma un líquido pegajoso,
durante la fusión se rompen muchos enlaces silicio-oxígeno y cuando el líquido se enfría rápido, éstos enlaces se vuelven a formar antes de que los átomos hayan podido acomodarse en una forma regular. Como resultado se obtiene un sólido amorfo conocido como vidrio de sílice.
El vidrio común utilizado en ventanas y botellas se conoce como vidrio de soda-cal, que además del SiO2, contiene CaO y Na2O, producidos de la siguiente manera:
CaCO3 CaO + CO2
Na2CO3 Na2O + CO2
Se pueden agregar sustancias al vidrio para darle color o cambiar sus propiedades.
La adición de óxido de cobalto produce un color azul, el sustituir al óxido de sodio por óxido de potasio da un vidrio duro con punto de fusión más elevado
Al remplazar el CaO por PbO el vidrio resultante es más denso, con un índice de refracción más alto.
La adición de B2O3 genera un borosilicato con punto de fusión más elevado y una mayor capacidad para soportar cambios de temperatura. Estos vidrios se venden bajo el nombre de Pyrex o Kimax.
SiliconesLos silicones consisten en cadenas O-Si-O en las
cuales las posiciones de enlace restantes de cada silicio están ocupadas por grupos orgánicos como el CH3.
De acuerdo con la longitud de la cadena y el grado de encruzamiento entre las cadenas determinan si son aceites o materiales de caucho.
No son tóxicos y tienen buena estabilidad ante el calor, luz oxígeno y agua.
Se utilizan en lubricantes, ceras para automóviles, selladores y empaques.
También en telas a prueba de agua, en implantes de seno y lentes de contacto.
Germanio (Ge)
Características sSistema cubico centrado en las caras
Obtención:Tratando la germanita con ácido clorhídrico en caliente se obtiene GeCl4, y por destilación de éste se separa el metal.
También puede prepararse por reducción del óxido GeO2 con hidrógeno o carbono.
El germanio “súper puro” se prepara destilando en forma fraccionada el cloruro de germanio, hidrolizándolo después para formar GeO2, que se reduce con hidrógeno. El metal resultante se purifica mediante fusión por zonas.
Aplicaciones de sus compuestos
Entre los compuestos destacan:El óxido, GeO2, con alto índice de refracción y unas propiedades de dispersión que han encontrado aplicación en lentes gran angular de cámaras y en objetivos de microscopio, otros aparatos ópticos, entre los que se encuentran detectores infrarrojos extremadamente sensibles.
Los germanatos (Na2GeO3, Mg2GeO4, etc.,) obtenidos al fundir conjuntamente GeO2 y óxidos metálicos se parecen a los silicatos. Se usan para fabricar vidrios de alto índice de refracción con los mismos usos que el GeO2.
Aplicaciones de sus compuestos
Existen los germanos, GenH2n+2, hidruros semejantes a los silanos, que descomponen a temperaturas superiores a 300ºC y se usan para producir capas finas de germanio mediante su descomposición térmica.
La química de los compuestos organogermánicos está cobrando importancia; algunos tienen poca toxicidad para los mamíferos pero son eficaces contra ciertas bacterias, por lo que se usan en quimioterapia.
El Estaño (Sn)El estaño , cuyo símbolo es Sn (del
latinStannum), es un elemento químico de número atómico 50 situado en el grupo 14 de la tabla periódica de los elementos.
Obtención
El estaño se obtiene del mineral casiterita (óxido de estaño (IV))en donde se presenta como óxido. Dicho mineral se muele y se enriquece en dióxido de estaño por flotación, después se tuesta y se calienta con coque en un horno de reverbero con lo cual se obtiene el metal.
Aplicaciones
Se usa como revestimiento protector del cobre, del hierro y de diversos metales usados en la fabricación de latas de conserva.
Los compuestos de estaño se usan para fungicidas, tintes, dentífricos (SnF2) y pigmentos.
Se usa para hacer bronce, aleación de estaño y cobre.
Se usa para la soldadura blanda, aleado con plomo.
Se usa en aleación con plomo para fabricar la lámina de los tubos de los órganos musicales.
Recubrimiento de acero.
Aleaciones mas comunes:El peltre es una aleación de zinc, plomo,
estaño y antimonio.Bronce aleación metálica de cobre y estaño Latón aleaciones constituidas por cobre y
zinc
El estaño ocupa el lugar 49 entre los elementos mas abundantes en la corteza terrestre. El estaño ordinario tiene un punto de fusión de 232 °C, un punto de ebullición de 2.260 °C y una masa atómica es 118,69 g/mol.
El estaño puro tiene dos variantes alotrópicas
El estaño gris, polvo no metálico, semiconductor, de estructura cúbica y estable a temperaturas inferiores a 13,2 ºC, que es muy frágil y tiene un peso específico más bajo que el blanco.
El estaño blanco, el normal, metálico, conductor eléctrico, de estructura tetragonal y estable a temperaturas por encima de 13,2 ºC.
Plomo (Pb)
Plomo, (del latín plumbum), es un elemento metálico, denso, de color gris azulado. Es uno de los primeros metales conocidos. Su número atómico es 82
Es maleable y dúctil, y es un pobre conductor de la electricidad.
Tiene un arreglo de cubo centrado en las caras
Obtención del plomoEn primer lugar se procede a la tostación del
mineral al aire pasando una parte del sulfuro a óxido
2PbS + 3O2 2PbO + 2SO2
y otra a sulfato
PbS + 4SO3PbSO4 + 4SO2
Posteriormente se eleva la temperatura y se corta la entrada de aire con lo que el propio mineral actúa como reductor del óxido
PbS + 2PbO 3Pb + SO2
y del sulfato
PbS + PbSO4 2Pb + 2SO2
Aplicaciones de sus compuestosPrácticamente la mitad de la producción de
plomo se destina a la fabricación de baterías.Como aditivo para la gasolina y pigmento
para pinturas que ya está siendo reemplazado por su carácter venenoso y contaminante.
En otros como tuberías, tipos de imprenta y recubrimientos de cables
Se utiliza para soldadura (aleado con Sn), en la fabricación de perdigones (aleado con As).
Sus compuestos tienen también múltiples aplicaciones en la industria del vidrio como aditivo y colorante, en electrónica para tubos de televisión, en tintes, barnices, pinturas anticorrosivas,
Como estabilizantes en la industria de los plásticos y en algunos insecticidas.
Bibliografía Cotton F. Albert &Wilkinson Geoffrey,
Química inorgánica avanzada, séptima reimpresión, Limusa, México 1998, pp. 431-495
