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GRUPO IV A
CARBONOIDES
Profesor: Dr. Esmit CamargoPresentado por: Bianca Ryfkogel
GRUPO IV A
También conocido como Grupo del Carbono o de los Carbonoides: Carbono (C), Silicio (Si), Germanio (Ge), Estaño (Sn), Plomo (Pb).
La posición central de este grupo hace que su comportamiento sea un poco especial.
El carácter metálico aumenta considerablemente conforme se desciende en el grupo.
No presentan tendencia a ganar cuatro electrones para adquirir la configuración del gas inerte.
Todos presentan enlaces covalentes de hidruros XH4 y en lo s tetracloruros XCl4.
Son tetraédricas y por lo tanto el átomo central presenta hibridación sp3.
La formación del enlace covalente de este tipo, se presentan fundamentalmente en los compuestos de carbono y silicio.
ORIGEN DEL NOMBRE «CARBONOIDEOS»
El nombre de Carbonoides se debe a que el carbono es el elemento cabecera del grupo. En el siglo XIX se propusieron otros nombres para este grupo: merílidos (que quiere decir de origen oscuro) y tetrelos (que hace referencia al valor de la valencia del grupo, 4), pero ninguno de ellos tuvo éxito, quedándose así el nombre de grupo del carbono o Carbonoides
El Carbono presenta una diferencia marcada con los restantes miembros del grupo; tiene la propiedad de unirse por enlaces covalentes con otros átomos de carbono formando cadenas; como además forma enlaces muy estables con el H, O, S, N y Halógenos, esto da origen a un número de compuestos que se estudian en la Química Orgánica.
CARACTERÍSTICAS GENERALES
Nombre: Carbono Símbolo: C
Número atómico: 6 Masa atómica (uma): 12,0107uma
Período: 2 Grupo: IVA (carbonoideos)
Bloque: p (representativo) Valencias: +2, +4, -4
CARBONO
CARACTERÍSTICAS De la palabra latina "carbo", que significaba «carbón». Representa el 0,2 % de la corteza y puede hallarse en
todas las formas de vida que habitan la Tierra. Dependiendo de las condiciones de formación, puede
encontrarse en la naturaleza en distintas formas alotrópicas, carbono amorfo y cristalino en forma de grafito o diamante respectivamente.
Se puede encontrar en la atmósfera de la Tierra en combinaciones (dióxido de carbono), así como disuelto en el agua a consecuencia del natural ciclo del agua.
Sus formas alotrópicas incluyen, sorprendentemente, una de las sustancias más blandas (el grafito) y la más dura (el diamante) y, desde el punto de vista económico, uno de los materiales más baratos (carbón) y uno de los más caros (diamante).
Su pequeño radio atómico le permite formar enlaces múltiples. Así, con el oxígeno forma el dióxido de carbono, vital para el crecimiento de las plantas; con el hidrógeno forma numerosos compuestos denominados genéricamente hidrocarburos, esenciales para la industria y el transporte en la forma de combustibles fósiles; y combinado con oxígeno e hidrógeno forma gran variedad de compuestos
ESTADOS ALOTRÓPICOS Se conocen cinco formas alotrópicas del carbono,
además del amorfo: grafito, diamante, fullerenos, nanotubos y carbinos.
El grafito tiene exactamente los mismos átomos del diamante, pero por estar dispuestos en diferente forma, su textura, fuerza y color son diferentes.
Los diamantes naturales se forman en lugares donde el carbono ha sido sometido a grandes presiones y altas temperaturas.
A presión normal, el carbono adopta la forma del grafito, en la que cada átomo está unido a otros tres en un plano compuesto de celdas hexagonales; este estado se puede describir como 3 electrones de valencia en orbitales híbridos planos sp2 y el cuarto en el orbital p.
Debido a la deslocalización de los electrones del orbital pi, el grafito es conductor de la electricidad, propiedad que permite su uso en procesos de electroerosión.
A muy altas presiones, el carbono adopta la forma del diamante, en el cual cada átomo está unido a otros cuatro átomos de carbono, encontrándose los 4 electrones en orbitales sp3, como en los hidrocarburos.
El diamante presenta la misma estructura cúbica que el silicio y el germanio y, gracias a la resistencia del enlace químico carbono-carbono, es, junto con el nitruro de boro, la sustancia más dura conocida.
Bajo ciertas condiciones, el carbono cristaliza como lonsdaleíta, una forma similar al diamante pero hexagonal.
Los fullerenos tienen una estructura similar al grafito, pero el empaquetamiento hexagonal se combina con pentágonos (y en ciertos casos, heptágonos), lo que curva los planos y permite la aparición de estructuras de forma esférica, elipsoidal o cilíndrica.
A esta familia pertenecen también los nanotubos de carbono, que pueden describirse como capas de grafito enrolladas en forma cilíndrica y rematadas en sus extremos por hemiesferas (fulerenos), y que constituyen uno de los primeros productos industriales de la nanotecnología.
ISÓTOPOS En 1961 la IUPAC adoptó el isótopo 12C como la base para
la masa atómica de los elementos químicos. El carbono-14 es un radioisótopo con un periodo de
semidesintegración de 5730 años que se emplea de forma extensiva en la datación de especímenes orgánicos.
Los isótopos naturales y estables del carbono son el 12C (98,89%) y el 13C (1,11%).
El δC-13 del CO2 de la atmósfera terrestre es −7‰. El carbono fijado por fotosíntesis en los tejidos de las plantas es significativamente más pobre en 13C que el CO2 de la atmósfera.
La mayoría de las plantas presentan valores de δC-13 entre −24 y −34‰.
ABUNDANCIA Y OBTENCIÓN
En combinaciones con otros elementos, el carbono se encuentra en la atmósfera terrestre y disuelto en el agua, y acompañado de menores cantidades de calcio, magnesio y hierro forma enormes masas rocosas (caliza, dolomita, mármol, etc).
El grafito se encuentra en grandes cantidades en Rusia, Estados Unidos, México, Groenlandia y la India.
Los diamantes naturales se encuentran asociados a rocas volcánicas (kimberlita y lamproita). Los mayores depósitos de diamantes se encuentran en el África.
MÉTODOS DE OBTENCIÓN
El carbono se encuentra - frecuentemente muy puro - en la naturaleza, en estado elemental, en las formas alotrópicas diamante y grafito. El material natural más rico en carbono es el carbón (del cual existen algunas variedades).
Grafito: Algunos yacimientos naturales muy puro. Se obtiene artificialmente por descomposición del carburo de silicio en un horno eléctrico.
Diamante: En el seno de rocas eruptivas y en el fondo del mar. En la industria se obtiene tratando grafito a 3000 K de temperatura y a una presión entre 125 - 150 katm.
Carbón de coque: Muy rico en carbono, es el producto residual en la destilación de la hulla.
Fullerenos: En el humo de los fuegos y en las estrellas gigantes rojas. Se obtienen, artificialmente, haciendo saltar un arco entre dos electrodos de grafito o sublimando grafito por acción de un láser.
ALGUNAS APLICACIONES Grafito: Construcción de reactores nucleares. Construcción de electrodos para la industria electrolítica,
por su conductividad eléctrica. Lubricante sólido, por ser blando y untuoso.
Diamante: Tallados en brillantes se emplean en joyería. Taladradoras.
Carbón de coque: Se utiliza como combustible. Se utiliza para la reducción de óxidos metálicos en
metalurgia extractiva.
Negro de humo: Colorante. Fabricación de tintas de imprenta.
El Silicio es un elemento químico metaloide y de número atómico 14. Es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre (27,7% en peso) después del Oxígeno. Se presenta en forma amorfa y cristalizada; el primero es un polvo parduzco, más activo que la variante cristalina, que se presenta en octaedros de color azul grisáceo y brillo metálico. Presenta una estructura cúbica centrada en las caras.
SILICIO
CARACTERÍSTICAS GENERALES
Nombre: Silicio Símbolo: Si
Número atómico: 14 Masa atómica (uma): 28,0855
Período: 3 Grupo: IVA (carbonoideos)
Bloque: p (representativo) Valencias: +2, +4, -4
CARACTERÍSTICAS
En forma cristalina es muy duro y poco soluble y presenta un brillo metálico y color grisáceo.
Aunque es un elemento relativamente inerte y resiste la acción de la mayoría de los ácidos, reacciona con los halógenos y álcalis diluidos. El silicio transmite más del 95% de las longitudes de onda de la radiación infrarroja.
Se prepara en forma de polvo amarillo pardo o de cristales negros-grisáceos. Se obtiene calentando sílice, o dióxido de silicio (SiO2), con un agente reductor, como carbono o magnesio, en un horno eléctrico. El silicio cristalino tiene una dureza de 7, suficiente para rayar el vidrio, de dureza de 5 a 7
El silicio constituye un 28% de la corteza terrestre. No existe en estado libre, sino que se encuentra en forma de dióxido de silicio y de silicatos complejos.
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 (cornalina, crisoprasa, ónice, pedernal y jaspe) 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.
ISÓTOPOS
El silicio tiene nueve isótopos, con número másico entre 25 a 33. El isótopo más abundante es el Si-28 con una abundancia del 92,23%, el Si-29 tiene una abundancia del 4,67% y el Si-30 que tiene una abundancia del 3,1%. Todos ellos son estables teniendo el resto de isótopos una proporción ínfima.
El Si-32 es un isótopo radiactivo que proviene del decaimiento del argón. Su tiempo de semivida es aproximadamente de unos 132 años. Padece un decaimiento beta que lo transforma en P-32 (que tiene un periodo de semivida de 14,28 días).
ABUNDANCIA Y OBTENCIÓN El silicio es uno de los componentes
principales de los aerolitos, una clase de meteoroides.
Medido en peso, el silicio representa más de la cuarta parte de la corteza terrestre y es el segundo elemento más abundante por detrás del oxígeno. El silicio no se encuentra en estado nativo; arena, cuarzo, amatista, ágata, pedernal, ópalo y jaspe son algunos de los minerales en los que aparece el óxido, mientras que formando silicatos se encuentra, entre otros, en el granito, feldespato, arcilla, hornblenda y mica.
APLICACIONES Debido a que es un material semiconductor
muy abundante, tiene un interés especial en la industria electrónica y microelectrónica como material básico para la creación de obleas o chips que se pueden implantar en transistores, pilas solares y una gran variedad de circuitos electrónicos.
Como material refractario, se usa en cerámicas, vidriados y esmaltados.
Como elemento fertilizante en forma de mineral primario rico en silicio, para la agricultura.
Como elemento de aleación en fundiciones.
Origen del nombre: De la palabra latina "Germania", que significaba "Alemania".
Obtención: El germanio era un elemento cuya existencia había sido predicha por Mendeleiev en 1871. Predijo que este elemento debería tener propiedades análogas al silicio y le llamó eka-silicio.
GERMANIO
CARACTERÍSTICAS GENERALES
Nombre: Germanio Símbolo: Ge
Número atómico: 32 Masa atómica (uma): 72,61
Período: 4 Grupo: IVA (carbonoideos)
Bloque: p (representativo) Valencias: +2, +4,
CARACTERÍSTICAS
Es un metaloide sólido duro, cristalino, de color blanco grisáceo lustroso, quebradizo, que conserva el brillo a temperaturas ordinarias. Presenta la misma estructura cristalina que el diamante y resiste a los ácidos y álcalis.
Forma gran número de compuestos organometálicos y es un importante material semiconductor utilizado en transistores y fotodetectores. A diferencia de la mayoría de semiconductores, el germanio tiene una pequeña banda prohibida (band gap) por lo que responde de forma eficaz a la radiación infrarroja y puede usarse en amplificadores de baja intensidad.
ISÓTOPOS
El germanio tiene cinco isótopos estables siendo el más abundante el Ge-74 (35,94%). Se han caracterizado 18 radioisótopos de germanio, siendo el Ge-68 el de mayor vida media con 270,8 días. Se conocen además 9 estados metaestables.
ABUNDANCIA Y OBTENCIÓN
Los únicos minerales rentables para la extracción del germanio son la germanita (69% de Ge) y garnierita (7-8% de Ge); además está presente en el carbón, la argirodita y otros minerales. La mayor cantidad, en forma de óxido (GeO2), se obtiene como subproducto de la obtención del zinc o de procesos de combustión de carbón.
Con pureza del 99,99%, para usos electrónicos se obtiene por refino mediante fusión por zonas resultando cristales de 25 a 35 mm usados en transistores y diodos; con esta técnica las impurezas se pueden reducir hasta 0,0001 ppm.
Actualmente la gran parte del consumo se destina a fibra óptica (cerca de la mitad), equipos de visión nocturna y catálisis en la polimerización de plásticos, aunque se investiga su sustitución por catalizadores más económicos. En el futuro es posible que se extiendan las aplicaciones electrónicas de las aleaciones silicio-germanio en sustitución del arseniuro de galio especialmente en las telecomunicaciones sin cable.
De la palabra anglosajona "tin" que significa "estaño" o "lata", aunque también se piensa que deriva de Tinia, la suprema diosa del cielo de los Etruscos. El origen del símbolo procede de la palabra latina "stannum" que significa "estaño".
ESTAÑO
CARACTERÍSTICAS GENERALES
Nombre: Estaño Símbolo: Sn
Número atómico: 50 Masa atómica (uma): 118,710
Período: 5 Grupo: IVA (carbonoideos)
Bloque: p (representativo) Valencias: +2, +4
CARACTERÍSTICAS Es un metal plateado, maleable, que no se oxida
fácilmente y es resistente a la corrosión. Se encuentra en muchas aleaciones y se usa para
recubrir otros metales protegiéndolos de la corrosión. Bajo determinadas condiciones sufre la peste del
estaño. Al doblar una barra de este metal se produce un sonido característico llamado grito del estaño, producido por la fricción de los cristales que la componen.
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 °C, 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 °C.
ALEACIONES
Las aleaciones con base de estaño, también conocidas como metales blancos, generalmente contienen cobre, antimonio y plomo. Estas aleaciones tienen diferentes propiedades mecánicas, dependiendo de su composición.
Algunas aleaciones de estaño, cobre y antimonio son utilizadas como materiales antifricción en cojinetes, por su baja resistencia de cizalladura y su reducida adherencia.
El principal problema de las aleaciones con plomo es el impacto ambiental potencial de sus residuos, por lo que están en desarrollo aleaciones libres de plomo, como las aleaciones de estaño-plata-cobre o algunas aleaciones estaño-cobre.
El peltre es una aleación de estaño, plomo y antimonio utilizada para utensilios decorativos. El estaño también es utilizado en aleaciones de prótesis dentales, aleaciones de bronce y aleaciones de titanio y circonio.
OBTENCIÓN
El estaño se obtiene del mineral casiterita en donde se presenta como óxido (óxido de estaño (IV) o dióxido de estaño). 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.
USOS
Se usa como protector del cobre, del hierro y de diversos metales usados en la fabricación de latas de conserva.
También se usa para disminuir la fragilidad del vidrio.
Los compuestos de estaño se usan para fungicidas, tintes, dentífricos (SnF2) y pigmentos. Se usa para realizar bronce, aleación de estaño y cobre.
Se usa para la soldadura blanda, aleado con plomo.
Procede del latín "plumbum"; los romanos utilizaban este nombre precisamente para designar al elemento plomo. Lo llamaban "plumbum nigrum" para distinguirlo del estaño, al que llamaban "plumbum candidum". Presenta estructura cúbica centrada en las caras.
PLOMO
CARACTERÍSTICAS GENERALES
Nombre: Plomo Símbolo: Pb
Número atómico: 82 Masa atómica (uma): 207,2
Período: 6 Grupo: IVA (carbonoideos)
Bloque: p (representativo) Valencias: +2, +4
CARACTERÍSTICAS
El plomo es un metal pesado de color plateado con tono azulado, que se empaña para adquirir un color gris mate.
Es flexible, inelástico y se funde con facilidad Es relativamente resistente al ataque del ácido
sulfúrico y del ácido clorhídrico, aunque se disuelve con lentitud en ácido nítrico y ante la presencia de bases nitrogenadas.
El plomo es anfótero, ya que forma sales de plomo de los ácidos, así como sales metálicas del ácido plúmbico.
Tiene la capacidad de formar muchas sales, óxidos y compuestos organometálicos.
ISÓTOPOS
El plomo está constituido por muchos isótopos, siendo estables cuatro de ellos: 204Pb, 206Pb, 207Pb, y 208Pb.
Al 204Pb se le conoce como plomo primordial, y los 206Pb, 207Pb y 208Pb se forman por la desintegración radioactiva de dos isótopos del uranio, (U-235 y U-238) y un isótopo del torio (Th 232).
El 210Pb es un precursor del 210Po en la serie de decaimiento del 238U.
El 210Pb es radioactivo.
210Pb en el tabaco La concentración de 210Pb en fumadores es el doble que
la concentración en no fumadores. Esta diferencia se atribuye a la inhalación de 210Pb en el humo del tabaco.
OBTENCIÓN
El plomo rara vez se encuentra en su estado elemental. Se presenta comúnmente como sulfuro de plomo en la galena (PbS).
El plomo metálico que resulta de los procesos de horno de calcinación y alto horno todavía contiene significativas cantidades de contaminantes: arsénico, antimonio, bismuto, zinc, cobre, plata y oro.
La mayoría de los minerales contienen menos del 10 % de plomo, y los minerales que contienen tan poco como 3 % de plomo pueden ser explotados económicamente. Los minerales se trituran y se concentran por flotación por espuma típicamente hasta el 70 % o más.
USOS Su utilización como cubierta para cables, ya sea
la de teléfono, de televisión, de internet o de electricidad, sigue siendo una forma de empleo adecuada.
La ductilidad única del plomo lo hace particularmente apropiado para esta aplicación, porque puede estirarse para formar un forro continuo alrededor de los conductores internos.
Se utilizan una gran variedad de compuestos de plomo, como los silicatos, los carbonatos y sales de ácidos orgánicos, como estabilizadores contra el calor y la luz para los plásticos de cloruro de polivinilo.
EFECTOS
El plomo puede entrar en el agua potable a través de la corrosión de las tuberías. Esto es más común que ocurra cuando el agua es ligeramente ácida. Esta es la razón por la que los sistemas de tratamiento de aguas públicas ajustan el pH del agua potable. El plomo no cumple ninguna función esencial en el cuerpo humano; este puede principalmente hacer daño después de ser ingerido en la comida, o a través del aire o el agua.
El plomo puede causar varios efectos no deseados, como son:
Perturbación de la biosíntesis de hemoglobina y anemia.
Incremento de la presión sanguínea. Daño a los riñones. Aborto espontáneo.
