Grupul de carbon

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Elementele grupului de carbon sau ale grupului 14 elemente (numite și cristalogeni ) din tabelul periodic sunt: carbon (C), siliciu (Si), germaniu (Ge), staniu (Sn) și plumb (Pb). Flerovium (Fl) aparține, de asemenea, acestui grup, dar doar câțiva atomi au fost produși, iar proprietățile sale chimice sunt slab înțelese. [1] În nomenclatura anterioară acest grup a fost numit IVB , IVA sau pur și simplu IV .

Surse

Carbonul este unul dintre cele mai abundente elemente din vidul interstelar. Pe Pământ este cel de-al 15-lea cel mai abundent element de pe scoarța terestră , unde este prezent atât sub formă elementară, cum ar fi cărbune , grafit sau diamant , cât și sub formă oxidată ca carbonat în multe minerale, și sub formă redusă în combustibili fosili . Aerul conține 400 ppm de dioxid de carbon . Siliciul reprezintă 28% din scoarța terestră, unde este al doilea cel mai abundent element după oxigen . Silicații sunt cele mai frecvente minerale de pe scoarța terestră. Germaniul este cel mai rar element al grupului, fiind al 52-lea cel mai abundent element de pe scoarța terestră. În medie, în sol are o concentrație de 1 ppm. Germaniul este obținut în principal ca produs secundar al procesării minereurilor de zinc sau cărbune. Staniul este cel de-al 49-lea cel mai abundent element de pe scoarța terestră. Se obține din casiterită , singurul minereu de staniu utilizat în scopuri miniere. Plumbul este al 36-lea cel mai abundent element de pe scoarța terestră. În istorie, mai mult de 350 de milioane de tone de plumb au fost extrase din minereurile sale, în principal din galena care conține 87%. [1]

Toxicitate

Carbonul elementar nu este toxic, dar sub formă de praf poate fi periculos deoarece se depune în plămâni în mod similar cu azbestul . Capacitatea carbonului de a forma lanțuri lungi este esențială pentru viață și este exploatată pentru a forma mulți compuși organici prezenți în toate celulele (de exemplu, ADN , steroizi , proteine ). Un corp uman conține aprox 16 kg de carbon. Carbonul formează, de asemenea, compuși extrem de toxici, cum ar fi monoxidul de carbon și cianura de hidrogen . În mineralele sale naturale, siliciul nu este toxic, dar la fel ca și carbonul, poate deveni periculos sub formă de praf, provocând silicoză și azbestoză . Sub formă de silice este esențial la unele specii, cum ar fi diatomeele și bureții marini, să formeze pereții celulari și exoscheletele . Siliciul este esențial pentru creșterea puilor și șoarecilor și poate este esențial și pentru oameni. Un corp uman conține aprox 1 g de siliciu. Rolul biologic al germaniei nu este cunoscut, dar stimulează metabolismul . Un corp uman conține aprox 5 mg de germaniu. Unele plante sunt capabile să absoarbă germaniu din sol, probabil ca oxid. Sărurile de germaniu sunt considerate toxice pentru mamifere, dar sunt letale pentru unele bacterii . Staniul este esențial pentru creșterea șoarecilor, dar nu există dovezi ale rolului său biologic la om. Un corp uman conține aprox 30 mg staniu. Acest element a făcut întotdeauna parte din dieta umană, care durează aproximativ 0,3 mg pe zi; majoritatea sunt excretate prin urină. Utilizarea tablelor de tablă pentru recipientele alimentare este considerată sigură. Compușii anorganici ai staniu sunt considerați netoxici, în timp ce cei organici sunt toxici, mai ales atunci când conțin trei grupări organice, cum ar fi staniu tributilic. Plumbul nu are nici un rol biologic pentru nicio specie vie. Un corp uman conține aproximativ 120 mg . La om, plumbul este o otravă care tinde să se acumuleze, deși în cea mai mare parte trece în corp fără a fi digerat. Compușii de plumb sunt și mai toxici. Intoxicația ușoară cu plumb se manifestă prin cefalee, dureri de stomac și constipație . Intoxicațiile mai grave provoacă, de asemenea, anemie , depresie , insomnie , până la halucinații , orbire și comă . [1]

Aplicații

Carbonul ca atare este utilizat în principal în formele sale amorfe : cocsul de carbon este utilizat pentru fabricarea oțelului , negru de fum la imprimare și anvelope , cărbune activ la producerea zahărului , tratarea apei și aparate de respirat. Siliciul pur este utilizat în principal la fabricarea aliajelor metalice (50%); un alt 45% este utilizat în sinteza siliconilor . Siliciul de înaltă puritate este utilizat la fabricarea semiconductoarelor . Dioxidul de siliciu este utilizat într-un număr mare de aplicații industriale, de la materiale de construcție, la sticlă , la paste de dinți . Germaniul a fost folosit în semiconductori până în anii 1950, când a fost înlocuit cu siliciu. Germaniul este utilizat în contoare de radiații. Oxidul de germaniu este utilizat pentru a construi fibre optice și lentile cu unghi larg. O cantitate mică de germaniu adăugată la argint împiedică înnegrirea acestuia; acest aliaj este cunoscut sub numele de argentium . Staniul este utilizat în principal în aliajele de lipit (50%), în producția de staniu (20%) și în industria chimică (20%). Staniul este, de asemenea, un component al numeroaselor aliaje, inclusiv bronzul , cositorul și metalele albe utilizate la fabricarea bucșelor . Dioxidul de staniu a fost folosit în ceramică de milenii. Plumbul este utilizat în principal în acumulatori de plumb (80%). Alte utilizări minore includ pigmenți , aliaje, greutăți, protecție împotriva radiațiilor, acoperișuri, sticlă și cristal . [1]

Proprietate

Unele proprietăți ale elementelor grupului sunt colectate în tabelul următor. [2] [3] [4]

Unele proprietăți ale elementelor grupului carbon
Element Configurare
Electronică
 rază
covalent
( pm )		 rază
ionic
(p.m)		 Punctul
fuziune
(° C)		 Punctul
fierbere
(° C)		 Densitate

(g cm −3 )		 Electro-
negativitate
C. [El] 2s 2 2p 2 77 - > 3550 (diamant) 4830 3,51 (diamant) 2.6
da [Ne] 3s 2 3p 2 118 - 1414 2355 2.33 1.9
GE [Ar] 3d 10 4s 2 4p 2 122 53 (Ge 4+ ) 938 2833 5.32 2.0
Sn [Kr] 4d 10 5s 2 5p 2 140 74 (Sn 4+ ) 232 2260 5,77 (α) 2.0
Pb [Xe] 4f 14 5d 10 6s 2 6p 2 154 78 (Pb 4+ ) 327 1749 11.34 2.3

Reactivitatea chimică și tendințele grupului

Elementele acestui grup au o configurație electronică externă ns 2 np 2 , cu nivelul electronic cel mai exterior exact pe jumătate umplut. După cum se poate vedea începând cu grupul 13, și în acest grup, stratul de sub nivelul cel mai exterior variază pe măsură ce coboară de-a lungul grupului. Nivelul d 10 intră în joc începând cu germaniu, iar nivelul f 14 intră în joc în plumb. În consecință, proprietățile atomice nu variază în mod regulat, așa cum se observă în grupa 1 și grupa 2 . De exemplu, raza atomică nu crește în mod regulat coborând în grup, dar se observă că siliciu și germaniu au dimensiuni similare și același lucru se întâmplă și pentru staniu și plumb. Influența nivelului d 10 în germaniu și a nivelului f 14 în plumb este evidentă și în tendința energiilor de ionizare (neprezentată în tabelul proprietăților). [3]

Din configurația electronică ns 2 np 2 putem prezice logic stările de oxidare –4, +2 și +4. Mai precis, carbonul poate asuma foarte ușor toate valorile posibile de la –4 la +4. Pentru celelalte elemente ale grupului valorile –4, +2 și +4 sunt cele mai frecvente, dar în partea de jos a grupului starea de oxidare +2 devine mai favorizată decât +4. Acest lucru este cunoscut sub numele de efect de cuplu inert . Astfel, pentru staniu și plumb stările de oxidare +2 și +4 sunt comune, dar Sn (II) este ușor oxidabil în timp ce Sn (IV) este stabil; pentru plumb, pe de altă parte, Pb (II) este stabil, în timp ce Pb (IV) este puternic oxidant. [2] [3]

Primele două elemente ale grupului, carbonul și siliciul, sunt ambele nemetale tipice. Miscând în jos grupul, caracterul metalic crește. Siliciul, germaniu și staniu au o structură asemănătoare diamantului; staniu există și sub formă metalică, iar plumbul există doar sub formă metalică. Germaniul este un semimetal : este strălucitor sub formă cristalină, dar conduce curent slab (este un semiconductor). Creșterea coborându caracterului metalic de-a lungul grupului este de asemenea indicat în mod clar prin comportamentul oxizilor : SiO2 este un acid, oxid de SnO 2 este un oxid amfoter și PbO 2 este un oxid bazic. Punctele de topire, punctele de fierbere și modificările entalpiei asociate acestor procese scad pe măsură ce coboară din grup: ca urmare, staniul și plumbul sunt metale moi și se topesc la temperaturi scăzute. [2] [3]

În mod similar cu ceea ce se observă în grupurile 13-16, în general proprietățile chimice ale primului element (carbonul) sunt considerabil diferite de celelalte elemente ale grupului, în timp ce al doilea (siliciu) are proprietăți chimice mai asemănătoare cu cele mai grele congenere. Aceste diferențe pot fi raționalizate cu diverse considerații: [2] [3]

  • Carbonul are capacitatea caracteristică de a forma legături cu el însuși pentru a da lanțuri sau inele, atât cu legături simple C - C , cât și cu legături duble sau triple , C = C sau C≡C. Alte elemente care au capacitatea de a forma catenări, deși într-un grad mai mic, sunt siliciu și sulf . Carbonul este capabil să formeze catenări foarte stabile datorită rezistenței intrinseci ridicate a legăturii simple C - C, 356 kJ / mol. Pe măsură ce coborâți în grup, puterea legăturii M - M scade progresiv. Pentru siliciu trebuie considerat că legătura Si - Si este mai slabă (226 kJ / mol) și că legătura Si - O (368 kJ / mol) este mai puternică decât legătura C - O (336 kJ / mol). În consecință, legăturile Si - Si sunt mai rare, nu pentru că sunt deosebit de slabe, ci pentru că se convertesc exoterm în legături Si - O.
  • Carbonul, fiind din a doua perioadă, are capacitatea de a forma multiple legături stabile pπ - pπ cu sine sau cu alte elemente. Congenerii superiori nu au această posibilitate, în esență din cauza unei probleme de dimensiune atomică: pe măsură ce distanța dintre doi atomi vecini crește, suprapunerea pπ - pπ devine din ce în ce mai redusă. Din acest motiv, compușii care au stoichiometrie similară, cum ar fi CO 2 și SiO 2, nu au similitudini structurale sau chimice. Dioxidul de carbon este un gaz, compus din molecule unice O = C = O, în timp ce dioxidul de siliciu este un solid, și este o molecula gigant in care fiecare atom de siliciu este legat la patru atomi de oxigen, formând SiO 4 tetraedre. Siliciul și congenerii superiori au d orbitali disponibili și îi pot folosi pentru a forma mai multe legături pπ - dπ.
  • Începând cu siliciu, aceste elemente pot utiliza orbitalele d pentru a extinde octetul , adică merge la numere de coordonare mai mari de patru, acționând în general ca acizi Lewis . De exemplu, acidul fluorhidric atacă sticla formând ioni hexafluorosilicat, SiF 6 2– :
SiO2 (s) + 6HF (aq) → sif 6 2- (aq) + 2H 3 O + (aq)
  • În general, reactivitatea acestor elemente crește pe măsură ce coborâți în grup. Diamantul este extrem de inert la temperatura camerei. Grafitul, deși este termodinamic mai stabil decât diamantul, este mai reactiv, deoarece structura sa stratificată este mai atacabilă. De exemplu, este oxidat cu acid azotic în fierbere și reacționează cu fluor gazos și hidrogen . Legătura dintre straturile de grafit este relativ slabă și, prin urmare, mulți atomi, ioni sau molecule pot pătrunde între straturile de grafit formând compuși de intercalație . Reactivii de acest tip sunt metale alcaline , halogeni , halogenuri și oxizi metalici , cum ar fi FeCl3 și MoO 3 .
În mod normal, siliciul nu este foarte reactiv. Este atacat de halogeni care formează tetrahalide și de alcalii care formează soluții de silicat. Germaniul este puțin mai reactiv. Staniul se dizolvă în acizi formând compuși ai Sn (II), în timp ce în baze formează compuși ai Sn (IV), stanații:
Sn (s) + 2OH - (aq) + 4H 2 O → Sn (OH) 6 2– (aq) + 2H 2 (g)
Formarea compușilor Sn (II) sau Sn (IV) în funcție de mediu este în conformitate cu regula generală conform căreia stările de oxidare ridicate sunt mai ușor de atins într-un mediu de bază. Plumbul pare mai puțin reactiv decât potențialul său standard, E ° (Pb 2 + / 0 ) = –0,13 V, atât pentru că tinde să se acopere cu straturi protectoare insolubile (oxizi, sulfați, cloruri), cât și pentru că reducerea hidrogenului la plumb necesită o supratensiune foarte mare.

Galerie de imagini

  • Probele a doi alotropi de carbon: diamant și grafit.

  • Probă de siliciu purificat.

  • Probă de germaniu purificat.

  • Probele celor două alotropi de staniu: staniu alfa (dreapta) și staniu beta (stânga).

  • Eșantion de plumb purificat.

Notă

  1. ^ a b c d Emsley 2011 .
  2. ^ a b c d Cotton și colab. 1991 .
  3. ^ a b c d și Greenwood și Earnshaw 1997 .
  4. ^ Housecroft și Sharpe 2008 .

Bibliografie

Controlul autorității LCCN (EN) sh2002008816 · GND (DE) 4258859-5
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Gruppo_del_carbonio&oldid=120578443 ”