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Grupo 14

Química General e InorgánicaClase 30

1 de junio de 2005Dr. Pablo Evelson

C

Si

Ge

Sn

Pb

No metal

No metal

Metaloide

Metal

Metal

Grupo 14

El grafito conduce la corriente

Comportamiento químico de no metal, pero propiedades físicas y eléctricas de un metaloide.

Sus propiedades se parecen mucho a las de un metal.

Ambos poseen vestigios de carácter no metálico.

Carbono (grafito) Carbono (diamante) Silicio

PlomoEstañoGermanio

Grupo 14

11,31760328207,2PbPlomo82

7,32720232118,7SnEstaño50

5,3283093772,6GeGermanio32

2,32620141028,1SiSilicio14

1,9 a 2,3-3370 (sublima)

12,0CCarbono (grafito)

6

Densidad (g/mL)

Punto de ebullición

(°C)

Punto de fusión (°C)

Peso Molecular

SímboloNombreZ

Propiedades físicas

•La energía de ionización para extraer 4 electrones es extremadamente alta: no se conocen iones sencillos 4+.

•La formación de iones 4- por ganancia de electrones no se observa.

•Ge, Sn, Pb pueden formar iones d10s2 por pérdida de 2 electrones (efecto par inerte). Sólo los compuestos PbCl2 y PbF2 son iónicos.Los compuestos del Ge2+ y Sn2+ son covalentes.

Configuración electrónica: ns2 np2

•Los compuestos tipo AB4 son tetraédricos.

•En la mayoría de sus compuestos, los elementos del grupo 14 están unidos covalentemente.

Configuración electrónica:ns2 np2

Metal lustroso blanco azulado

Plomo

Metal blanco lustrosoEstaño

Metaloide gris-blancoGermanio

Metaloide grisSilicio

No metal negroNo metal transparenteNo metal naranja

Carbono Grafito Diamante Fullerita

Forma normalElemento

Forma natural de los elementos del Grupo 14

El grafito consiste en redes hexagonales de átomos de carbono con hibridación sp2 dispuestas en capas planas.

Enlaces Enlaces

En el diamante, cada átomo de carbono tiene hibridación sp3 y se enlaza tetraédricamente a sus vecinos con todos sus

electrones situados en enlaces C-C de tipo .

Sólido

Diamante

Grafito

Líquido

Gas

Temperatura (K)

Pre

sión

(at

m)

Diagrama de fases del carbono

Superman: Y para las cámaras de TV, Podría comprimir un pedazo

de carbón y convertirlo en un diamante puro...

Fullerenos

Buckminsterfullereno, C60

Fullerenos

NanotubosNanotubos

Concatenación

El carbono tiene capacidad de formar compuestos en los

cuales se enlazan entre sí muchos átomos de carbono

en cadenas o anillos.

Se denomina concatenación y explica el gran número de

compuestos orgánicos.

H C H

H

H C H

H C H

H

H C H

H C H

H C H

n-hexano

La tendencia a la autounión disminuye marcadamente con el número atómico.

PbH4Plomo

Sn2H6Estaño

Ge9H20Germanio

Si6H14Silicio

Hasta 50 carbonosCarbono

HidruroElemento

Por ejemplo, en los hidruros (EnH2n+2):

151Sn―Sn

188Ge―Ge

226Si―Si

347C―C

Energía de enlace(kJ/mol)

Enlace

Energía de enlace

326C―Cl

414C―H

335C―O

347C―C

Eenlace (kJ/mol)

Enlace

391Si―Cl

328Si―H

368Si―O

226Si―Si

Eenlace (kJ/mol)

Enlace

El enlace C-C es casi tan fuerte como cualquier enlace que forma el carbono con otro elemento.

326C―Cl

414C―H

335C―O

347C―C

Eenlace (kJ/mol)

Enlace

391Si―Cl

328Si―H

368Si―O

226Si―Si

Eenlace (kJ/mol)

Enlace

El Si tiene más tendencia a unirse a otros elementos que a sí mismo.

C N

C C

C O C S

C C

El carbono también posee gran capacidad de formar enlaces múltiples entre sí y con otros elementos no metálicos.

Ningún otro elemento del grupo 14 utiliza orbitales p para formar enlaces .

Eteno (C2H4) Etino o acetileno (C2H2)

Tipos de unión

Oxidos y oxiácidos del carbono

:C O:

El monóxido de carbono es isoeletrónico con la molécula de nitrógeno:

El monóxido de carbono se forma por la combustión del carbono en presencia de una cantidad limitada de oxígeno a altas temperaturas (1000 °C):

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

Monóxido de carbono (CO)

El dióxido de carbono se forma:

•por la combustión completa del carbono o hidrocarburos

2 CO (s) + O2 (g) 2 CO2 (g)

Dióxido de carbono (CO2) O C O: :

: :

•por reacción del CO con el oxígeno del aire:

•por reacción de los carbonatos o carbonatos ácidos con ácidos:

CaCO3 (s) + 2 H+ (ac) Ca2+ (ac) + CO2(g) + H2O(l)

•por calentamiento de carbonatos:

CaCO3 (s) OCa (s) + CO2(g)

Ácido carbónico (H2CO3)

H2CO3 (ac) HCO3- (ac) + H+ (ac)

HCO3- (ac) CO3

2- (ac) + H+ (ac)

El ácido carbónico nunca se ha obtenido en estado puro. Las soluciones de dióxido de carbono en agua consisten principalmente en moléculas de CO2 disueltas (menos del

1% está en forma de moléculas de H2CO3).

CO2(g) + H2O(l) H2CO3 (ac)

Carburos

•Carburos salinos: Se forman con los elementos de los grupos 1 y 2 y el aluminio.

•Carburos intersticiales: Los forman los elementos de los bloques d y f.

•Carburos covalentes: Compuestos covalentes formados por el carbono y un no metal.

Carburo de silicio (SiC)

Silicio

El silicio se presenta en la naturaleza en forma de silicatos y también como sílice (dióxido de silicio, SO2).

Tres formas comunes de sílice

Cuarzo Cuarcita Cristobalita

Ácidos del silicio

•No se ha podido aislar ningún ácido del silicio.

•El ácido metasilícico H2SiO3 es un ácido débil. La sal de sodio se añade a los detergentes para facilitar su acción.

•El ácido ortosilícico es también un ácido débil. Al acidificar una solución de ortosilicato de sodio se produce un precipitado gelatinoso.

4 H3O+ (ac) + SiO44-(g) + x H2O(l) SiO2(s) x H2O(gel) + 6 H2O(l)

silicagel

Silicatos

Silicatos

•El número de silicatos naturales ronda el millar.

•Las diferencias entre los diversos silicatos provienen del número de cargas negativas en cada tetraedro del número de átomos de O en los vértices enlazados con otros tetraedros y de la manera en que las cadenas y capas de tetraedros se colocan unas con respecto a otras.

• Se pueden mencionar: asbestos, mica, talco, feldespatos, granito, etc.

•Siliconas: Polímeros sintéticos.

El vidrio es un producto de fusión de materiales

inorgánicos ópticamente transparente que se ha

enfriado a un estado rígido sin cristalizar.

Está formado por una mezcla fundida de

dióxido de silicio (SiO2), con compuestos como

óxido de sodio, oxido de boro y óxidos de

metales de transición.

•Debido a que el Sn y Pb tienen configuraciones ns2 np2 en los niveles de valencia, se observan dos estados de oxidación: +4 y +2 (especies con par inerte).

•El estado +4 pierde importancia y el estado +2 se hace más importante a los largo de la serie: Ge, Sn, Pb.

•El Sn2+ y Pb2+ son las únicas especies catiónicas del grupo que existen en agua.

Compuestos del estaño y plomo

2 e- + 4 H+ (ac) + PbO2(g) Pb2+ (ac) + 2 H2O

El dióxido de plomo es un agente oxidante fuerte:

E° = + 1,46 V

Poder oxidante del óxido de plomo

Carácter ácido del estaño y el plomo

Sn(H2O)62+ + H2O Sn(H2O)5(OH)+ + H3O+

Ka = 3 x 10-4

Pb(H2O)62+ + H2O Pb(H2O)5(OH)+ + H3O+

Ka = 2 x 10-8

E (s) + 2 H2O (l) + 2 OH- (ac) — E(OH)42- (ac) + 2 H2 (g),

E = Sn, Pb

Base

E (s) + 2 H3O+ (ac) — E2+ (ac) + 2 H2O (l) + 2 H2 (g),

E = Sn, Pb

Ácido

C (s) + H2O (g) — CO (g) + H2 (g)

Si (s) + 2 H2O (l) — SiO2 (s) + 2 H2 (g)

Agua

E (s) + 2 X2 (g, l, s) — EX4 (s, l, g), E = C, Si, Ge, Sn

Pb (s) + X2 (g, l, s) — PbX2 (s)

Halógeno (X2)

E (s) + O2 (g) — EO2 (s), E = C, Si, Ge, Sn

2 Pb(s) + O2 (g) — 2 PbO (s)

Oxígeno

C (s) + 2 H2 (g) — CH4 (g) y otros hidrocarburosHidrógeno

Reacción con el elemento (E) del grupo 14Reactivo

Propiedades químicas

Preguntas tipo

Preguntas 72 a 75

Pregunta 72: Carbono. Estados alotrópicos del carbono (grafito, diamante, fullereno). Clasificación de los carburos.

Pregunta 73: Dióxido de carbono. Revisión de los conceptos de equilibrio y termodinámica.

Pregunta 74: Sílice. Silicatos. Siliconas.

Pregunta 75: Estaño y plomo. Toxicidad del plomo (Clase 37).

• Atkins P.W, Jones L. Química . 3ra edición. Ed Omega. 1999.

Capítulo 19.• Chang R. Química. Ed. MacGraw Hill.1998. Capítulo 20 y 21.

Consultas: pevelson@ffyb.uba.ar (Pablo Evelson)

BibliografíaBibliografía