Elementos del grupo 14

Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) Elementos del grupo 14 El grupo 14 de la tabla periódica de los elementos, también se conoce como grupo del carbono (el carbono es el elemento cabecera de este grupo) El grupo lo comprenden los siguientes elementos: • Carbono • Silicio • Germanio • Estaño • Plomo 6C 14Si 32Ge 50Sn 82Pb Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) Elementos del grupo 14 La mayoría de los elementos de este grupo son muy conocidos, por ejemplo el carbono es uno de los elementos que más compuestos puede formar A su vez, el silicio es uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre Al bajar en el grupo, estos elementos van teniendo características cada vez más metálicas: el carbono y el silicio son no metálicos (aunque a veces se clasifica al silicio como semimetal), el germanio es un semimetal, y el estaño y el plomo son metálicos 6C 14Si 32Ge 50Sn 80Pb Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C Es sólido a temperatura ambiente puede encontrarse en la naturaleza en distintas formas alotrópicas, carbono amorfo y cristalino en forma de grafito o diamante Es el pilar básico de la química orgánica; se conocen cerca de 16 millones de compuestos de carbono, aumentando este número en unos 500000 compuestos por año, y forma parte de todos los seres vivos conocidos Forma el 0,2 % de la corteza terrestre Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C El carbono no se creó durante el Big Bang porque hubiera necesitado la triple colisión de partículas alfa (núcleos atómicos de helio) y el Universo se expandió y enfrió demasiado rápido para que la probabilidad de que ello aconteciera fuera significativa Donde sí ocurre este proceso es en el interior de las estrellas (en la fase RH (Rama horizontal)) donde este elemento es abundante, encontrándose además en otros cuerpos celestes como los cometas y en las atmósferas de los planetas Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C Resumen de Reactividad Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C USOS 1 Se emplea en la formación de electrodos (p ej de las baterías) El diamante, además de su conocido empleo en joyería, se usa para fabricar herramientas de corte y taladros También se utiliza en la elaboración de algunos tipos de pinturas En las plantas nucleares se utiliza como moderador de neutrones Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C USOS 2 La utilización a gran escala como combustible, debido a la producción de monóxido y dióxido de carbono, constituye un grave problema de contaminación acentuando lo que conocemos como efecto invernadero La acción de los rayos cósmicos sobre el nitrógeno atmosférico produce el isótopo radiactivo 14C, emisor de partículas beta con un período de semidesintegración de 5730 años Este isótopo se usa como datador para determinar la antigüedad de algunos objetos La técnica se basa en comparar la cantidad de 14C presente en una muestra con la presencia media actual de este isótopo Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C USOS 3 El grafito se combina con arcilla para fabricar las minas de los lápices Además se utiliza como aditivo en lubricantes Las pinturas anti-radar utilizadas en el camuflaje de vehículos y aviones militares están basadas igualmente en el grafito, intercalando otros compuestos químicos entre sus capas Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C USOS 3 Las pastillas de carbón se emplean en medicina para absorber las toxinas del sistema digestivo El carbón activado se emplea en sistemas de filtrado y purificación de agua La fibra de carbono (obtenido generalmente por termólisis de fibras de poliacrilato) se añade a resinas de poliéster, donde mejoran mucho la resistencia mecánica sin aumentar el peso, obteniéndose los materiales denominados fibras de carbono Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C Nanotubos de carbono Los nanotubos de carbono son una forma alotrópica del carbono, como el diamante, el grafito o los fullerenos Su estructura puede considerarse procedente de una lámina de grafito enrollada sobre sí misma Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C Nanotubos de carbono nanotubos a estructuras tubulares cuyo diámetro es del orden del nanómetro (nm) Un nanómetro equivale en escala a la billonésima parte de un metro (1 nm = 1x10-9 m) Existen nanotubos de muchos materiales, tales como silicio o nitruro de boro, pero generalmente el término se aplica a los nanotubos de carbono o CNTs (CarbonNanotubes) Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C Nanotubos de carbono Para intentar explicar las diferentes estructuras de los carbones conviene empezar a una escala atómica Así, los átomos de carbono poseen una estructura electrónica 1s2 2s2 2p2 , lo que permite que los orbitales atómicos de los átomos de carbono puedan presentar hibridaciones del tipo: sp, sp2 y sp3 Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C Nanotubos de carbono Cuando se combinan átomos de carbono con hibridación sp dan lugar a cadenas de átomos, en las que cada átomo de carbono está unido a otro átomo de carbono por un enlace tripe y a un segundo átomo de carbono por un enlace sencillo Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C Nanotubos de carbono Este tipo de estructuras constituyen una forma alotrópica del carbono poco común:los carbinos Los carbinos pueden presentar una estructura lineal o cíclica Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C Nanotubos de carbono Dependiendo del grado de enrollamiento y la manera como se conforma la lámina original, el resultado puede llevar a nanotubos de distinto diámetro y geometría interna Los nanotubos conformados como si las esquinas de un folio se uniesen por sus extremos formando un canuto, se denominan nanotubos monocapa, o SWNTs (Single-WalledNanotubes) Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C Nanotubos de carbono Existen también nanotubos cuya estructura se asemeja a la de una serie de tubos concéntricos, incluidos unos dentro de otros a modo de muñecas matriuska y lógicamente de grosores crecientes desde el centro a la periferia Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C Nanotubos de carbono Estos últimos son los nanotubos multicapa o MWNTs (Multi-walledNanotubes) Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C Nanotubos de carbono Los nanotubos de carbono son las fibras más fuertes que se conocen Un solo nanotubo perfecto es de 10 a 100 veces más fuerte que el acero por peso de unidad y poseen propiedades eléctricas muy interesantes, conduciendo la corriente eléctrica cientos de veces más eficazmente que los tradicionales cables de cobre Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C El grafeno El grafeno es una alotropía del carbono; la cual consiste en un teselado hexagonal plano (como un panal de abeja) formado por átomos de carbono y enlaces covalentes que se formarían a partir de la superposición de los híbridos sp2 de los carbonos enlazados Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C El grafeno El descubrimiento experimental de este conjunto bidimensional de átomos de carbono en el año 2004 por Konstantin Novoselov y Andre Geim (Nobel de física en 2010) Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C El grafeno La hibridación sp2 es la que mejor explica los ángulos de enlace, a 120°, de la estructura hexagonal Como cada uno de los carbonos tiene cuatro electrones de valencia en el estado hibridado, tres de esos electrones se alojarán en los híbridos sp2, formando el esqueleto de enlaces covalentes simples de la estructura y el electrón sobrante, se alojará en un orbital atómico de tipo p perpendicular al plano de los híbridos Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C Dispositivos electrónicos con grafeno El grafeno tiene propiedades ideales para ser utilizado como componente en circuitos integrados La dificultad de utilizar grafeno estriba en la producción del mismo material, en el substrato adecuado El grafeno tiene una alta movilidad de portadores, así como un bajo nivel de ruido, lo que permite que sea utilizado como canal en transistores de efecto de campo (FET) Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C FET – Fiel Electric Transistor Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C Transistores de triple modo de grafeno El grafeno es muy fuerte, casi transparente y conduce la electricidad muy bien Ambipolaridad, la capacidad del grafeno de cambiar entre el uso de portadores positivos y negativos sobre la marcha en función de la señal de entrada Los transistores de silicio tradicionales suelen utilizar uno u otro tipo de portador, algo que se determina durante la fabricación Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C Transistores de triple modo de grafeno Un amplificador de tres terminales de un solo transistor hecho de grafeno se puede cambiar en cualquier momento durante el funcionamiento a cualquiera de tres modos: Con portadores positivos, negativos o ambos Lo que ofrece posibilidades que no eran posibles con un solo transistor en las arquitecturas tradicionales Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C Transistores de triple modo de grafeno El un transistor de grafeno puede ser “de tipo N” (negativo) o “tipo P” (positivo), dependiendo de si el portador se origina en la fuente o en los terminales de drenaje (que son efectivamente intercambiables) Una tercera función aparece cuando la entrada de cada portador es igual: El transistor se convierte en un multiplicador de frecuencia Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C Transistores de triple modo de grafeno La velocidad a la que se transmite la información electrónica por un material como el grafeno lo transforma en una excelente alternativa para dispositivos de radiofrecuencia y otros artefactos electrónicos Las técnicas tradicionales para fabricar este material habitualmente conducen a un deterioro de la calidad del dispositivo Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C FET – Fiel Electric Transistor En la UCLA, el profesor Xiangfeng Duan y su equipo, ha desarrollado un nuevo proceso de fabricación de los transistores de grafeno, utilizando un nanocable y otros elementos que permiten, por un lado, eliminar los inconvenientes indicados con anterioridad y, por otro, incrementar la velocidad de funcionamiento Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C Dispositivos electrónicos con grafeno Los investigadores están buscando métodos como la transferencia de hojas de grafeno desde el grafito (exfoliación) o el crecimiento epitaxial (como la grafitización térmica de la superficie del carburo de silicio - SiC) En diciembre de 2008, IBM anunció que habían fabricado y caracterizado transistores operando a frecuencias de 26 GHz En febrero del 2010, la misma IBM anunció que la velocidad de estos nuevos transistores alcanzaba los 100 GHz Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C Otras aplicaciones del grafeno Algunas de sus aplicaciones en la tecnologías del futuro que los expertos ven en este material figuran: Teléfono móvil que se pueda enrollar y guardarlo en el bolsillo Células fotovoltaicas o en batería (genera energía cuando recibe luz) Sensores de lentes de visión nocturna Tejidos para vestir Aplicaciones farmacéutica Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C Otras aplicaciones del grafeno Científicos de la Universidad Nacional de Seúl usaron grafeno para imprimir altavoces en película Usaron una técnica llamada deposición de vapor, creando una fina capa de grafeno sobre láminas de polifluoruro de vinilideno o PVDF, que contenidas entre dos electrodos de grafeno y con una corriente eléctrica aplicada, consiguen crear un altavoz transparente y plano que podría integrarse en sitios tan inverosímiles como ventanas o incluso pantallas Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C Altavoces planos y transparentes usando grafeno Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 6C Otras aplicaciones del grafeno ”Nos parece bastante difícil imaginar que el grafeno reemplace el silicio”, sostiene el doctor PhaedonAvouris, de IBM Avouris dice que el material no tiene una banda de resistividad, una propiedad esencial Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 14Si Abundancia y obtención Es el segundo elemento más abundante en la naturaleza, después del oxígeno, constituyendo aproximadamente un 28% de la corteza terrestre No se presenta en estado elemental, pero se encuentra en forma de dióxido de silicio y en forma de silicatos complejos El silicio constituye aproximadamente un 40% de todos los minerales comunes, incluyendo más del 90% en las rocas ígneas Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 14Si Abundancia y obtención El cuarzo mineral, variedades de cuarzo (tales como ónix, pedernal, y jaspe), y los minerales como la cristobalita son las formas en que se presenta en la naturaleza el silicio cristalizado El dióxido de silicio es el principal constituyente de la arena Silicatos como el de aluminio, calcio y magnesio son los constituyentes principales de arcillas, feldespatos, micas y de piedras semipreciosas como olivina, granate, circonita, topacio, y turmalina Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 14Si Resumen de Reactividad Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 14Si Preparación Se produce por reducción de la sílice con carbón en un horno eléctrico: SiO2 + 2C = Si + 2CO El carácter semiconductor del silicio se consigue en la fase de refinado del silicio así obtenidoLa sílice también puede reducirse con un reductor enérgico como el magnesio mediante una reacción similar a la anterior Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 14Si Usos La resistividad eléctrica del silicio a la temperatura ordinaria es intermedia entre la de los metales y los aislantes y su conductividad puede controlarse agregando pequeñas cantidades de impurezas La posibilidad para controlar las propiedades eléctricas del silicio, y su abundancia en la naturaleza, ha hecho posible el desarrollo y la aplicación difundida de transistores y dispositivos micro electrónicos, circuitos integrados y paneles fotovoltaicos Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 14Si Usos La sílice y los silicatos se usan en la fabricación de vidrios de borosilicato, cemento y porcelana También se usa en la elaboración de lubricantes, repelentes de agua, barnices, abrasivos, pinturas, adhesivos y siliconas El silicio se usa en la industria del acero como un constituyente de las aleaciones de acero al silicio El acero ordinario contiene menos del 0,03% de silicio Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 14Si Usos El acero al silicio, que contiene del 2,5 al 4% de silicio, se usa para hacer los núcleos de los transformadores eléctricos porque esta aleación disminuye la histéresis magnética Una aleación de acero, llamada durirón, que contiene un 15% de silicio, es duro, quebradizo, y tan resistente a la corrosión que se usa en equipos industriales que entran en contacto con agentes químicos corrosivos El silicio se usa también como en aleación con el cobre y el bronce Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 14Si Siliceno El siliceno presenta una estructura sólida, obtenida a partir de átomos de silicio, posee la misma estructura de panel de abeja propia del grafeno gracias a la inclusión de una capa extra de plata o cerámica A pesar de que se conoce desde 2007, los científicos aún buscan un proceso industrial para producirlo masivamente Si lo encuentran, y seguramente lo harán, podría reemplazar al grafeno Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 14Si Siliceno Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 32Ge Resumen de reactividad 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 forma hidruros como germanometano (GeH4), germanoetano (Ge2 H6 ) y germanopropano (Ge3H8), análogos a los alcanos formados por el carbono Los compuestos más importantes del germanio son el óxido GeO2 y los haluros Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 32Ge Resumen de Reactividad Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 32Ge Usos Las aplicaciones del germanio se ven limitadas por su elevado costo y en muchos casos se investiga su sustitución por materiales más económicos El germanio se añade en aleaciones en las que se necesita dilatación en las bajadas de temperatura, pero sus aplicaciones más importantes se encuentran en el campo de la electrónica aprovechando sus propiedades semiconductoras Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 32Ge Usos Los cristales de germanio también tienen otros usos electrónicos especializados como transistores y diodos Dopados con elementos como P, As, Sb, B, Al y Ga, los cristales de germanio se comportan como rectificadores y por ello se han usado desde la segunda guerra mundial (1939-1945) como detectores para ultra alta frecuencia (UHF) en señales de radar y radio Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 32Ge Usos Óptica de infrarrojos: Espectroscopios, sistemas de visión nocturna y otros equipos Aleaciones SiGe en circuitos integrados de alta velocidad También se utilizan compuestos sandwich Si/Ge para aumentar la movilidad de los electrones en el silicio (streched silicon) Lentes, con alto índice de refracción, de ángulo ancho y para microscopios Fibra óptica Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 32Ge Usos En joyería se usa la aleación Au con 12% de germanio El óxido de germanio se usa en la fabricación de vidrio óptico y como medicamento en el tratamiento de algunos tipos de anemia El tetracloruro de germanio es un ácido de Lewis y se usa como catalizador en la síntesis de polímeros (PET) Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 50Sn Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 50Sn 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 Los dos hidróxidos de estaño, Sn(OH)2 y Sn(OH)4, se producen agregando hidróxidos solubles a las soluciones de sales estannosas y estánnicas Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 50Sn El óxido estannoso, SnO, un polvo insoluble negro, se obtiene calentando oxalato estannoso en ausencia de aire En presencia de aire, el óxido estannoso se quema para formar el dióxido, u óxido estánnico, SnO2, un sólido insoluble blanco El dióxido puede obtenerse también calentando ácido estánnico o calentando estaño metal a altas temperaturas en el aire Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 50Sn Resumen de Reactividad Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 50Sn Preparación En la extracción de estaño, el mineral es primeramente triturado y lavado para quitar todas las impurezas y posteriormente se tuesta para oxidar los sulfuros de hierro y cobre Seguidamente se somete a un segundo lavado para eliminar los restos de sulfato de cobre producidos durante la tostación y se reduce con carbón a 1200ºC en un horno eléctrico o de reverbero (SnO2 + 2C = Sn + 2CO) El estaño se afina por electrólisis o refundiéndolo a temperatura moderada para separarlo de las impurezas, que permanecen sin fundir Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 50Sn USOS El estaño tiene usos ampliamente difundidos e interviene en centenares de procesos industriales En forma de película, se usa como revestimiento protector del cobre, del hierro y de los diversos metales usados en la fabricación de latas de conserva, aunque dada la facilidad con que se ataca por algunos ácidos resulta no apto para la elaboración de muchas frutas y otros alimentos Se utiliza para disminuir la fragilidad del vidrio, en el estañado de hilos conductores y, aleado con niobio, en la preparación de semiconductores Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 50Sn USOS Los compuestos de estaño se usan para fungicidas, tintes, dentífricos (SnF2 ) y pigmentos Se utiliza en la preparación de importantes aleaciones como bronce (el estaño y cobre) y metal de tipografía (estaño, plomo y antimonio) Se usa también, en aleación con el titanio, en la industria aeroespacial y como ingrediente en algunos insecticidas El sulfuro estánnico, conocido también como mosaico de oro, se usa en forma de polvo para dar aspecto metálico a objetos de madera o de resina Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 82Pb Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 82Pb No reacciona con el agua pura ni con el oxígeno, pero se corroe en el aire húmedo Es soluble en el ácido nítrico pero se altera poco con el sulfúrico o el clorhídrico a temperatura ambiente El hidróxido de plomo, que se forma por reacción lenta con el agua en presencia de aire, es soluble y tóxico Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 82Pb Resumen de Reactividad Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 82Pb Preparación En primer lugar se procede a la tostación del mineral al aire pasando una parte del sulfuro a óxido 2PbS + 3O2 = 2PbO + SO2 y otra a sulfato PbS + 4SO3 = PbSO4 + 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 Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 82Pb El plomo se afina térmicamente o electrolíticamente mediante el proceso de Bett Se usa el plomo impuro como ánodo y planchas delgadas de plomo puro como cátodo, utilizándose una disolución de fluosilicato de plomo (SiF6Pb) como electrolito Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 82Pb Prácticamente la mitad de la producción de plomo se destina a la fabricación de baterías En algunos usos como aditivo para la gasolina y pigmento para tintas y pinturas está siendo reemplazado por su carácter venenoso y contaminante En otros como tuberías, tipos de imprenta y recubrimientos de cables está siendo sustituido por otros materiales de mejores cualidades Grupo 14 (IVA) La Familia del Carbono (Carbonoideos) 82Pb No obstante se utiliza profusamente en revestimientos y enseres contra las radiaciones, para soldadura (aleado con Sn), en la insonorización de edificios, en la fabricación de perdigones (aleado con As), etc 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 (minio), como estabilizantes en la industria de los plásticos, en algunos insecticidas, etc