El grupo del carbono es un grupo de la tabla periódica que consta de carbono (C), silicio (Si), germanio (Ge), estaño (Sn), plomo (Pb) y flerovio (Fl). Se encuentra dentro del bloque p .
En la notación moderna de la IUPAC , se le llama grupo 14. En el campo de la física de semiconductores , todavía se le llama universalmente grupo IV . El grupo también se conoce como tetrelos (de la palabra griega tetra , que significa cuatro), que se deriva del número romano IV en los nombres de los grupos, o (no por coincidencia) del hecho de que estos elementos tienen cuatro electrones de valencia (ver más abajo). También se les conoce como cristalógenos [1] o adamantógenos [2] .
Al igual que otros grupos, los miembros de esta familia muestran patrones en la configuración electrónica , especialmente en las capas más externas, lo que resulta en tendencias en el comportamiento químico:
Cada uno de los elementos de este grupo tiene 4 electrones en su capa externa . Un átomo aislado y neutro del grupo 14 tiene la configuración s 2 p 2 en el estado fundamental. Estos elementos, especialmente el carbono y el silicio , tienen una fuerte propensión a los enlaces covalentes , que normalmente llevan la capa externa a ocho electrones . Los enlaces en estos elementos a menudo conducen a la hibridación donde se borran los caracteres s y p distintivos de los orbitales. Para los enlaces simples , una disposición típica tiene cuatro pares de electrones sp 3 , aunque también existen otros casos, como tres pares sp 2 en el grafeno y el grafito. Los enlaces dobles son característicos del carbono ( alquenos , CO 2 ...); lo mismo para los sistemas π en general. La tendencia a perder electrones aumenta a medida que aumenta el tamaño del átomo , como lo hace con el aumento del número atómico. El carbono solo forma iones negativos , en forma de iones de carburo (C 4− ). El silicio y el germanio , ambos metaloides , pueden formar iones +4. El estaño y el plomo son metales , mientras que el flerovio es un elemento sintético y radiactivo (su vida media es muy corta, solo 1,9 segundos) que puede tener algunas propiedades similares a las de los gases nobles , aunque lo más probable es que sea un metal post-transición. El estaño y el plomo son capaces de formar iones +2. Aunque el estaño es químicamente un metal, su alótropo α se parece más al germanio que a un metal y es un mal conductor eléctrico.
Entre los derivados de alquilo del grupo principal (grupos 1, 2, 13-17) QR n , donde n es el número de enlace estándar para Q ( véase la convención lambda ), los derivados del grupo 14 QR 4 son notables por ser precisos en términos de electrones: no son deficientes en electrones (tienen menos electrones que un octeto y tienden a ser ácidos de Lewis en Q y generalmente existen como grupos oligoméricos o aductos con bases de Lewis) ni excesivos en electrones (tienen par(es) solitario(s) en Q y tienden a ser básicos de Lewis en Q). Como resultado, los alquilos del grupo 14 tienen una reactividad química baja en relación con los derivados de alquilo de otros grupos. En el caso del carbono, la alta energía de disociación del enlace C–C y la falta de diferencia de electronegatividad entre el átomo central y los ligandos de alquilo hacen que los derivados de alquilo saturados, los alcanos , sean particularmente inertes. [3]
El carbono forma tetrahaluros con todos los halógenos . El carbono también forma muchos óxidos como monóxido de carbono , subóxido de carbono y dióxido de carbono . El carbono forma un disulfuro y un diseleniuro . [4]
El silicio forma varios hidruros; dos de ellos son SiH 4 y Si 2 H 6 . El silicio forma tetrahaluros con flúor ( SiF 4 ), cloro ( SiCl 4 ), bromo ( SiBr 4 ) y yodo ( SiI 4 ). El silicio también forma un dióxido y un disulfuro . [5] El nitruro de silicio tiene la fórmula Si 3 N 4 . [6]
El germanio forma cinco hidruros. Los dos primeros hidruros de germanio son GeH 4 y Ge 2 H 6 . El germanio forma tetrahaluros con todos los halógenos excepto el astato y forma dihaluros con todos los halógenos excepto el bromo y el astato. El germanio se une a todos los calcógenos naturales simples excepto el polonio y forma dióxidos, disulfuros y diseleniuros. El nitruro de germanio tiene la fórmula Ge 3 N 4 . [7]
El estaño forma dos hidruros: SnH4 y Sn2H6. El estaño forma dihaluros y tetrahaluros con todos los halógenos excepto el astato. El estaño forma monocalcogenuros con calcógenos naturales excepto el polonio, y forma dicalcogenuros con calcógenos naturales excepto el polonio y el telurio. [ 8]
El plomo forma un hidruro, que tiene la fórmula PbH 4 . El plomo forma dihaluros y tetrahaluros con flúor y cloro, y forma un dibromuro y un diyoduro , aunque el tetrabromuro y el tetrayoduro del plomo son inestables. El plomo forma cuatro óxidos , un sulfuro , un seleniuro y un telururo . [9]
No se conocen compuestos de flerovio. [10]
Los puntos de ebullición del grupo del carbono tienden a disminuir con los elementos más pesados. El carbono, el elemento más ligero del grupo del carbono, sublima a 3825 °C. El punto de ebullición del silicio es de 3265 °C, el del germanio es de 2833 °C, el del estaño es de 2602 °C y el del plomo es de 1749 °C. Se predice que el flerovio hierve a -60 °C. [11] [12] Los puntos de fusión de los elementos del grupo del carbono tienen aproximadamente la misma tendencia que sus puntos de ebullición. El silicio se funde a 1414 °C, el germanio se funde a 939 °C, el estaño se funde a 232 °C y el plomo se funde a 328 °C. [13]
La estructura cristalina del carbono es hexagonal ; a altas presiones y temperaturas forma diamante (véase más abajo). El silicio y el germanio tienen estructuras cristalinas cúbicas de diamante , al igual que el estaño a bajas temperaturas (por debajo de 13,2 °C). El estaño a temperatura ambiente tiene una estructura cristalina tetragonal . El plomo tiene una estructura cristalina cúbica centrada en las caras . [13]
Las densidades de los elementos del grupo del carbono tienden a aumentar con el aumento del número atómico. El carbono tiene una densidad de 2,26 g·cm −3 ; el silicio, 2,33 g·cm −3 ; el germanio, 5,32 g·cm −3 ; el estaño, 7,26 g·cm −3 ; el plomo, 11,3 g·cm −3 . [13]
Los radios atómicos de los elementos del grupo del carbono tienden a aumentar con el aumento del número atómico. El radio atómico del carbono es de 77 picómetros , el del silicio es de 118 picómetros, el del germanio es de 123 picómetros, el del estaño es de 141 picómetros y el del plomo es de 175 picómetros. [13]
El carbono tiene múltiples alótropos . El más común es el grafito , que es carbono en forma de láminas apiladas. Otra forma de carbono es el diamante , pero es relativamente poco común. El carbono amorfo es un tercer alótropo del carbono; es un componente del hollín . Otro alótropo del carbono es un fulereno , que tiene la forma de láminas de átomos de carbono plegadas en una esfera. Un quinto alótropo del carbono, descubierto en 2003, se llama grafeno , y tiene la forma de una capa de átomos de carbono dispuestos en una formación con forma de panal. [6] [14] [15]
El silicio tiene dos alótropos conocidos que existen a temperatura ambiente. Estos alótropos se conocen como alótropos amorfos y cristalinos. El alótropo amorfo es un polvo marrón. El alótropo cristalino es gris y tiene un brillo metálico . [16]
El estaño tiene dos alótropos: el α-estaño, también conocido como estaño gris, y el β-estaño. El estaño se encuentra normalmente en forma de β-estaño, un metal plateado. Sin embargo, a presión estándar, el β-estaño se convierte en α-estaño, un polvo gris, a temperaturas inferiores a 13,2 °C (55,8 °F). Esto puede hacer que los objetos de estaño a bajas temperaturas se desmoronen y se conviertan en polvo gris en un proceso conocido como peste del estaño o podredumbre del estaño. [6] [17]
Al menos dos de los elementos del grupo del carbono (estaño y plomo) tienen núcleos mágicos , lo que significa que estos elementos son más comunes y más estables que los elementos que no tienen núcleo mágico. [17]
Se conocen 15 isótopos del carbono . De ellos, tres se encuentran en la naturaleza. El más común es el carbono estable 12 , seguido del carbono estable 13. [ 13] El carbono 14 es un isótopo radiactivo natural con una vida media de 5.730 años. [18]
Se han descubierto 23 isótopos de silicio . Cinco de ellos se producen de forma natural. El más común es el silicio estable-28, seguido del silicio estable-29 y del silicio estable-30. El silicio-32 es un isótopo radiactivo que se produce de forma natural como resultado de la desintegración radiactiva de los actínidos y a través de la espalación en la atmósfera superior. El silicio-34 también se produce de forma natural como resultado de la desintegración radiactiva de los actínidos. [18]
Se han descubierto 32 isótopos de germanio . Cinco de ellos se encuentran en la naturaleza. El más común es el germanio estable-74, seguido del germanio estable-72, el germanio estable-70 y el germanio estable-73. El germanio-76 es un radioisótopo primordial . [18]
Se han descubierto 40 isótopos del estaño , de los cuales 14 se encuentran en la naturaleza. El más común es el estaño-120, seguido del estaño-118, el estaño-116, el estaño-119, el estaño-117, el estaño-124, el estaño-122, el estaño-112 y el estaño-114: todos ellos son estables. El estaño también tiene cuatro radioisótopos que se producen como resultado de la desintegración radiactiva del uranio. Estos isótopos son el estaño-121, el estaño-123, el estaño-125 y el estaño-126. [18]
Se han descubierto 38 isótopos de plomo , 9 de los cuales se encuentran en la naturaleza. El isótopo más común es el plomo-208, seguido del plomo-206, el plomo-207 y el plomo-204: todos ellos son estables. 5 isótopos de plomo se originan a partir de la desintegración radiactiva del uranio y el torio. Estos isótopos son el plomo-209, el plomo-210, el plomo-211, el plomo-212 y el plomo-214. [18]
Se han descubierto seis isótopos del flerovio (flerovio-284, flerovio-285, flerovio-286, flerovio-287, flerovio-288 y flerovio-289). Ninguno de ellos se encuentra en la naturaleza. El isótopo más estable del flerovio es el flerovio-289, que tiene una vida media de 2,6 segundos. [18]
El carbono se acumula como resultado de la fusión estelar en la mayoría de las estrellas, incluso las pequeñas. [17] El carbono está presente en la corteza terrestre en concentraciones de 480 partes por millón, y está presente en el agua de mar en concentraciones de 28 partes por millón. El carbono está presente en la atmósfera en forma de monóxido de carbono , dióxido de carbono y metano . El carbono es un componente clave de los minerales de carbonato y se encuentra en el hidrogenocarbonato , que es común en el agua de mar. El carbono forma el 22,8% de un ser humano típico. [18]
El silicio está presente en la corteza terrestre en concentraciones del 28%, lo que lo convierte en el segundo elemento más abundante en la misma. La concentración de silicio en el agua de mar puede variar desde 30 partes por mil millones en la superficie del océano hasta 2000 partes por mil millones en las capas más profundas. El polvo de silicio se encuentra en cantidades mínimas en la atmósfera terrestre. Los minerales de silicato son el tipo de mineral más común en la Tierra. El silicio constituye 14,3 partes por millón del cuerpo humano en promedio. [18] Solo las estrellas más grandes producen silicio mediante fusión estelar. [17]
El germanio constituye 2 partes por millón de la corteza terrestre, lo que lo convierte en el 52.º elemento más abundante en la Tierra. En promedio, el germanio constituye 1 parte por millón del suelo . El germanio constituye 0,5 partes por billón del agua de mar. Los compuestos de organogermanio también se encuentran en el agua de mar. El germanio se encuentra en el cuerpo humano en concentraciones de 71,4 partes por billón. Se ha descubierto que el germanio existe en algunas estrellas muy lejanas. [18]
El estaño representa 2 partes por millón de la corteza terrestre, lo que lo convierte en el 49.º elemento más abundante en la misma. En promedio, el estaño representa 1 parte por millón del suelo. El estaño existe en el agua de mar en concentraciones de 4 partes por billón. El estaño representa 428 partes por mil millones del cuerpo humano. El óxido de estaño (IV) se encuentra en concentraciones de 0,1 a 300 partes por millón en los suelos. [18] El estaño también se encuentra en concentraciones de una parte por mil en las rocas ígneas . [19]
El plomo representa 14 partes por millón de la corteza terrestre, lo que lo convierte en el 36.º elemento más abundante en ella. En promedio, el plomo representa 23 partes por millón del suelo, pero la concentración puede alcanzar 20.000 partes por millón (2 por ciento) cerca de antiguas minas de plomo. El plomo existe en el agua de mar en concentraciones de 2 partes por billón. El plomo representa 1,7 partes por millón del cuerpo humano en peso. La actividad humana libera más plomo al medio ambiente que cualquier otro metal. [18]
El flerovio no existe en la naturaleza, por lo que solo existe en aceleradores de partículas con unos pocos átomos a la vez. [18]
El carbono , el estaño y el plomo son algunos de los elementos bien conocidos en el mundo antiguo, junto con el azufre , el hierro , el cobre , el mercurio , la plata y el oro . [20]
El silicio, en forma de sílice en forma de cristal de roca, era conocido por los egipcios predinásticos, que lo utilizaban para hacer cuentas y pequeños jarrones; por los primeros chinos y, probablemente, por muchos otros de los antiguos. La fabricación de vidrio que contenía sílice fue realizada tanto por los egipcios (al menos desde el año 1500 a. C.) como por los fenicios . Muchos de los compuestos naturales o minerales de silicato se utilizaban en diversos tipos de mortero para la construcción de viviendas por los primeros pueblos.
Los orígenes del estaño parecen haberse perdido en la historia. Parece que los bronces, que son aleaciones de cobre y estaño, fueron utilizados por el hombre prehistórico algún tiempo antes de que se aislara el metal puro. Los bronces eran comunes en la antigua Mesopotamia, el valle del Indo, Egipto, Creta, Israel y Perú. Gran parte del estaño utilizado por los primeros pueblos mediterráneos aparentemente provenía de las islas Sorlingas y Cornualles en las Islas Británicas, [21] donde la extracción del metal data de alrededor de 300-200 a. C. Las minas de estaño operaban tanto en las áreas inca como azteca de América del Sur y Central antes de la conquista española.
El plomo se menciona a menudo en los primeros relatos bíblicos. Los babilonios utilizaban el metal como placas en las que grabar inscripciones. Los romanos lo utilizaban para tablillas, tuberías de agua, monedas e incluso utensilios de cocina; de hecho, como resultado de este último uso, el envenenamiento por plomo se reconoció en la época de César Augusto . El compuesto conocido como plomo blanco aparentemente se preparaba como pigmento decorativo al menos desde el año 200 a. C.
El silicio elemental amorfo fue obtenido por primera vez puro en 1824 por el químico sueco Jöns Jacob Berzelius ; el silicio impuro ya se había obtenido en 1811. El silicio elemental cristalino no se preparó hasta 1854, cuando se obtuvo como producto de electrólisis.
El germanio es uno de los tres elementos cuya existencia fue predicha en 1869 por el químico ruso Dmitri Mendeleev cuando diseñó por primera vez su tabla periódica. Sin embargo, el elemento no fue descubierto hasta algún tiempo después. En septiembre de 1885, un minero descubrió una muestra de mineral en una mina de plata y se la dio al gerente de la mina, quien determinó que era un mineral nuevo y lo envió a Clemens A. Winkler . Winkler se dio cuenta de que la muestra estaba compuesta por un 75 % de plata, un 18 % de azufre y un 7 % de un elemento no descubierto. Después de varios meses, Winkler aisló el elemento y determinó que era el elemento 32. [18]
El primer intento de descubrir el flerovio (en aquel entonces denominado «elemento 114») se realizó en 1969 en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear , pero no tuvo éxito. En 1977, investigadores del Instituto Conjunto de Investigación Nuclear bombardearon átomos de plutonio-244 con calcio-48 , pero tampoco tuvieron éxito. Esta reacción nuclear se repitió en 1998, esta vez con éxito. [18]
El carbono se utiliza más comúnmente en su forma amorfa . En esta forma, el carbono se utiliza para la fabricación de acero , como negro de carbono , como relleno de neumáticos , en respiradores y como carbón activado . El carbono también se utiliza en forma de grafito , por ejemplo, como mina de lápices . El diamante , otra forma de carbono, se utiliza comúnmente en joyería. [18] Las fibras de carbono se utilizan en numerosas aplicaciones, como puntales de satélite , porque las fibras son muy fuertes pero elásticas. [22]
El dióxido de silicio tiene una amplia variedad de aplicaciones, entre ellas la pasta de dientes , los rellenos de construcción y la sílice es un componente importante del vidrio . El 50% del silicio puro se destina a la fabricación de aleaciones metálicas . El 45% del silicio se destina a la fabricación de siliconas . El silicio también se utiliza habitualmente en semiconductores desde la década de 1950. [17] [22]
El germanio se utilizó en semiconductores hasta la década de 1950, cuando fue reemplazado por el silicio. [17] Los detectores de radiación contienen germanio. El dióxido de germanio se utiliza en fibras ópticas y lentes de cámara de gran angular. Una pequeña cantidad de germanio mezclado con plata puede hacer que la plata sea resistente al deslustre . La aleación resultante se conoce como plata esterlina argentium . [18]
La soldadura es el uso más importante del estaño; el 50% de todo el estaño producido se destina a esta aplicación. El 20% de todo el estaño producido se utiliza en hojalata . El 20% del estaño se utiliza en la industria química . El estaño es un componente de numerosas aleaciones, incluido el peltre . El óxido de estaño (IV) se ha utilizado comúnmente en cerámica durante miles de años. El estannato de cobalto es un compuesto de estaño que se utiliza como pigmento azul cerúleo . [18]
El 80% de todo el plomo producido se destina a baterías de plomo-ácido . Otras aplicaciones del plomo incluyen pesos, pigmentos y protección contra materiales radiactivos. El plomo se utilizó históricamente en la gasolina en forma de tetraetilo de plomo , pero esta aplicación se ha interrumpido debido a preocupaciones por su toxicidad. [23]
El diamante alótropo de Carbon se produce principalmente en Rusia , Botsuana , Congo , Canadá , Sudáfrica e India . El 80% de todos los diamantes sintéticos se producen en Rusia. China produce el 70% del grafito del mundo. Otros países mineros de grafito son Brasil , Canadá y México . [18]
El silicio se puede producir calentando sílice con carbono. [22]
Existen algunos minerales de germanio, como la germanita , pero no se extraen porque son raros. En cambio, el germanio se extrae de los minerales de metales como el zinc . En Rusia y China , el germanio también se separa de los depósitos de carbón. Los minerales que contienen germanio se tratan primero con cloro para formar tetracloruro de germanio , que se mezcla con gas hidrógeno. Luego, el germanio se refina aún más mediante refinación por zonas . Cada año se producen aproximadamente 140 toneladas métricas de germanio. [18]
Las minas producen 300.000 toneladas métricas de estaño cada año. China, Indonesia , Perú , Bolivia y Brasil son los principales productores de estaño. El método mediante el cual se produce el estaño es calentar el mineral de estaño casiterita (SnO 2 ) con coque . [18]
El mineral de plomo que se extrae con mayor frecuencia es la galena (sulfuro de plomo). Cada año se extraen 4 millones de toneladas métricas de plomo, principalmente en China, Australia , Estados Unidos y Perú. Los minerales se mezclan con coque y piedra caliza y se tuestan para producir plomo puro. La mayor parte del plomo se recicla a partir de baterías de plomo . La cantidad total de plomo extraído alguna vez por los seres humanos asciende a 350 millones de toneladas métricas. [18]
El carbono es un elemento clave para toda la vida conocida. Está presente en todos los compuestos orgánicos, por ejemplo, el ADN , los esteroides y las proteínas . [6] La importancia del carbono para la vida se debe principalmente a su capacidad de formar numerosos enlaces con otros elementos. [17] Hay 16 kilogramos de carbono en un ser humano típico de 70 kilogramos. [18]
La viabilidad de la vida basada en silicio es un tema de debate común. Sin embargo, es menos capaz que el carbono de formar anillos y cadenas elaboradas. [6] El silicio en forma de dióxido de silicio es utilizado por las diatomeas y las esponjas marinas para formar sus paredes celulares y esqueletos . El silicio es esencial para el crecimiento óseo en pollos y ratas y también puede ser esencial en los humanos. Los humanos consumen en promedio entre 20 y 1200 miligramos de silicio por día, principalmente de cereales . Hay 1 gramo de silicio en un humano típico de 70 kilogramos. [18]
No se conoce el papel biológico del germanio, aunque sí estimula el metabolismo . En 1980, Kazuhiko Asai informó que el germanio beneficiaba la salud, pero esta afirmación no ha sido probada. Algunas plantas absorben el germanio del suelo en forma de óxido de germanio . [ Aclaración necesaria ] Estas plantas, que incluyen cereales y verduras , contienen aproximadamente 0,05 partes por millón de germanio. La ingesta humana estimada de germanio es de 1 miligramo por día. Hay 5 miligramos de germanio en un ser humano típico de 70 kilogramos. [18]
Se ha demostrado que el estaño es esencial para el crecimiento adecuado de las ratas, pero, a fecha de 2013, no hay ninguna evidencia que indique que los seres humanos necesitan estaño en su dieta. Las plantas no necesitan estaño. Sin embargo, las plantas recogen estaño en sus raíces . El trigo y el maíz contienen 7 y 3 partes por millón respectivamente. Sin embargo, el nivel de estaño en las plantas puede alcanzar las 2000 partes por millón si las plantas están cerca de una fundición de estaño . En promedio, los seres humanos consumen 0,3 miligramos de estaño al día. Hay 30 miligramos de estaño en un ser humano típico de 70 kilogramos. [18]
El plomo no tiene ninguna función biológica conocida y, de hecho, es altamente tóxico , pero algunos microbios pueden sobrevivir en ambientes contaminados con plomo. Algunas plantas, como los pepinos, contienen hasta decenas de partes por millón de plomo. Hay 120 miligramos de plomo en un ser humano típico de 70 kilogramos. [18]
El flerovio no tiene ninguna función biológica y sólo se encuentra y se fabrica en aceleradores de partículas.
El carbono elemental no suele ser tóxico, pero muchos de sus compuestos sí lo son, como el monóxido de carbono y el cianuro de hidrógeno . Sin embargo, el polvo de carbono puede ser peligroso porque se aloja en los pulmones de forma similar al amianto . [18]
Los minerales de silicio no suelen ser venenosos. Sin embargo, el polvo de dióxido de silicio, como el que emiten los volcanes, puede causar efectos nocivos para la salud si entra en los pulmones. [17]
El germanio puede interferir con enzimas como la lactato deshidrogenasa y la alcohol deshidrogenasa . Los compuestos orgánicos de germanio son más tóxicos que los compuestos inorgánicos de germanio. El germanio tiene un bajo grado de toxicidad oral en animales. La intoxicación grave por germanio puede causar la muerte por parálisis respiratoria . [24]
Algunos compuestos de estaño son tóxicos si se ingieren, pero la mayoría de los compuestos inorgánicos de estaño se consideran no tóxicos. Los compuestos orgánicos de estaño, como el trimetilestaño y el trietilestaño, son altamente tóxicos y pueden alterar los procesos metabólicos dentro de las células. [18]
El plomo y sus compuestos, como los acetatos de plomo, son altamente tóxicos. La intoxicación por plomo puede causar dolores de cabeza , dolor de estómago, estreñimiento y gota . [18]
El flerovio es demasiado radiactivo para comprobar si es tóxico o no, aunque su alta radiactividad por sí sola sería tóxica.