El grupo 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 IUPAC moderna , se denomina grupo 14 . En el campo de la física de semiconductores todavía se le denomina universalmente grupo IV . El grupo también se conoce como tetrels (de la palabra griega tetra , que significa cuatro), debido al número romano IV en los nombres de los grupos, o (no coincidentemente) por el 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 exterior . Un átomo neutro aislado 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 formar enlaces covalentes , lo que suele llevar la capa exterior a ocho electrones . Los enlaces en estos elementos a menudo conducen a una hibridación en la que se borran los distintos caracteres s y p 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 dobles enlaces 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 , al igual que al aumentar el número atómico. El carbono por sí solo forma iones negativos , en forma de iones carburo (C 4− ). El silicio y el germanio , ambos metaloides , pueden formar cada uno de ellos +4 iones. Tanto el estaño como el plomo son metales , mientras que el flerovium es un elemento sintético y radiactivo (su vida media es muy corta, sólo 1,9 segundos) que puede tener algunas propiedades similares a las de un gas noble , aunque lo más probable es que siga siendo un metal posterior a la transición. Tanto el estaño como 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 ( ver convención lambda ), los derivados del grupo 14 QR 4 se destacan por ser precisos electrónicamente: no son ni deficiente en electrones (tiene menos electrones que un octeto y tiende a ser ácido de Lewis en Q y generalmente existe como grupos oligoméricos o aductos con bases de Lewis) ni excesivo de electrones (tiene pares libres en Q y tiende a ser básico de Lewis en P). Como resultado, los alquilos del grupo 14 tienen baja reactividad química en relación con los derivados alquílicos 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 alquilo hacen que los derivados alquílicos 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 disulfuros y diseleniuros. [4]
El silicio forma varios hidruros; dos de ellos son SiH 4 y Si 2 H 6 . El silicio forma tetrahaluros con flúor, cloro, bromo y yodo. 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 bromo y astato. El germanio se une a todos los calcógenos individuales naturales, excepto al polonio, y forma dióxidos, disulfuros y diseleniuros. El nitruro de germanio tiene la fórmula Ge 3 N 4 . [7]
El estaño forma dos hidruros: SnH 4 y Sn2H6. El estaño forma dihaluros y tetrahaluros con todos los halógenos excepto el astato. El estaño forma calcogenuros con uno de cada calcógeno natural excepto polonio, y forma calcogenuros con dos de cada calcógeno natural excepto polonio y 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 diyoduro, aunque el tetrabromuro y el tetrayoduro de plomo son inestables. El plomo forma cuatro óxidos, un sulfuro, un seleniuro y un telururo. [9]
No se conocen compuestos de flerovium. [10]
Los puntos de ebullición del grupo carbono tienden a disminuir con los elementos más pesados. El carbono, el elemento más ligero del grupo del carbono, se sublima a 3825 °C. El punto de ebullición del silicio es 3265 °C, el del germanio es 2833 °C, el del estaño es 2602 °C y el del plomo es 1749 °C. Se prevé que el flerovio hierva 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 a 939 °C, el estaño a 232 °C y el plomo a 328 °C. [13]
La estructura cristalina del carbono es hexagonal ; a altas presiones y temperaturas se forma diamante (ver 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 carbono tienden a aumentar al aumentar el número atómico. El carbono tiene una densidad de 2,26 gramos por centímetro cúbico , el silicio tiene una densidad de 2,33 gramos por centímetro cúbico, el germanio tiene una densidad de 5,32 gramos por centímetro cúbico. El estaño tiene una densidad de 7,26 gramos por centímetro cúbico y el plomo tiene una densidad de 11,3 gramos por centímetro cúbico. [13]
Los radios atómicos de los elementos del grupo carbono tienden a aumentar al aumentar el 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 raro. El carbono amorfo es un tercer alótropo del carbono; es un componente del hollín . Otro alótropo del carbono es el fullereno , 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 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 . [dieciséis]
El estaño tiene dos alótropos: α-estaño, también conocido como estaño gris, y β-estaño. El estaño se encuentra típicamente 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 temperaturas frías se desmoronen hasta convertirse en un polvo gris en un proceso conocido como plaga 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]
Hay 15 isótopos de carbono conocidos . De ellos, tres se producen de forma natural. El más común es el carbono-12 estable , seguido del carbono-13 estable . [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 el silicio estable-30. El silicio-32 es un isótopo radiactivo que se produce naturalmente como resultado de la desintegración radiactiva de los actínidos y por 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 producen de forma natural. El más común es el isótopo estable germanio-74, seguido del isótopo estable germanio-72, el isótopo estable germanio-70 y el isótopo estable germanio-73. El isótopo germanio-76 es un radioisótopo primordial . [18]
Se han descubierto 40 isótopos de estaño . 14 de ellos ocurren en la naturaleza. El más común es el estaño-120, seguido del estaño-118, estaño-116, estaño-119, estaño-117, estaño-124, estaño-122, estaño-112 y 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 estaño-121, estaño-123, estaño-125 y estaño-126. [18]
Se han descubierto 38 isótopos de plomo . Nueve de ellos son naturales. El isótopo más común es el plomo-208, seguido del plomo-206, el plomo-207 y el plomo-204: todos ellos son estables. Cinco isótopos de plomo surgen de la desintegración radiactiva del uranio y el torio. Estos isótopos son plomo-209, plomo-210, plomo-211, plomo-212 y plomo-214. [18]
Se han descubierto seis isótopos de flerovium (flerovium-284, flerovium-285, flerovium-286, flerovium-287, flerovium-288 y flerovium-289). Ninguno de estos ocurre naturalmente. 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 en las pequeñas. [17] El carbono está presente en la corteza terrestre en concentraciones de 480 partes por millón y 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 carbonato y se encuentra en el carbonato de hidrógeno , que es común en el agua de mar. El carbono constituye 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 allí. La concentración de silicio en el agua de mar puede variar desde 30 partes por mil millones en la superficie del océano hasta 2.000 partes por mil millones en las profundidades. El polvo de silicio se encuentra en pequeñas cantidades en la atmósfera de la Tierra. Los minerales de silicato son el tipo de mineral más común en la tierra. El silicio constituye en promedio 14,3 partes por millón del cuerpo humano. [18] Sólo 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 elemento número 52 más abundante allí. En promedio, el germanio constituye 1 parte por millón del suelo . El germanio constituye 0,5 partes por billón de 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 mil millones. Se ha descubierto que el germanio existe en algunas estrellas muy lejanas. [18]
El estaño constituye 2 partes por millón de la corteza terrestre, lo que lo convierte en el elemento número 49 más abundante allí. En promedio, el estaño constituye 1 parte por millón del suelo. El estaño existe en el agua de mar en concentraciones de 4 partes por billón. El estaño constituye 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 presenta en concentraciones de una parte por mil en rocas ígneas . [19]
El plomo constituye 14 partes por millón de la corteza terrestre, lo que lo convierte en el elemento número 36 más abundante allí. En promedio, el plomo constituye 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 constituye 1,7 partes por millón del cuerpo humano en peso. La actividad humana libera más plomo al medio ambiente que cualquier otro metal. [18]
Flerovium no se encuentra en la naturaleza en absoluto, por lo que sólo 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 familiar para los egipcios predinásticos, que lo utilizaban para cuentas y pequeños jarrones; a los primeros chinos; y probablemente a muchos otros de los antiguos. La fabricación de vidrio que contenía sílice fue llevada a cabo tanto por los egipcios (al menos ya en 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 parte de los primeros pueblos.
Los orígenes del estaño parecen perderse 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 Mesopotamia temprana, el valle del Indo, Egipto, Creta, Israel y Perú. Gran parte del estaño utilizado por los primeros pueblos del Mediterráneo aparentemente procedía de las Islas Sorlingas y Cornualles en las Islas Británicas, [21] donde la extracción del metal data aproximadamente del 300 al 200 a. C. Las minas de estaño operaban tanto en las zonas incas como en las aztecas de América del Sur y Central antes de la conquista española.
El plomo se menciona con frecuencia en los primeros relatos bíblicos. Los babilonios utilizaban el metal como placas para grabar inscripciones. Los romanos lo utilizaron para tabletas, tuberías de agua, monedas e incluso utensilios de cocina; de hecho, como resultado del último uso, se reconoció el envenenamiento por plomo en la época de Augusto César . El compuesto conocido como albayalde aparentemente se preparaba como pigmento decorativo al menos ya en el año 200 a.C.
El silicio elemental amorfo fue obtenido puro por primera vez 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 la electrólisis.
El germanio es uno de los tres elementos cuya existencia fue predicha en 1869 por el químico ruso Dmitri Mendeleev cuando ideó por primera vez su tabla periódica. Sin embargo, el elemento no fue descubierto hasta después de algún tiempo. En septiembre de 1885, un minero descubrió una muestra de mineral en una mina de plata y se la entregó al administrador de la mina, quien determinó que se trataba de un mineral nuevo y lo envió a Clemens A. Winkler . Winkler se dio cuenta de que la muestra tenía 75% de plata, 18% de azufre y 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 flerovium (entonces denominado "elemento 114") fue en 1969, en el Instituto Conjunto para la Investigación Nuclear , pero no tuvo éxito. En 1977, investigadores del Instituto Conjunto para la Investigación Nuclear bombardearon átomos de plutonio-244 con calcio-48 , pero nuevamente no tuvieron éxito. Esta reacción nuclear se repitió en 1998, esta vez con éxito. [18]
El carbono se utiliza más comúnmente en su forma amorfa . De esta forma, el carbono se utiliza para la fabricación de acero , como negro de humo , como relleno de neumáticos , en respiradores y como carbón activado . El carbono también se utiliza en forma de grafito y se utiliza comúnmente como mina de lápices . El diamante , otra forma de carbono, se utiliza habitualmente en joyería. [18] Las fibras de carbono se utilizan en numerosas aplicaciones, como puntales de satélites , porque las fibras son muy fuertes pero elásticas. [22]
El dióxido de silicio tiene una amplia variedad de aplicaciones, que incluyen pasta de dientes , rellenos para la construcción y la sílice es un componente importante del vidrio . El 50% del silicio puro se dedica a la fabricación de aleaciones metálicas . El 45% del silicio se dedica 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 sustituido por el silicio. [17] Los detectores de radiación contienen germanio. El dióxido de germanio se utiliza en fibras ópticas y lentes de cámaras gran angular. Una pequeña cantidad de germanio mezclada con plata puede hacer que la plata sea resistente al deslustre . La aleación resultante se conoce como 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 también se utiliza en la industria química . El estaño también es un constituyente de numerosas aleaciones, incluido el peltre . El óxido de estaño (IV) se ha utilizado habitualmente 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 pesas, pigmentos y blindaje contra materiales radiactivos. Históricamente, el plomo se utilizaba en la gasolina en forma de tetraetilo de plomo , pero esta aplicación se ha suspendido debido a preocupaciones de toxicidad. [23]
El diamante alótropo de carbono se produce principalmente en Rusia , Botswana , Congo , Canadá y Sudáfrica , 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]
Hay algunos minerales de germanio, como la germanita , pero no se extraen por ser raros. En cambio, el germanio se extrae de 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 zonal . 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 por 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 más 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 de las baterías de plomo . La cantidad total de plomo jamás extraída por el hombre asciende a 350 millones de toneladas métricas. [18]
El carbono es un elemento clave para toda la vida conocida. Se encuentra en todos los compuestos orgánicos, por ejemplo, en el ADN , los esteroides y las proteínas . [6] La importancia del carbono para la vida se debe principalmente a su capacidad para formar numerosos enlaces con otros elementos. [17] Hay 16 kilogramos de carbono en un ser humano típico de 70 kilogramos. [18]
Comúnmente se discute la viabilidad de la vida basada en el silicio . Sin embargo, es menos capaz que el carbono de formar anillos y cadenas elaborados. [6] Las diatomeas y las esponjas marinas utilizan el silicio en forma de dióxido de silicio 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 humanos. Los seres humanos consumimos una media de entre 20 y 1.200 miligramos de silicio al día, procedente principalmente de cereales . Hay 1 gramo de silicio en un ser humano típico de 70 kilogramos. [18]
Se desconoce el papel biológico del germanio, aunque sí estimula el metabolismo . En 1980, Kazuhiko Asai informó que el germanio era beneficioso para la salud, pero esta afirmación no ha sido probada. Algunas plantas absorben el germanio del suelo en forma de óxido de germanio [ se necesita aclaración ] . Estas plantas, que incluyen cereales y hortalizas, 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 hasta 2013 no hay evidencia que indique que los humanos necesiten estaño en su dieta. Las plantas no necesitan estaño. Sin embargo, las plantas sí acumulan estaño en sus raíces . El trigo y el maíz contienen siete y tres 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 . De media, los seres humanos consumimos 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 ningún papel biológico conocido 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 ningún papel biológico y, en cambio, se encuentra y produce únicamente en aceleradores de partículas.
El carbono elemental generalmente no es tóxico, pero muchos de sus compuestos sí lo son, como el monóxido de carbono y el cianuro de hidrógeno . Sin embargo, el polvo de carbón 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 provocar efectos adversos para la salud si entra en los pulmones. [17]
El germanio puede interferir con enzimas como el lactato 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. Una intoxicación grave por germanio puede provocar la muerte por parálisis respiratoria . [24]
Algunos compuestos de estaño son tóxicos al ingerirlos , pero la mayoría de los compuestos inorgánicos del estaño se consideran no tóxicos. Los compuestos orgánicos de estaño, como el trimetilestaño y el trietilestaño, son muy tóxicos y pueden alterar los procesos metabólicos dentro de las células. [18]
El plomo y sus compuestos, como los acetatos de plomo, son muy tóxicos. El envenenamiento por plomo puede causar dolores de cabeza , dolor de estómago, estreñimiento y gota . [18]
Flerovium es demasiado radiactivo para probar si es tóxico o no, aunque su alta radiactividad por sí sola sería tóxica.