Bachillerato Científico-Tecnolóico C2ºA, Curso 08-09
Trabajo sobre la Química Descriptiva - Versión Online
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II.d.- Carbonoideos

INTRODUCCIÓN
Los elementos del Grupo 14, anteriormente el IV-A según la clasificación CAS y el IV-B según la IUPAC, son carbono, silicio y germanio, que se estudian como no metales aunque todos tienen características semiconductoras en algunas condiciones; además del plomo y estaño que se estudian como metales. La configuración electrónica de estos elementos en su capa de valencia es ns2np2, es decir, poseen un orbital p vacío debido a lo cual, la energía de promoción de uno de los electrones del orbital s al p es mínima, ya que la promoción se realiza dentro del mismo nivel cuántico; por todo ello, en sus combinaciones estos elementos presentan tetracovalencia.

PROPIEDADES
El carbono es un elemento no metálico. El silicio y el germanio son semimetales y conducen la corriente eléctrica cuando aumenta la temperatura, o cuando se encuentran mezclados con pequeñas cantidades de otro elemento; mientras que el estaño y el plomo muestran ya un comportamiento típicamente metálico. El aumento de este carácter metálico tiene lugar al descender en el grupo y se pone de manifiesto en el comportamiento de sus oxidos: los del carbono y el silicio presentan un pequeño carácter acido; los correspondientes al germanio y el estaño tienen un carácter anfótero, y los del plomo poseen ya cierto carácter básico.
Los elementos de este grupo, debido a la configuración electrónica en su nivel más externo (ns2np2), tienen como estados principales de oxidación +2 y +4. Este ultimo estado es muy importante en la química del carbono y del silicio ; a medida que descendemos en el grupo, el estado de oxidación +2 adquiere mayor importancia.
Los potenciales de ionización disminuyen al descender en el grupo y la perdida de dos electrones es un proceso cada vez más fácil: el Ge2+ es poco estable, el Sn2+ es más estable y el Pb2+ lo es más aún.

El carbono tiene un comportamiento que difiere mucho del resto de los elementos del grupo, como consecuencia del pequeño tamaño de su átomo y de la ausencia de niveles internos d y f. Gracias a su electronegatividad, tiene la propiedad de unirse mediante enlaces covalentes, consigo mismo y con otros átomos de hidrógeno, oxígeno, azufre, nitrógeno y halógenos, formando cadenas lineales o anillos. El carbono puede formar: cuatro enlaces simples mediante hibridación sp3, enlaces dobles mediante hibridación sp2, y enlaces triples mediante hibridación sp. Por ello puede originar un número casi ilimitado de compuestos.
La reactividad del carbono a temperatura ambiente es baja; se une con varios metales para formar carburos de tipo salino y con elementos de parecida electronegatividad para formar carburos de tipo covalente. Sin embargo, cuando se eleva la temperatura se combina con oxígeno, cloro, azufre y diversos metales. En el aire arde transformándose en dióxido de carbono.

El silicio se parece más al carbono que al estaño y al plomo. A temperatura ambiente es muy inerte, mientras que a altas temperaturas reacciona con los halógenos formando halogenuros, con el oxígeno para formar SiO2 y con el nitrógeno para formar Si2N4.

El germanio tiene propiedades muy parecidas a las del silicio.

El estaño y el plomo son metales poco reactivos; reaccionan con ácidos oxidantes, como el acido nítrico, y con ácidos no oxidantes, como el acido clorhídrico.
ESTADO NATURAL
-El carbono libre se encuentra , en la mayoría de las ocasiones, en forma amorfa. También se presenta bajo dos formas alotrópicas: El grafito y el diamante. El grafito, muy difundido en la naturaleza, es una sustancia de color negro, blanda, untuosa al tacto y de menor densidad que el diamante. Este último es la sustancia más dura de la naturaleza y presenta distintos tonos de color, según las impurezas que contenga.
-El silicio, a pesar de ser el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre, no se encuentra libre en la naturaleza. Aparece en forma de silice, cuya estructura cristalina más conocida es el cuarzo.
-El germanio, el estaño y el plomo son mucho menos abundantes. El estaño se encuentra en la casiterita y en la estannina; el plomo en la galena y el germanio en minerales asociado a los sulfuros de plomo y estaño. El estaño se puede presentar en tres formas alotrópicas: estaño blanco, estaño gris y estaño frágil.

APLICACIONES
-El carbono en forma de diamante es muy apreciado en joyería, que debidamente pulimentado se conoce con el nombre de brillante. Pulverizado se utiliza como abrasivo. En forma de grafito se utiliza en minas de lápices y en la fabricación de electrodos, moldes y crisoles de alta temperatura. El carbón activo es muy absorbente, por lo que se emplea para eliminar aromas desagradables, vapores peligrosos y purificar el agua. El negro de humo, partículas de carbón que se obtienen al quemar hidrocarburos, se utiliza como pigmento de pinturas. Los carbones naturales (turba, lignito, hulla y antracita) se emplean como combustibles.
-El silicio obtenido mediante reducción con carbono contiene un alto grado de impurezas; se utiliza para producir aleaciones de aceros elásticos, hierros resistentes a la corrosión y siliconas. En estado puro se emplea como semiconductor.
-El germanio forma aleaciones con muchos metales. Cuando tiene un alto grado de pureza, se usa en la fabricación de semiconductores y transistores.
-El estaño y el plomo se utilizan para preparar aleaciones de bajos puntos de fusión. El estaño participa en algunas aleaciones, como el bronce, la hojalata y el metal de soldar. El plomo se utiliza para tuberías de recogida y de conducción de gases y para la fabricación de baterías (acumuladores de plomo).

OBTENCIÓN DE LOS ELEMENTOS
-El silicio se obtiene por reducción de arena (SiO2) con carbono elemental:
SiO2 + 2C -> Si + 2CO


El silicio obtenido contiene impurezas; para purificarlo se trata con cloro.
El silicio también se puede preparar mediante un proceso de aluminotermia:
3SiO2 + 4Al -> 2Al2O2 + 3Si


-El germanio se obtiene mediante un procedimiento similar al seguido en la obtención del silicio.

-El estaño se obtiene a partir de la casiterita, por reducción con carbono:
SnO2 + C -> Sn + 2CO


El producto final se purifica mediante electrólisis.

-El plomo se consigue por reacción entre el sulfuro de plomo, que se extrae de la galena y oxígeno:
2PbS + 3O2 -> 2PbO + 2 SO2


Para reducir el monóxido de plomo se utilizan diferentes procedimientos:
PbO + C -> Pb + CO


PbO + CO -> Pb + CO2


Este plomo contiene pequeñas cantidades de metales preciosos, como oro y plata, por lo que se purifica para recuperarlos.