Loscarbonoideos son elementos químicos que se encuentran en el grupo 14, son por orden denúmero atómico creciente. Son menos reactivos que los térreos pero lo suficientemente inestables como para no existir en la naturaleza.La mayoría de los elementos de este grupo son muy conocidos y difundidos, especialmente el carbono, elemento fundamental de laquímica orgánica. A su vez, el silicio es uno de los elementos más abundantes en lacorteza terrestre (28%), y de gran importancia en la sociedad a partir del siglo XXI, ya que es el elemento principal de loscircuitos integrados.
Al bajar en el periodo, estos elementos van teniendo características cada vez más metálicas: el carbono es unno metal, el silicio y el germanio sonsemimetales, y el estaño, el plomo y el flerovio sonmetales.
Al igual que otros grupos, los miembros de esta familia muestran patrones en laconfiguración electrónica, especialmente en las capas más externas, lo que da lugar a tendencias en el comportamiento químico:
Cada uno de loselementos de este grupo tiene 4electrónes en sucapa externa. Un átomo neutro aislado del grupo 14 tiene la configuración s2 p2 en el estado fundamental. Estos elementos, especialmente elcarbono y elsilicio, tienen una gran propensión a losenlaces covalentes, que suelen llevar laa ocho electrones de la capa externa. Los enlaces en estos elementos a menudo conducen a lahibridación donde se borran los caracteress y p de los orbitales. Paraenlace simple, una disposición típica tienecuatro pares de electrones sp3, aunque también existen otros casos, como tres pares sp2 en elgrafeno y el grafito. Los dobles enlaces son característicos del carbono (alquenos,CO2...); lo mismo para losπ-sistemas en general. La tendencia a perder electrones aumenta al aumentar el tamaño delátomo, al igual que al aumentar el número atómico.Sólo el carbono formaiones negativos, en forma decarburo (C4-).El silicio y elgermanio, ambosmetaloides, pueden formar iones +4 cada uno.Elestaño y elplomo sonmetales, mientras que el flerovio es un elemento sintético,radiactivo (su vida media es muy corta, sólo 1,9 segundos) que puede tener algunas propiedades parecidas a las de losgases nobles, aunque lo más probable es que siga siendo un metal postransicional. 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.
El silicio forma varios hidruros; dos de ellos son elSiH4 y elSi2H6. El silicio forma tetrahaluros con flúor, cloro, bromo y yodo. El silicio también formaun dióxido yun disulfuro.[2]Nitruro de silicio tiene la fórmula Si3N4.[3]
El germanio forma cinco hidruros. Los dos primeros hidruros de germanio sonGeH4 yGe2H6. 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 simples naturales excepto al polonio, y forma dióxidos, disulfuros y diselenuros. Elnitruro de germanio tiene la fórmula Ge3N4.[4]
El estaño forma dos hidruros:SnH4 ySn2H6. El estaño forma dihaluros y tetrahaluros con todos los halógenos excepto el astato. El estaño forma calcogenuros con uno de cada uno de los calcogenuros naturales excepto el polonio, y forma calcogenuros con dos de cada uno de los calcogenuros naturales excepto el polonio y el telurio.[5]
El plomo forma un hidruro, que tiene la fórmulaPbH4. El plomo forma dihaluros y tetrahaluros con flúor y cloro, y forma un dibromuro y un diioduro, aunque el tetrabromuro y el tetraioduro de plomo son inestables. El plomo forma cuatro óxidos, un sulfuro, un seleniuro y un telururo.[6]
Lospuntos 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 prevé que el flerovio hierva a -60 °C.[8][9] Los puntos de fusión de los elementos del grupo del carbono tienen aproximadamente la misma tendencia que sus puntos de ebullición. El silicio funde a 1414 °C, el germanio funde a 939 °C, el estaño funde a 232 °C, y el plomo funde a 328 °C.[10]
La estructura cristalina del carbono eshexagonal; a altas presiones y temperaturas formadiamante (véase más adelante). El silicio y el germanio tienen estructuras cristalinascúbicas diamantinas, al igual que el estaño a bajas temperaturas (por debajo de 13,2 °C). El estaño a temperatura ambiente tiene una estructura cristalinatetragonal. El plomo tiene una estructura cristalina cúbica centrada en la cara.[10]
Ladensidad de los elementos del grupo del carbono tiende a aumentar con el incremento del número atómico. El carbono tiene una densidad de 2,26gramos 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.[10]
Los radios atómicos de los elementos del grupo del carbono tienden a aumentar con el incremento del número atómico. El radio atómico del carbono es de 77picómetros, 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.[10]
El carbono tiene múltiplesalótropos. El más común es elgrafito, que es carbono en forma de láminas apiladas. Otra forma de carbono es eldiamante, pero es relativamente raro. Elcarbono amorfo es un tercer alótropo del carbono; es un componente delhollín. Otro alótropo del carbono es elfullereno, que tiene forma de láminas de átomos de carbono plegadas en una esfera. Un quinto alótropo del carbono, descubierto en 2003, se llamagrafeno, y tiene forma de capa de átomos de carbono dispuestos en forma de panal.[3][11][12]
El silicio tiene dos alótropos conocidos que existen a temperatura ambiente. Estos alótropos se conocen como alótropo amorfo y alótropo cristalino. El alótropo amorfo es un polvo marrón. El alótropo cristalino es gris y tiene unlustre metálico.[13]
El estaño tiene dos alótropos: α-estaño, también conocido como estaño gris, y β-estaño. El estaño se encuentra típicamente en la forma 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 grados Celsius (55,8 °F). Esto puede hacer que los objetos de estaño en temperaturas frías se desmoronen hasta convertirse en polvo gris en un proceso conocido comoplaga del estaño o putrefacción del estaño.[3][14] Hay 16 kg de carbono en el cuerpo de un humano típico de 70 kg.[15]
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.
El silicio como sílice en forma de cristal de roca era familiar para los egipcios predinásticos, que lo usaban para hacer cuentas y pequeños jarrones; a los primeros chinos; y probablemente a muchos otros de los antiguos. La fabricación de vidrio que contiene 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 utilizaron en varios tipos de mortero para la construcción de viviendas por parte de los primeros habitantes.
Los orígenes del estaño parecen perderse en la historia. Parece que losbronces, que son aleaciones decobre yestaño, fueron utilizados por el hombre prehistórico algún tiempo antes de que se aislara el metal puro. Los bronces eran comunes en la Mesopotamia temprana, elvalle del Indo, Egipto,Creta,Israel yPerú. Gran parte del estaño utilizado por los primeros pueblos mediterráneos aparentemente provenía de las Islas Sorlingas y Cornualles en las islas británicas, donde la extracción del metal data de aproximadamente 300-200 a. C. Las minas de estaño estaban operando en las áreas inca y azteca de América del Sur y Central antes de la conquista española.[cita requerida]
Elplomo se menciona a menudo en los primeros relatos bíblicos. Los babilonios utilizaron el metal como placas en las que grabar inscripciones. Los romanos lo usaban para tabletas, pipas de agua, monedas e incluso utensilios de cocina; de hecho, como resultado del último uso, el envenenamiento por plomo se reconoció en la época de Augusto César. El compuesto conocido como plomo blanco aparentemente se preparó como un pigmento decorativo al menos ya en el año 200 a. C.
El silicio elemental amorfo se obtuvo 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 la electrólisis.
El germanio es uno de los tres elementos cuya existencia predijo en 1869 el químico ruso Dmitri Mendeleev cuando ideó por primera vez su tabla periódica. Sin embargo, el elemento no se descubrió realmente durante algún tiempo. 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 envió el mineral a Clemens A. Winkler . Winkler se dio cuenta de que la muestra era 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.
El primer intento de descubrir elflerovio (entonces denominado "elemento 114") fue en 1969, en el Instituto Conjunto de Investigaciones Nucleares , pero no tuvo éxito. En 1977, los investigadores del Instituto Conjunto de 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.
Elcarbono se acumula como resultado de la fusión estelar en la mayoría de lasestrellas, incluso en las pequeñas. [16] El carbono está presente en lacorteza 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 laatmósfera en forma demonóxido de carbono,dióxido de carbono ymetano. El carbono es un componente clave de los minerales de carbonato y se encuentra en el hidrogenocarbonato, que es común en elagua de mar. El carbono forma el 22,8% de un ser humano típico.
Elsilicio está presente en la corteza terrestre en concentraciones del 28%, lo que lo convierte en el segundo elemento más abundante en ea. 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 profundidades. El polvo de silicio se encuentra en pequeñas cantidades en laatmósfera terrestre. Los minerales de silicato son el tipo de mineral más común en la tierra. El silicio constituye una media de 14,3 partes por millón delcuerpo humano. Solo las estrellas más grandes producen silicio a través de la fusión estelar.
Elgermanio constituye 2 partes por millón de la corteza terrestre, lo que lo convierte en el 52.º elemento más abundante en ella. En promedio, el germanio constituye 1 parte por millón de 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.
Elestaño constituye 2 partes por millón de la corteza terrestre, lo que lo convierte en el 49.º elemento más abundante en ella. En promedio, el estaño constituye 1 parte por millón de 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 suelos. El estaño también se encuentra en concentraciones de una parte por mil enrocas ígneas.
Elplomo constituye 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 constituye 23 partes por millón de suelo, pero la concentración puede llegar a 20000 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 peso del cuerpo humano. La actividad humana libera más plomo al medio ambiente que cualquier otro metal.
Elflerovio solo se puede producir en aceleradores de partículas.
El carbono se usa más comúnmente en su forma amorfa. De esta forma, el carbón se utiliza para la fabricación deacero, comonegro de carbón, como relleno en neumáticos, en respiradores y comocarbón activado. El carbono también se usa en forma degrafito y se usa comúnmente como mina en loslápices. Eldiamante, otra forma de carbono, se usa comúnmente en joyería. Lasfibras de carbono se utilizan en numerosas aplicaciones, como puntales de satélite, porque las fibras son muy fuertes pero elásticas.
Eldióxido de silicio tiene una amplia variedad de aplicaciones, incluida la pasta de dientes, los rellenos de construcción y la sílice es un componente importante delvidrio. El 50% del silicio puro se destina a la fabricación de aleaciones metálicas. El 45% del silicio se destina a la fabricación desiliconas. El silicio también se usa comúnmente en semiconductores desde la década de 1950.
Elgermanio se utilizó en semiconductores hasta la década de 1950, cuando fue reemplazado por silicio. Los detectores de radiación contienen germanio. Eldióxido de germanio se utiliza enfibra óptica y lentes de cámaras de gran angular. Una pequeña cantidad de germanio mezclado conplata puede hacer que la plata sea resistente al deslustre. La aleación resultante se conoce comoargentium.
La soldadura es el uso más estaño también es utilizado por la industria química . El estaño también es un componente de numerosas aleaciones, incluido elimportante 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 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.
El 80% de todo el plomo producido se destina a baterías de plomo-ácido . Otras aplicaciones del plomo incluyen pesos, pigmentos y blindaje contra materiales radiactivos. El plomo se ha utilizado históricamente en la gasolina en forma de plomo tetraetílico , pero esta aplicación se ha interrumpido por motivos de toxicidad.
