Grupo 14

Los elementos del grupo 14
C, Si, Ge, Sn y Pb
Algunas generalidades del grupo 14
• Gran diversidad en sus propiedades, que van del carbono no
metálico a los bien conocidos metales estaño y plomo.
• Como sugiere la configuración ns2np2, el estado de oxidación +4 es
el dominante en los compuestos de los elementos. La principal
excepción es el plomo, para el cual el estado de oxidación más
común es +2 (por efecto del par inerte).
• El carbono y el silicio son oxófilos y fluorófilos muy fuertes (tienen
grandes afinidades por los aniones O2- y F-).
• Todos los elementos del grupo, excepto el plomo, tienen por lo
menos una fase sólida con una estructura tipo diamante.
Estructura cúbica de diamante
Estructura cúbica del grafito
Presencia en la naturaleza y extracción
• El diamante y el grafito (formas puras del carbono) se extraen de
minas.
• Existen formas menos puras del carbono. El coque, que se prepara
por pirólisis del carbón, y el negro de humo, que es el producto de la
combustión incompleta de hidrocarburos.
• Es silicio presenta el 26% de la masa de la corteza terrestre. Se
encuentra en la arena, cuarzo, amatista, ágata y ópalo y también se
encuentra en asbestos y arcillas.
• El silicio elemental se puede producir a partir de la sílice, SiO2, por
reducción con carbono en una horno de arco eléctrico:
SiO2  C 
 Si( s )  2CO( g )
• El SiO2 en utilizado en exceso para prevenir la formación del SiC:
SiO2  2SiC 
3Si( s )  2CO( g )
Presencia en la naturaleza y extracción
• El germanio es poco abundante. Se obtiene por reducción de GeO2
con monóxido de carbono o hidrógeno.
• El estaño se produce por la reducción del mineral casiterita, SnO2,
con coque en un horno eléctrico.
• El plomo se obtiene de sus sulfuros minerales, que se convierten
en el óxido y se reducen por medio de carbono en un horno de alta
temperatura.
PbS  1.5O2 
 PbO  SO2
PbO  C 
 Pb(liq )  CO;
PbO  CO 
 Pb(liq )  CO2
Los fulerenos
• El Premio Nobel de Química de 1996 se otorgó a Richard Smalley,
Robert Curl y Harold kroto por el descubrimiento de un nuevo
alótropo de carbono, C60, denominado buckminsterfulereno, en
honor a los domos geodésicos diseñados por el arquitecto
Buckminster Fuller.
Los fulerenos
• Cuando se hace pasar un arco eléctrico entre electrodos de
carbono en una atmósfera inerte, se forma una gran cantidad de
hollín junto con cantidades significativas de C60 y cantidades mucho
más pequeñas de otros fulerenos, como C70, C76, C84.
• Los fulerenos pueden disolverse en un hidrocarburo (ejemplo:
benceno o tolueno; soluciones magenta) o en hidrocarburos
halogenados y ser separados por cromatografía en una columna de
alúmina.
• La estructura de C60 se ha determinado por cristalografía de rayos
X en un sólido a baja temperatura y por difracción de electrones en
fase gaseosa.
Compuestos simples
Hidruros
• El metano, CH4, es el hidrocarburo más simple. Se trata de un gas
inodoro e inflamable que se encuentra en grandes depósitos
naturales bajo la superficie de la Tierra, de donde se extrae como
gas natural y se utiliza como combustible doméstico e industrial:
CH 4 ( g )  2O2 ( g ) 
CO2 ( g )  H 2O H  882 kJmol 1
•El metano reacciona con halógenos sólo cuando se expone a
radiación ultravioleta:
hv
CH 4 ( g )  Cl2 ( g ) 
CH3Cl ( g )  HCl
Compuestos simples
Hidruros
• El silano, SiH4, se prepara a través de la reducción de SiO2 con
aluminio bajo una alta presión de hidrógeno en una mezcla de sales
fundidas de NaCl y AlCl3:
6H 2 ( g )  3SiO2 (s)  4 Al (s) 
3SiH 4( g )  2 Al2O3 (s)
Los silanos son mucho más reactivos que los alcanos y su estabilidad
disminuye con el aumento en la longitud de la cadena. El SiH4, se
inflama espontáneamente al contacto con el aire, reacciona en
forma violenta con halógenos y se hidroliza al contacto con el agua.
Compuestos simples
Hidruros
• La estabilidad decreciente de los hidruros al descender en el grupo
limita en forma drástica las propiedades químicas a las que se puede
tener acceso para estananos y plumbanos.
• El germano, GeH4, y el estanano, SnH4, pueden sintetizarse por la
reacción entre el teracloruro correspondiente con LiAlH4 en solución
de tetrahidrofurano
Compuestos simples
Compuestos con halógenos
• Los elementos del grupo 14 reaccionan con todos los halógenos
para formar tetrahalogenuros. El plomo también forma
dihalogenuros estables.
• Los tetrahalometanos varían del altamente estable y volátil CF4 al
CI4, sólido y térmicamente inestable.
• Todos los tetrahalometanos son termodinámicamente inestables
respecto a la hidrólisis:
CX 4 ( g; l )  2H 2O(l ) 
CO2 ( g )  4HX (aq)
Compuestos simples
Compuestos con halógenos
• Los halogenuros de carbonilo poseen moléculas planas y son útiles
intermediarios químicos. El OCCl2, fosgeno, es un gas altamente
tóxico que se prepara en gran escala mediante la reacción de cloro
con monóxido de carbono:
CO( g )  Cl2 ( g ) 
Cl2CO( g )
• La utilidad del fosgeno reside en la facilidad del desplazamiento
nucleofílico de cloro para producir compuestos carbonílicos e
isocianatos
Reacciones con fosgeno
O=C=O
(H2N)2C=O
(RO)2CO
H2O
NH3
ROH
(Cl)2C=O
R2NH
SbF3 + Cl2
RNH2
F2C=O
(R2N)(Cl)C=O
RN=C=O
Compuestos simples
Compuestos con halógenos
• Se conocen todos los tetrahalogenuros de silicio y de germanio,
siendo todos ellos compuestos moleculares volátiles. El germanio
muestra signos de un efecto de par inerte en el hecho de que
también forma dihalogenuros no volátiles. Entre los
tetrahalogenuros de silicio el más importante es el tetracloruro, que
se prepara mediante reacción directa entre los elementos:
Si(s)  2Cl2 ( g ) 
 SiCl4 ( g )
• La hidrólisis de los tetrahalogenuros de silicio y de germanio es
rápida y se representa esquemáticamente como sigue:
EX 4  2 H 2O 
 EX 4 (OH 2 )2 
 EO2  4 HX
(E=Si o Ge, X=halogeno)