Grupo de carbono

El grupo de 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 notación IUPAC moderna, se llama grupo 14. En el campo de la física de semiconductores, todavía se le llama universalmente grupo IV. El grupo alguna vez también fue conocido como los tetrels (de la palabra griega tetra, que significa cuatro), derivado del número romano IV en los nombres del grupo, o (no por casualidad) del hecho de que estos elementos tienen cuatro electrones de valencia (ver más abajo). También se conocen como cristalógenos o adamantógenos.

Características

Química

Al igual que otros grupos, los miembros de esta familia muestran patrones en la configuración electrónica, especialmente en las capas más externas, lo que da como resultado 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 s² p² en el estado fundamental. Estos elementos, especialmente el carbono y el silicio, tienen una fuerte propensión a formar enlaces covalentes, lo que normalmente hace que la capa exterior tenga ocho electrones. Los enlaces en estos elementos a menudo conducen a la hibridación donde se borran los distintos caracteres s y p de los orbitales. Para enlaces simples, un arreglo típico tiene cuatro pares de electrones sp3, aunque también existen otros casos, como tres pares sp² en grafeno y grafito. Los dobles enlaces son característicos del carbono (alquenos, CO2...); 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 aumenta el número atómico. El carbono solo forma iones negativos, en forma de iones de carburo (C⁴⁻). Silicio y germanio, ambos metaloides, cada uno puede formar +4 iones. El estaño y el plomo son metales, mientras que el flerovio es un elemento radiactivo sintético (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 posterior a la 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.

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 diselenuros.

El silicio forma varios hidruros; dos de ellos son SiH4 y Si2H6. El silicio forma tetrahaluros con flúor, cloro, bromo y yodo. El silicio también forma un dióxido y un disulfuro. El nitruro de silicio tiene la fórmula Si₃N₄.

El germanio forma cinco hidruros. Los dos primeros hidruros de germanio son GeH4 y Ge2H6. 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 individuales naturales, excepto al polonio, y forma dióxidos, disulfuros y diseleniuros. El nitruro de germanio tiene la fórmula Ge₃N₄.

El estaño forma dos hidruros: SnH4 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.

El plomo forma un hidruro, que tiene la fórmula PbH4. El plomo forma dihaluros y tetrahaluros con flúor y cloro, y forma dibromuro y diyoduro, aunque el tetrabromuro y tetrayoduro de plomo son inestables. El plomo forma cuatro óxidos, un sulfuro, un seleniuro y un telururo.

No hay compuestos conocidos de flerovium.

Física

Los puntos de ebullición del grupo de carbono tienden a disminuir con los elementos más pesados. El carbono, el elemento del grupo de carbono más ligero, se 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 Flerovium hierva a -60 °C. Los puntos de fusión de los elementos del grupo de 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.

La estructura cristalina del carbono es hexagonal; a altas presiones y temperaturas 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.

Las densidades de los elementos del grupo de carbono tienden a aumentar con el aumento del 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.

Los radios atómicos de los elementos del grupo del 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.

Alótropos

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 esto es relativamente raro. El carbono amorfo es un tercer alótropo del carbono; es un componente del hollín. Otro alótropo del carbono es un fullereno, que tiene la forma de láminas de átomos de carbono plegadas en una esfera. Un quinto alótropo de carbono, descubierto en 2003, se llama grafeno y tiene la forma de una capa de átomos de carbono dispuestos en forma de panal.

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.

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° Celsius/56° Fahrenheit. Esto puede hacer que los objetos de estaño en temperaturas frías se desmoronen y se conviertan en polvo gris en un proceso conocido como plaga de estaño o pudrición de estaño.

Nucleares

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 un núcleo mágico.

Isótopos

Hay 15 isótopos de carbono conocidos. De estos, tres son naturales. El más común es el carbono-12 estable, seguido del carbono-13 estable. El carbono-14 es un isótopo radiactivo natural con una vida media de 5.730 años.

Se han descubierto 23 isótopos de silicio. Cinco de estos son naturales. El más común es el silicio-28 estable, seguido del silicio-29 estable y el silicio-30 estable. 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 descomposición radiactiva de los actínidos.

Se han descubierto 32 isótopos de germanio. Cinco de estos son naturales. 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.

Se han descubierto 40 isótopos de estaño. 14 de estos 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 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.

Se han descubierto 38 isótopos de plomo. 9 de estos son naturales. El isótopo más común es el plomo-208, seguido del plomo-206, el plomo-207 y el plomo-204: todos estos son estables. 4 isótopos de plomo se producen a partir de la descomposición radiactiva del uranio y el torio. Estos isótopos son plomo-209, plomo-210, plomo-211 y plomo-212.

Se han descubierto 6 isótopos de flerovium (flerovium-284, flerovium-285, flerovium-286, flerovium-287, flerovium-288 y flerovium-289). Ninguno de estos es natural. El isótopo más estable de Flerovium es el flerovium-289, que tiene una vida media de 2,6 segundos.

Ocurrencia

El carbono se acumula como resultado de la fusión estelar en la mayoría de las estrellas, incluso en las pequeñas. 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 carbonato de hidrógeno, que es común en el agua de mar. El carbono forma el 22,8% de un ser humano típico.

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 de 30 partes por mil millones en la superficie del océano a 2000 partes por mil millones más abajo. El polvo de silicio se encuentra en pequeñas cantidades en la atmósfera 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 del cuerpo humano. Solo las estrellas más grandes producen silicio a través de la fusión estelar.

El germanio constituye 2 partes por millón de la corteza terrestre, lo que lo convierte en el 52º elemento más abundante allí. 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 existe germanio en algunas estrellas muy lejanas.

El estaño constituye 2 partes por millón de la corteza terrestre, lo que lo convierte en el 49º elemento más abundante allí. 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 presenta en concentraciones de 0,1 a 300 partes por millón en los suelos. El estaño también se presenta en concentraciones de una parte por mil en rocas ígneas.

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 llegar a 20000 partes por millón (2 por ciento) cerca de las 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.

El florovio solo se encuentra en los aceleradores de partículas.

Historia

Descubrimientos y usos en la antigüedad

El carbono, el estaño y el plomo son algunos de los elementos más 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, quienes 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 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 utilizaron en varios tipos de mortero para la construcción de viviendas por parte de los primeros pueblos.

Los orígenes del estaño parecen estar perdidos 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. Aparentemente, gran parte del estaño utilizado por los primeros pueblos mediterráneos provenía de las Islas Sorlingas y Cornualles en las Islas Británicas, donde la extracción del metal data de aproximadamente 300-200 a. Las minas de estaño estaban operando tanto en las áreas incaicas como aztecas de América del Sur y Central antes de la conquista española.

El plomo se menciona a menudo en los primeros relatos bíblicos. Los babilonios usaron 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 albayalde aparentemente se preparó como un pigmento decorativo por lo menos ya en el año 200 a.

Descubrimientos modernos

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 realmente descubierto por algún tiempo. En septiembre de 1885, un minero descubrió una muestra de mineral en una mina de plata y se la entregó al gerente de la mina, quien determinó que era un mineral nuevo y se lo envió a Clemens A. Winkler. Winkler se dio cuenta de que la muestra tenía 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.

El primer intento de descubrir el flerovium (entonces conocido como "elemento 114") fue en 1969, en el Joint Institute for Nuclear Research, pero no tuvo éxito. En 1977, los 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.

Etimologías

La palabra "carbono" proviene de la palabra latina carbo, que significa "carbón vegetal". La palabra "silicio" proviene de la palabra latina silex o silicis, que significa "pedernal". La palabra "germanio" proviene de la palabra germania, que en latín significa Alemania, el país donde se descubrió el germanio. La palabra "estaño" deriva de la palabra en inglés antiguo tin. La palabra "liderar" proviene de la palabra en inglés antiguo lead. Flerovium lleva el nombre de Georgy Flyorov y su Instituto.

Aplicaciones

El carbono se usa 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 usa en forma de grafito y se usa comúnmente como mina en los lápices. El diamante, otra forma de carbono, se usa comúnmente en joyería. Las fibras de carbono se utilizan en numerosas aplicaciones, como puntales de satélite, porque las fibras son muy fuertes pero elásticas.

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 principal 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 usa comúnmente en semiconductores desde la década de 1950.

El germanio se usó en semiconductores hasta la década de 1950, cuando fue reemplazado por silicio. Los detectores de radiación contienen germanio. El dióxido de germanio se utiliza en fibra óptica y lentes de cámara 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 argentium.

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 es utilizado por la industria química. El estaño también 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.

El 80 % de todo el plomo producido se destina a baterías de plomo-ácido. Otras aplicaciones del plomo incluyen pesas, pigmentos y protección contra materiales radiactivos. Históricamente, el plomo se usaba en la gasolina en forma de tetraetilo de plomo, pero esta aplicación se suspendió debido a problemas de toxicidad.

Producción

El diamante alótropo de carbono se produce principalmente en Rusia, Botswana, Congo, Canadá y Sudáfrica, India. Rusia produce el 80% de todos los diamantes sintéticos. China produce el 70% del grafito del mundo. Otros países mineros de grafito son Brasil, Canadá y México.

El silicio se puede producir calentando sílice con carbono.

Hay algunos minerales de germanio, como la germanita, pero no se extraen debido a que son escasos. 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 el refinado por zonas. Cada año se producen aproximadamente 140 toneladas métricas de germanio.

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 (SnO₂) con coque.

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 a partir de baterías de plomo. La cantidad total de plomo jamás extraído por humanos asciende a 350 millones de toneladas métricas.

Función biológica

El carbono es un elemento clave para toda forma de vida conocida. Está en todos los compuestos orgánicos, por ejemplo, ADN, esteroides y proteínas. La importancia del carbono para la vida se debe principalmente a su capacidad para formar numerosos enlaces con otros elementos. Hay 16 kilogramos de carbono en un humano típico de 70 kilogramos.

La viabilidad de la vida basada en el silicio es un tema de debate común. Sin embargo, es menos capaz que el carbono de formar anillos y cadenas elaborados. El silicio en forma de dióxido de silicio es utilizado por diatomeas y 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 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 ser humano típico de 70 kilogramos.

Se desconoce el papel biológico del germanio, aunque estimula el metabolismo. En 1980, Kazuhiko Asai informó que el germanio era beneficioso para la salud, pero la afirmación no ha sido probada. Algunas plantas toman germanio del suelo en forma de óxido de germanio. 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 humano típico de 70 kilogramos.

Se ha demostrado que el estaño es esencial para el crecimiento adecuado de las ratas, pero, a partir de 2013, no hay evidencia que indique que los humanos necesitan estaño en su dieta. Las plantas no requieren estaño. Sin embargo, las plantas 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 llegar a 2000 partes por millón si las plantas están cerca de una fundición de estaño. En promedio, los humanos consumen 0,3 miligramos de estaño por día. Hay 30 miligramos de estaño en un humano típico de 70 kilogramos.

El plomo no tiene una función biológica conocida y, de hecho, es muy tóxico, pero algunos microbios pueden sobrevivir en entornos 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.

Flerovium no tiene ningún papel biológico y, en cambio, se encuentra y se fabrica solo en aceleradores de partículas.

Toxicidad

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 manera similar al asbesto.

Los minerales de silicio no suelen ser venenosos. Sin embargo, el polvo de dióxido de silicio, como el que emiten los volcanes, puede tener efectos adversos para la salud si ingresa a los pulmones.

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. El envenenamiento severo por germanio puede causar la muerte por parálisis respiratoria.

Algunos compuestos de estaño son tóxicos al ingerirlos, 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.

El plomo y sus compuestos, como los acetatos de plomo, son altamente tóxicos. El envenenamiento por plomo puede causar dolores de cabeza, dolor de estómago, estreñimiento y gota.

Flerovium es demasiado radiactivo para probar si es tóxico o no, aunque su alta radiactividad por sí sola sería tóxica.