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C
Si
Ge
Sn
PbJ. ISASI
Ilustraciones: J. Isasi y L. Alcaraz
Generalidades.
Silicio y germanio. Estructura tipo diamante. Enlace.
Propiedades físicas de la forma diamantina. Transición no
metal-metal. Propiedades eléctricas.
Silicio, germanio y estaño. Estructura tipo - Sn blanco.
Propiedades del estaño metálico.
Estructura y propiedades del plomo.
Estado natural. Métodos de obtención y aplicaciones.
GENERALIDADES
Propiedades del carbonodistintas de las del resto de los elementos de su grupo
C//// Si, Ge, Sn, Pb
En el carbono no existen orbitales d para ser empleados en la formación de los enlaces
Símbolo C Si Ge Sn Pb
Nº Atómico
Conf. electrónica [He]2s22p2 [Ne] 3s23p2 [Ar]3d104s24p2 [Kr]4d105s25p2 [Xe]4f145d10 6s26p2
en el estado fundamental
Química covalente. Se hace difícil perder electrones para formar cationes
Covalencia típica del C: 4
Enlaces dobles o triples
Grupo 14 Existe la transición no metal- semimetal (Si, Ge)- metal
(+)
Muy altoscaracterísticos de los enlaces de red covalente de los no metales y semimetales
Bajosy como es común en metales amplios intervalos de estado líquido
Tendencia a la formación de cadenas de átomos
Capacidad que disminuye al descender en el grupo
Energía de
enlace (kJmol-1)
C-C 346
Si-Si 222
p.f. (ºC) p.e.(ºC)
C 1420 3280
Si 945 2850
Sn 232 2623
Pb 327 1751
ns2p2 Condiciones ordinarias Alta P
C Grafito (3) Tipo Diamante (4)
Si Tipo Diamante (4) Tipo -Sn blanco(6)
Ge Tipo Diamante (4) Tipo -Sn blanco (6)
Sn -Sn blanco (6)
Tipo Diamante (-Sn gris) (4)
Pb Cúbica (12)
Al aumentar n, mayor tamaño de los orbitales. y aumenta EL Nº DE COORDINACIÓN
T< 13.2 ºC
SILICIO Y GERMANIO . ESTRUCTURA TIPO DIAMANTE. ENLACE
100 200
1000
500
0
T /ºC
Líquido
Estructura
diamantina
Estructura
metálica
tipo estaño
blanco
P /Katm
Forma diamantina estable a bajas presiones
Muy alta energía de los enlaces Ge-Ge/Si-Si
La ruptura es más fácil en planos con relativamente poca densidad
de enlaces (como el perpendicular a la diagonal del cubo (111)
Planos de exfoliación
Forman las caras que se producen en la talla de los diamantes para la obtención de brillantes
Causa de la fragilidad
Gran resistencia a las acciones mecánicas o térmicas que
a separar los átomos de sus posiciones
Posee alta dureza
Altos punto de fusión y ebullición
Bajo coeficiente de dilatación térmica
Sin embargo, el carácter dirigido del enlace covalente que impone orientaciones definidas a los átomos en el cristal
Si p.f. = 1420ºC p.e. = 3280ºCGe p.f. = 945ºC p.e.. = 2850ºC
PROPIEDADES FÍSICAS DE LA FORMA DIAMANTINA
Sn: [Kr]4d105s25p2 4 orbitales híbridos sp3 4n niveles
C Si Ge Sn Pb
Gap (kJmol-1) 580 106.8 64.2 7.7 () 0
Cuanto más fuerte es el enlace más baja es la BV y más alta la BC
2n
2n
BV
B.C
E5p
5s
FORMA DIAMANTINA. TRANSICIÓN NO METAL-METAL
FORMA DIAMANTINA. PROPIEDADES ELÉCTRICAS
Son opacos de color gris en contraste con el diamante, transparente y aislador
EE
C (diamante) Si ó Ge
Semiconductores Propiedad más importanteAplicaciones técnicas
Elemento Gap (kJmol-1)
C 580
Si 106.8
Ge 64.2
Sn 7.7
Muy grande para que el proceso pueda
alcanzarse por excitación térmica
AISLADOR TIPICO
Estaño gris, propiedades metálicas muy
acentuadas a pesar de su baja coordinación
Si
P
B
Si
Semiconductores tipo n Semiconductores tipo p
La incorporación controlada de impurezas puede estimular unau otra clase de conductividad -DOPING-
La conductividad aumenta con la temperatura
En el silicio y germanio muy puros y sin defectos la semiconductividad aumenta con la temperatura y radiaciones luminosas o UV
100 200
1000
500
0
T /ºC
Líquido
Estructura
diamantina
Estructura
metálica
Tipo estaño
blanco
P /Katm
SILICIO, GERMANIO Y ESTAÑO. ESTRUCTURA TIPO - Sn BLANCO
Tipo -Sn
Fase metálica en el silicio y germanio estable a altas presiones
En el estaño fase metálica estable en condiciones ordinarias
Octaedros deformados que comparten todos los vértices
Cada átomo rodeado de
4 d(Sn-Sn) = 3.022 Å
2 d(Sn-Sn) = 3.182 Å
Coordinación 6
Elemento d X-X/ Å d X-X /Å
4 átomos 2 átomos
más próximos restantes
Si 2.430 2.585
Ge 2.533 2.692
Sn 3.022 (+) 3.182 (+)
Tipo -Sn
3.1815 Å
5,8316 Å
Forma ordinaria del estaño: -Sn blanco de propiedades metálicas
p.f.= 232 ºCp.e.= 2623 ºC
Como es común en metales, amplios intervalos de estado líquido
PROPIEDADES DEL ESTAÑO METÁLICO
Es maleable y se pueden obtener láminas muy delgadas. Papel de estaño
No es frágil, se puede doblar sin que se rompa. Ruido característico “grito del Sn” = frotamiento de los cristales
Es blando
Sn gris diamantino (nc:4) Sn blanco metálico (nc:6)
T = 13.2ºC
Velocidad de transformación lenta , Sn blanco puede permanecer indefinidamente por debajo de esa temperatura sin transformarse
Sin embargo, en tubos de órganos de estaño (países con temperaturas
muy bajas) y en monedas de museos aparecían protuberancias
que se convertían en estaño gris
Sn blanco = 7.29 g/cm3
Sn gris = 5.77 g/cm3
(menos densa por su baja coordinación)
ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DEL PLOMO
Pb Estructura cúbica compactatípica de los metales
A P > 100000 atm
Cortes que adquieren tono gris azulado:metal se recubre de capa compacta de óxido que impide su posterior oxidación
Hexagonal compacta
Metal muy tóxico
Muy blando, maleable y muy denso = 11.37 g/cm3
Posee baja resistencia mecánica
p.f.= 327 ºC p.e. = 1751ºC
Soluble en ácidos oxidantes
Metal gris con brillo metálico en cortes recientes
Como es común en metales amplios intervalos de estado líquido
Abundancia g/Ton
C 320
Si 277.20
Ge 2
Sn 3
Pb 15
Escasos
ESTADO NATURAL
No muy abundante, pero ejerce un papel fundamental en todas las formas de vida conocidas
Después del O2, elemento más abundante en la corteza terrestre
Si y Ge
Empleo de reductoresmuy enérgicos
METODOS DE OBTENCIÓN
SiO2 + 4Al Al2O3 + 3Si H = - 677.8 kJ
Reacción que se realiza en un crisol refractario: Mg (polvo) y Ba2O2 + pequeño trozo de cinta de Mg
GeO2 mas fácil de reducir con H2
Hf >>>
Industria: con CaC2 en horno eléctrico
A nivel de Laboratorio: “aluminotermia”
Silicio y germanio muy puros se emplean en transistores
Por reducción de óxidos
APLICACIONES
Por reducción con carbón de coque
Sn y Pb
Por tostación parcial de la galena: PbS + 1/2O2 SO2 + PbO
Calentando fuera del contacto del aire: PbS (reductor) + PbO SO2 + 3Pb
SnO2 + C Sn + CO2
PbO2 + C Pb + CO2
Por purificación de los metales en la electrolisis de sus disoluciones ácidas
Como revestimiento protector del cobre, del hierro y de diversos metales usados en la fabricación de latas de conserva.
Para disminuir la fragilidad del vidrio y para hacer bronce (aleación de estaño y cobre).
Para su empleo en fungicidas, tintes, dentífricos y pigmentos.
En aleación con plomo para fabricar la lámina de los tubos de los órganos musicales.
En etiquetas, en soldaduras y en el recubrimiento del acero.
En la industria de la cerámica para la fabricación de los esmaltes cerámicos.
En el sobretaponado de botellas de vino, en forma de cápsula.
APLICACIONESSn
En grandes cantidades se emplea en la fabricación de baterías y en el revestimiento decables eléctricos.
En las redes de tuberías, tanques y aparatos de rayos X
Por su elevada densidad y propiedades nucleares, se usa como blindaje protector demateriales radiactivos.
Entre las aleaciones de plomo se encuentran las soldaduras, el metal tipográfico ydiversos cojinetes metálicos.
En forma de compuestos en pinturas y pigmentos.
Es peligroso fabricar
tuberías de agua potable
que contengan plomo
Pb