Grupa a 14-a a Grupa a 14-a a sistemului periodic sistemului periodic

Caracterizare generalaCaracterizare generala

Elementele ce compun grupa a 14-a sunt: carbonul - C, siliciul - Si, germaniu - Ge, staniul – Sn şi plumbul - Pb.

Aceste elemente sunt caracterizate prin prezenţa a 4e- in stratul periferic.

Z ElementK L M N O P

s s p s p d s p d f s p d f s p

6 Carbon C 2 2 2

14 Siliciu Si 2 2 6 2 2

32 Germaniu Ge 2 2 6 2 6 10 2 2

50 Staniu Sn 2 2 6 2 6 10 2 6 10 - 2 2

82 Plumb Pb 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 - 2 2

Configuratia generala a grupei este: M: ns2np2

Proprietatile fiziceProprietatile fiziceProprietateaProprietatea CarbonCarbon SiliciuSiliciu GermaniuGermaniu StaniuStaniu PlumbPlumb

Starea de agregareStarea de agregare gazgaz solidsolid solidsolid solidsolid solidsolid

p.t. p.t. 00CC 38453845 14131413 959959 232232 327327

p.f. p.f. 00CC sublimaresublimare 26302630 27002700 23602360 17551755

DensitateDensitate 3,513,51 2,332,33 5,355,35 5,775,77 11,3411,34

ElectronegativitateElectronegativitate 2,52,5 1,91,9 1,81,8 1,721,72 1,551,55

Stare de oxidareStare de oxidare -IV, 0, +II, -IV, 0, +II, +IV+IV

-IV, 0, +IV-IV, 0, +IV -IV, +II, +IV-IV, +II, +IV +II, +IV+II, +IV +II, +IV+II, +IV

Raza covalenta, ÅRaza covalenta, Å 0,770,77 1,171,17 1,221,22 1,401,40 1,541,54

Raza ionica, Å MRaza ionica, Å M2+2+ -- -- -- 0,90,9 1,211,21

Raza ionica, Å MRaza ionica, Å M4+4+ -- -- 0,530,53 0,710,71 0,760,76

Potential de electrod, Potential de electrod, M/MM/M2+2+

-- -- 0,50,5 -0,136-0,136 -0,126-0,126

Duritate MohsDuritate Mohs CCdiamantdiamant, 10, 10 77 6,36,3 1,5-1,81,5-1,8 1,51,5

Grupa a 14-a este cea mai puţin omogenă comparativ cu cea a halogenilor, astfel:

Carbonul – este nemetal tipicSiliciul si germaniul - sunt semimetale Staniul si plumbul – sunt metale.

- caracterul nemetalic scade de la carbon la plumb- raza covalentă si raza ionică cresc cu creşterea numărului atomic - temperatura de topire, temperatura de fierbere, potentialul de ionizare corespunzator primului electron, duritatea, scad cu cresterea numarului atomic- avand configuratia ns2np2 ultimii 2e- din substratul de tip p sunt neimperecheaţi. Electronii din substratul np se implică mai uşor la formarea legăturilor chimice. Angajarea electronilor din np poate avea loc independent faţă de cei din ns, încât atomii pot realiza doua covalente sau electrovalente. Electronii din ns se implică mai greu in stabilirea legaturilor chimice odata cu creşterea numarului atomic, Z. - Stabilitatea stării de oxidare maxime +IV, scade cu creşterea numarului atomic Z. Astfel, dacă la C, Si, Ge şi Sn compuşii cei mai stabili corespund stării de oxidare +IV, la plumb corespund stării de oxidare +II

- elementele acestei grupe au o tendinta redusa de a forma ioni monoatomici E4+, tendinta care creste cu cresterea numarului atomic Z- nu se cunosc combinatii cu C4+ sau Si4+

- la Sn si Pb datorita accentuării caracterului metalic formarea ionilor E4+ si E2+ începe să fie posibilă, exista acesti cationi stabili doar in stare solidă- elemntele grupei a 14-a au o tendinţă pronunţată de a forma legaturi covalente atât cu ele însele cât şi cu elemente electronegative- carbonul hibridizează sp, sp2 si sp3 realizând legaturi de tip σ si de tip π. Formarea legaturilor C-C si C-H este influenţată favorabil de electronegativitatile foarte apropiate ale C si H (XH = 2,1 si XC = 2,5)Proprietatea carbonului de a forma catene sau cicluri cu legaturi σ si π cu alţi atomi de carbon este unică in privinţa stabilităţii si diversităţii.Desi apar si la Si, S, N, B, Ge stabilitatea catenelor E-E este mult mai scăzută dacat la carbon. Stabilitatea catenelor se explica prin lipsa electronilor neparticipanti. Oxizii au in general caracter de anhidrida, dand oxoacizi cu formula generala H2EO3 in cazul C, Si, Ge sau H2EO4 in cazul Si si Ge si corespunzator oxosarurile au formulele generale M2EO3 şi M2EO4

Oxoacizii sunt mai slabi decat cei ai elementelor din grupele 15, 16 si 17 deoarece sarcina nucleara creste in perioada, deci si atractia electronilor implicati in legaturi covalente, creindu-se astfel posibilitatea de a ioniza mai usor.

CarbonulCarbonul Simbol C Numar atomic, Z=6 Numar de masa, A=12

Stare naturala

- in stare libera pura - diamantul –retea cubica - grafitul – retea hexagonala

- in stare libera impura – carbunii naturali ( compozitie: 55-95% C, 2-6% H, 2-7% O, N, S, H2O) cu varietatile: antracit, huila, lignit, turba

- sub forma de combinaţii anorganice – saruri - piatra de var, creta, marmura CaCO3

- magnezita MgCO3

- dolomite CaMg(CO3)2

- witeritul BaCO3

- sideroza FeCO3

- ceruzitul PbCO3

- sub forma de combinaţii organice – titeiul si gazele naturale - in regnul vegetal si animal.

Proprietati fiziceProprietati fizice - are doi izotopi naturali 12C (98,89 %) si 13C (1,11 %)-are un izotop radioactiv 14C care se formeaza in straturile superioare ale atmosferei prin captarea de neutroni lenti de catre azot. Are timpul de injumatăţire 5570 ani - determinarea vârstei fosilelor

147N + 1

0n → 146C + 1

1H

Alotropie

- diamantul – toti atomii de carbon au hibridizare sp3, toti atomii se leaga numai prin legaturi simple de tip σ, lungimea legaturii C-C este 1,54 Å, unghiul dintre legaturi este 109028”- grafitul - toti atomii de carbon au hibridizare sp2, atomii se leaga prin legaturi simple de tip σ si cu o treime de legatura dubla, unghiul dintre legaturi este 1200, intre straturi sunt forte de tip Van der Waals care permit clivajul.

Compusii carbonului cuCompusii carbonului cu hidrogenulhidrogenulCombinatiile binare ale carbonului cu hidrogenul se numesc Combinatiile binare ale carbonului cu hidrogenul se numesc hidrocarburi.hidrocarburi. Se clasifica dupa mai multe criterii: Se clasifica dupa mai multe criterii:- dupa natura legaturilor intre atomii de carbon: - dupa natura legaturilor intre atomii de carbon:

alcani, alchene, alchinealcani, alchene, alchine- dupa tipul catenei: - dupa tipul catenei: liniare, cicliceliniare, ciclice

Compusii carbonului cu oxigenulCompusii carbonului cu oxigenulCompusii oxigenati ai carbonului se impart in trei categoriiCompusii oxigenati ai carbonului se impart in trei categorii: : oxizi, oxiacizi si oxosarurioxizi, oxiacizi si oxosaruri

Starea de oxidare

Oxizi Oxoacizi Oxosaruri

+II CO monoxidul de carbon - -

+IV CO2 dioxid de carbon

O=C=OEste anhidrida acidui carbonic CO2 + H2O = H2CO3

H2CO3 acid

carbonic -diprotic

MHCO3 carbonati acizi

M(HCO3)2

M2CO3 carbonati neutri

MCO3

Compusii cu halogeniiSunt combinatiile binare formate din carbon si un halogen.

Formula generala este CX4 caz in care X poate fi F, Cl sau CX2 doar pentru cazul cand X poate fi F

Compusii cu sulful Combinatia binara formata din carbon si sulf, cu formula CS2,

disulfura de carbon

Combinatiile cu metaleleSunt numite carburi metalice. Cele formate cu metale puternic

electropozitive, cum sunt cele din grupele 1 si 2 in reactie cu apa formeaza acetilena. Carburile metalelor mai putin electropozitive formeaza combinatii complexe.

SiliciulSiliciulSimbol Si Numar atomic, Z = 14 Numar de masa, A = 28

Stare naturala 1. In stare libera nu exista in natura, datorita afinitatii lui pentru

oxigen2. Sub forma de combinatii (28,09 %, al doilea element dupa oxigen)

a. anorganice minerale: - silicea SiO2 in stare pura – cuart sau cristal de stanca si varietati

colorate, cum ar fi citrinul - galben, marionul - negru, ametist – violet, cuart fumuriu sau cuart trandafiriu

- feldspati – aluminosilicati de Na, K si Ca cum ar fi: ortoza KAl(Si3O8) sau albitul NaAl(Si3O8) - mica – silicat de Al, Na, K sau Li ce contin si Mg sau Fe, cum ar fi

muscovitul KAl2(AlSi3O10)(OH)2 biotitul K(Mg,Fe)3(OH,F)2[AlSi3O10]

- acidul silicic coloidal – in apele termale b. Sub forma de combinatii organice (regnul animal si vegetal).

Metode de obtinereMetode de obtinere

A. Prin reducerea silicei cu reducatori puternici – Na, K, Mg, Al, C in cuptoare electrice, in prezenta electrozilor de grafit

SiO2 + 2C → Si + 2COSiO2 + 3C → SiC + 2COSiO2 + 2SiC → 3Si + CO2

4Al + 3SiO2 = 3Si + 2Al2O3

Siliciul formal se dizolva in Al iar la racire se separa in forma cristalina. Excesul de Al se dizolva in HCl.

B. Siliciu pur se prepara prin tratarea celui impur cu Cl2 gazos, la temperatura de 5000C cand se formeaza tetraclorura de siliciu, care se purifica prin distilare fractionata si apoi se reduce cu hidrogen la 800 0C

SiCl4 + 2Cl2 = Si + 4HCl

Proprietati fiziceProprietati fizice

- are trei izotopi stabili 28Si 92,27 %, 29Si 4,68 % si 30Si 3,05 %,- cristalizeaza in retea cubica ca si diamantul, distanta Si-Si este 2,35 Ǻ- este lucios, cenusiu, casant, dur (7 in scara Mohs)- nu este ductil- se dizolva in metale topite Ag, Al- are proprietati de semiconductor- conductibilitatea electrica a Si pur este mica dar creste odata cu temperatura si cu continutul in impuritati

Proprietati chimiceProprietati chimice- Reactivitatea chimica este dependenta de temperatura si de dimensiunea cristalelor. Forma cea mai reactiva este cea de pulbere microcristalina, forma in care da reactii cu nemetalele, cu metalele si cu substantele compuse

Si + 2Cl2 = SiCl4 la 500 0CSi + O2 = SiO2 la 600 0CSi + 2S = SiS2 la 600 0C3Si + 2N2 = Si3N4 la 1000 0CSi + C = SiC la 2000 0CSi + 2H2O = SiO2 + 2H2

Si + 4NaOH = Na4SiO4 + 2H2 la incalzire slaba- Din punct de vedere redox este reducator puternic

Si + 4MgO = 2Mg + Mg2SiO4 la 1000 0CSi + 4BaO = 2Ba + Ba2SiO4 la 1000 0C

- Este pasivat de acizi, cu exceptia acidului fluorhidric sau amestecului acid fluorhidric - acid azotic

Si + 4HF = SiF4 + 2H2

3Si + 18HF + 4HNO3 = 3H2[SiF6] + 4NO + 8H2O

-Cu metalele formeaza siliciuri, cu structura cristalina. Siliciurile metalelor alcaline sunt ionice, reactioneaza cu apa sau acizii minerali diluati formand tetrahidrura de siliciu si baza. Siliciurile metalelor tranzitionale corespund compozitiilor MSi, MSi2 si MSi3. Au retele cristaline variate de culoare cenusie-neagra, stralucitoare, asemanatoare otelului. Sunt dure, greu fuzibile iar unele sunt asemanatoare compusilor interstitiali.

Actiune fiziologica si Actiune fiziologica si intrebuintariintrebuintari

- la constructia celulelor din bateriile solare- dezoxidant al oţelurilor – datorită afinităţii pentru oxigen sub forma aliajelor fero-siliciu, silico-mangan, silico-calciu- cresterea continutului de siliciu din otel măreşte rezistenţa la coroziune si influenteaza procesul de calire- la sinteza siliconilor si altor materiale tehnice- praful de silice dă boala numita sideroza

Combinatiile siliciului cu hidrogenulCombinatiile binare ale siliciului cu hidrogenul se numesc

silani si corespund formulei generale SinH2n+2 analoga alcanilor dar n este limitat la maximum 6.

Silanii sunt utilizati in industria chimica si drept combustibili pentru rachetele cosmice.

Combinatiile siliciului cu oxigenulCompusii oxigenati ai siliciului se impart in trei categorii: oxizi,

oxoacizi si oxosaruri

Starea de oxidare

Oxizi Oxoacizi Oxosaruri

+II SiO

+IV SiO2 dioxid de monofosfor

nPO2 ↔(PO2)n

H4SiO4 acid silicic

policondenseaza nH4SiO4 = (H4SiO4)n gelatinos.

La incalzire pierde apa si formeaza silicagel

xE2O3 ∙ySiO2∙zH2O silicati

E = Na, K, Ca, Mg, Fe(II), Mn, Al, Fe(III)

Combinatiile cu halogeniiSunt combinatii binare, cu formula generala SiX4 unde X = F, Cl, Br, I