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