FAMILIA DEL CARBONO Helena Bella Castrillo Ana María Benítez Rodríguez Blanca Felipe Abrio Gema Labrador Herrera

Familia del Carbono 1. Introducción. Familia del Carbono 2. Diferencias entre Carbono y Silicio 3. Formas alotrópicas del Carbono 3.1 Grafito 3.2 Diamante 3.3 Fullerenos y nanotubos 4. Obtenciones y aplicaciones 4.1 Carbono 4.2 Silicio 4.3 Germanio, Estaño y Plomo

1. Introducción. Familia del Carbono

Características generales: Configuración electrónica de valencia ns2 np2 Carácter metálico creciente al descender en el grupo El punto de fusión disminuye al descender en el grupo Forman compuestos con estados de oxidación +2 y +4. La estabilidad decrece a lo largo del grupo

2.Diferencias entre Carbono y Silicio Una forma cristalina estable semejante al diamante Forma sólo un óxido sólido (SiO2), que es estable a temperatura ambiente; el otro óxido (SiO) sólo es estable en el intervalo de temperaturas 1180-2480 ºc Reacciona en medio alcalino formándose H2(g) y SiO44-(aq) El principal oxoanión es el SiO42-, que tiene una forma tetraédrica Menor tendencia a la concatenación, formándose cadenas de átomos de silicio limitadas a aproximadamente seis átomos de Si La formación de enlace múltiples es mucho menos frecuente que para el carbono Valores aproximados de la energías de enlace simple, KJ/mol: Si-Si,226 Si-H,318 Si-O,464 CARBONO Dos formas alotrópicas más importantes: grafito y diamante Forma dos óxidos gaseosos estables, CO y CO2 y otros menos estables, como el C302 Insoluble en medio alcalino El principal oxoanión es el CO32-, que tiene una forma trigonal- plana Gran tendencia a la concantenación, formándose cadenas lineales y ramificadas y anillos de hasta centenares de atomos de C Forma con facilidad enlaces múltiples utilizando los conjuntos de orbitales sp2+p y sp+p2 Valores aproximados de las energías de enlace simple, KJ/mol: C-C,347 C-H,414 C-O,360

3.Formas alotrópicas del Carbono

Alótropos: Formas cristalinas moleculares de la misma sustancia. Los diferentes alótropos del carbono son: Grafito Diamante Fullerenos y nanotubos

3.1 GRAFITO - Forma más estable del carbono a condiciones ordinales. Estructura cristalina: -Átomos de carbono dispuesto en capas: Dentro de la capa: cada átomo se enlaza con 3 C (ángulos de 120º, formando hexágonos ->enlace fuerte). Entre capas ->enlace débil. Estructura electrónica: - Hibridación sp2+p: a) Tres orbitales sp2 formando capas en ordenación hexagonal b) El orbital p, situado perpendicularmente a las capas anteriores, posee los electrones deslocalizados

Estructura electrónica: Banda de valencia: de carácter enlazante. Banda de conducción: parcialmente llena.

- Color negro con brillo metálico, refractario Propiedades: - Color negro con brillo metálico, refractario Sólido a temperatura ambiente Buen lubricante Muy blandos (dureza 1 o 2) Conduce la electricidad Se exfolia con facilidad Mas estable que el diamante Reactividad moderada

3.2 DIAMANTE Forma más estable del carbono a presiones muy altas Estructura cristalina “tipo diamante” : - Cada átomo de carbono está conectado de forma tetraédrica a sus cuatro vecinos Todos los electrones en enlaces sigma C-C Estructura tridimensional de enlaces covalentes Estructura electrónica: Hibridación sp3

Estructura electrónica:

Propiedades: - Sólido rígido transparente - Sustancia más rígida que se conoce - Dureza 10 - Estabilidad - Aislante de electricidad - Incoloro - Mejor conductor de calor - Poco reactivo - Abrasivo ideal

3.3 Fullerenos y Nanotubos Son miembros de la familia de moléculas que se asemejan e incluyen buckminsterfullereno (C60) Se forman en llamas humeantes y en las gigantes rojas El C60 tiene forma de icosaedro truncado: - Figura tridimensional compuesta por doce pentágonos y veinte caras hexagonales - Un átomo de carbono en cada uno de los sesenta vértices Existen otros fullerenos: C70,C74 y C82 Forman compuestos Nanotubos Tubos concéntricos con paredes como láminas de grafito enrolladas en cilindros Diámetros del orden de unos pocos nanómetros Longitud variable ( desde unos pocos nanómetros hasta un micrómetro) Forman fuertes fibras conductoras con una gran área superficial Poseen propiedades electrónicas y mecánicas inusuales

4.Obtenciones y aplicaciones 4.1 Carbono En combinación con otros elementos, el carbono se encuentra en la atmósfera terrestre y disuelto en el agua, y acompañado de menores cantidades de calcio, magnesio y hierro forma enormes masas rocosas. APLICACIONES DEL CARBONO: Componente de hidrocarburos, especialmente combustibles fósiles (petróleo, gas natural). Otros usos: -Datación radiométrica>isótopo carbono-14. -Elemento de aleación principal en aceros. -Varillas de protección de reactores nucleares. -Carbono activado: sistemas de filtrado y purificación del agua. -Carbón amorfo: gomas y electrodos. -Fibras de carbón + resinas de poliéster = fibras de carbono.

OBTENCIÓN DEL GRAFITO: El grafito se encuentra distribuido ampliamente en la corteza terrestre. La mayor parte del grafito industrial puede sintetizarse a partir de materiales de contenido alto en carbono, como el coque. APLICACIONES DEL GRAFITO: Lubricante excelente, incluso seco. Minas de lápices. Conductor de corriente eléctrica en electrodos de baterías y en electrolisis industriales. Forma moldes de fundición, hornos y otros dispositivos de alta temperatura. La combinación de fibras de grafito y diferentes plásticos da lugar a materiales compuestos resistentes y ligeros.

OBTENCIÓN DEL DIAMANTE: Asociados a rocas volcánicas (kimberlita y lamproita). APLICACIONES DEL DIAMANTE: Piedras preciosas. Excelente abrasivo, debido a su gran dureza. Material de corte, como acero y otros materiales duros. Películas de diamante, que pueden depositarse directamente sobre los metales.

4.2 Silicio OBTENCIÓN DEL SILICIO: No se encuentra en estado nativo. Se obtiene al reducir el cuarzo o la arena (SiO2) por reacción con coque en un horno eléctrico de arco. SiO2 + 2C -> Si +2CO El Si de gran pureza se puede obtener reduciendo el Na2SiF6 con Na metálico. Una técnica alternativa es la descomposición del silano, SiH4, mediante una descarga eléctrica. Meteoroides, 2 ºmas abundante tras oxigeno(4ª parte corteza terrestre), no se encuentra en estado nativo sino en minerales como oxido o en silicatos,1ª reaccion diapositiva=silicio metalurgico 99%pureza, coque=tipo de carbón( de la destilacion de la hulla)

APLICACIÓN: (muy abundante) Transistores y otros dispositivos semiconductores. Chips Dispositivos fotovoltaicos (luz solar  electricidad) Fertilizante Silicona Semiconductor

Ejemplo de dispositivo fotovoltaico Semiconductor

4.3 Germanio, Estaño y Plomo OBTENCIÓN DEL GERMANIO: Polvo de los tubos de chimeneas de las industrias que procesan el mineral del Zn o la combustión del C (impureza,GeO2) APLICACIÓN DEL GERMANIO: (elevado coste) Electrónica: radares y amplificadores Lentes de microscopio Quimioterapia En joyería( aleación con Au) Endurecedor Bactericidas Es semiconductor tb, como bactericida se esta estudiando x su escasa toxicidad para mamíferos xo mortal xa algunas bacterias, únicos minerales rentables xa la extracción del Ge=Germanita y Ranierita (se está estudiando su sustitución x materiales mas económicos), forma mas abundante GeO2 (como óxido)

SnO2(s) + C(s) -> Sn(l) + CO2(g) APLICACIÓN DEL ESTAÑO: OBTENCIÓN DEL ESTAÑO: Se obtiene fácilmente de sus minerales, sobre todo de la casiterita (SnO2) por reducción con carbono a 1200ºC: SnO2(s) + C(s) -> Sn(l) + CO2(g) APLICACIÓN DEL ESTAÑO: Fabricación de hojalata Aleaciones como bronce ,peltre y soldadura Recubre otros metales para evitar corrosión Semiconductor, protege a otros metales xq él se oxida fácilmente con el aire (se corroe él)

2PbS(s) + 3 O2(g) -> 2PbO(s) + 2SO2(g) OBTENCIÓN DEL PLOMO: Se obtiene también fácilmente de sus minerales, el principal es la galena (PbS). Se tuesta en presencia de aire, lo cual lo convierte en PbO y luego este óxido es reducido con hulla: 2PbS(s) + 3 O2(g) -> 2PbO(s) + 2SO2(g) PbO(s) +C(s) -> Pb(s) + CO(g) APLICACIÓN DEL PLOMO: En la industria de la construcción Contenedores para transportar ácido sulfúrico y ácido nítrico concentrado Como escudo de radiación Electrodos de baterías de almacenamiento recargable Cubierta para cables Pigmentos Plomadas para pesca Juguetes ADVERTENCIA: sus compuestos son MUY TÓXICOS El plomo rara vez se encuentra en su estado elemental. El mineral más común es el sulfuro y la galena. Muchos trabajadores, x un uso inadecuado, sufren envenenamiento (casos agudos terminan en muerte).Gran ductilidad  perfecto para cables. Merced a su excelente resistencia a la corrosión, el plomo encuentra un amplio uso en la construcción, en particular en la industria química. Es resistente al ataque por parte de muchos ácidos porque forma su propio revestimiento protector de óxido, pero es atacado por las bases nitrogenadas. Como consecuencia de esta característica ventajosa, el plomo se utiliza mucho en la fabricación y el manejo del ácido sulfúrico y ácido nítrico.

BIBLIOGRAFÍA Química. La naturaleza molecular y el cambio y la materia. Silberberg. 2ª edición. McGraw-Hill Interamericana Editores S.A. de C.V. Química general. Petrucci Harwood Herring. 8ª edición. http://www.oviedo.es/personales/carbon/curiosidades/diamantes.htm http://www.uned.es/cristamine/gemas/grupos/diamante/diamante.htm www.uned.es/cristamine/fichas/grafito/grafito.htm