FAMILIA DEL FAMILIA DEL CARBONOCARBONO

Helena Bella Castrillo Helena Bella Castrillo

Ana María Benítez Rodríguez Ana María Benítez Rodríguez Blanca Felipe Abrio Blanca Felipe Abrio

Gema Labrador Herrera Gema Labrador Herrera

Familia del CarbonoFamilia del Carbono1.1. Introducción. Familia del Carbono Introducción. Familia del Carbono2.2. Diferencias entre Carbono y Silicio Diferencias entre Carbono y Silicio3.3. Formas alotrópicas del Carbono Formas alotrópicas del Carbono 3.13.1 Grafito Grafito 3.23.2 Diamante Diamante 3.33.3 Fullerenos y nanotubos Fullerenos y nanotubos4.4. Obtenciones y aplicaciones Obtenciones y aplicaciones 4.1 4.1 CarbonoCarbono 4.2 4.2 SilicioSilicio 4.34.3 Germanio, Estaño y Plomo Germanio, Estaño y Plomo

1. Introducción. Familia del 1. Introducción. Familia del CarbonoCarbono

Características generales:Características generales:

Configuración electrónica de valencia nsConfiguración electrónica de valencia ns2 2

npnp22

Carácter metálico creciente al descender Carácter metálico creciente al descender en el grupoen el grupo

El punto de fusión disminuye al descender El punto de fusión disminuye al descender en el grupoen el grupo

Forman compuestos con estados de Forman compuestos con estados de oxidación +2 y +4.oxidación +2 y +4.

La estabilidad decrece a lo largo del La estabilidad decrece a lo largo del grupogrupo

2.Diferencias entre Carbono y 2.Diferencias entre Carbono y SilicioSilicio

CARBONOCARBONO Dos formas alotrópicas más Dos formas alotrópicas más

importantes: grafito y diamanteimportantes: grafito y diamante Forma dos óxidos gaseosos estables, Forma dos óxidos gaseosos estables,

CO y COCO y CO2 2 y otros menos estables, y otros menos estables, como el Ccomo el C330022

Insoluble en medio alcalinoInsoluble en medio alcalino El principal oxoanión es el COEl principal oxoanión es el CO33

2-2-, que , que tiene una forma trigonal- planatiene una forma trigonal- plana

Gran tendencia a la concantenación, Gran tendencia a la concantenación, formándose cadenas lineales y formándose cadenas lineales y ramificadas y anillos de hasta ramificadas y anillos de hasta centenares de atomos de Ccentenares de atomos de C

Forma con facilidad enlaces múltiples Forma con facilidad enlaces múltiples utilizando los conjuntos de orbitales utilizando los conjuntos de orbitales spsp22+p y sp+p+p y sp+p22

Valores aproximados de las energías Valores aproximados de las energías de enlace simple, KJ/mol:de enlace simple, KJ/mol:

C-C,347C-C,347 C-H,414C-H,414 C-O,360C-O,360

SILICIOSILICIO Una forma cristalina estable semejante Una forma cristalina estable semejante

al diamanteal diamante Forma sólo un óxido sólido (SiOForma sólo un óxido sólido (SiO22), que ), que

es estable a temperatura ambiente; el es estable a temperatura ambiente; el otro óxido (SiO) sólo es estable en el otro óxido (SiO) sólo es estable en el intervalo de temperaturas 1180-2480 intervalo de temperaturas 1180-2480 ºcºc

Reacciona en medio alcalino Reacciona en medio alcalino formándose Hformándose H2(2(g) y SiOg) y SiO44

4-4-(aq) (aq) El principal oxoanión es el SiOEl principal oxoanión es el SiO44

2-2-, que , que tiene una forma tetraédricatiene una forma tetraédrica

Menor tendencia a la concatenación, Menor tendencia a la concatenación, formándose cadenas de átomos de formándose cadenas de átomos de silicio limitadas a aproximadamente silicio limitadas a aproximadamente seis átomos de Siseis átomos de Si

La formación de enlace múltiples es La formación de enlace múltiples es mucho menos frecuente que para el mucho menos frecuente que para el carbonocarbono

Valores aproximados de la energías de Valores aproximados de la energías de enlace simple, KJ/mol:enlace simple, KJ/mol:

Si-Si,226Si-Si,226 Si-H,318Si-H,318 Si-O,464Si-O,464

3.Formas alotrópicas del 3.Formas alotrópicas del CarbonoCarbono

AlótroposAlótropos: Formas cristalinas : Formas cristalinas moleculares de la misma sustancia.moleculares de la misma sustancia.

Los diferentes alótropos del carbono Los diferentes alótropos del carbono son:son:

GrafitoGrafito

DiamanteDiamante

Fullerenos y nanotubosFullerenos y nanotubos

3.1 GRAFITO3.1 GRAFITO

- Forma más estable del carbono a condiciones - Forma más estable del carbono a condiciones ordinales.ordinales. Estructura cristalina:Estructura cristalina: -Átomos de carbono dispuesto en capas:-Átomos de carbono dispuesto en capas:

Dentro de la capa: cada átomo se enlaza con 3 C Dentro de la capa: cada átomo se enlaza con 3 C (ángulos de 120º, formando hexágonos ->enlace fuerte).(ángulos de 120º, formando hexágonos ->enlace fuerte).

Entre capas ->enlace débil.Entre capas ->enlace débil. Estructura electrónica:Estructura electrónica:

- Hibridación sp- Hibridación sp22+p:+p: a) Tres orbitales spa) Tres orbitales sp2 2 formando capas en ordenación formando capas en ordenación

hexagonalhexagonal b) El orbital p, situado perpendicularmente a las capas b) El orbital p, situado perpendicularmente a las capas

anteriores, posee los electrones deslocalizadosanteriores, posee los electrones deslocalizados

Estructura electrónica:Estructura electrónica:

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

Propiedades:Propiedades:

- - Color negro con brillo metálico, refractarioColor negro con brillo metálico, refractario- Sólido a temperatura ambienteSólido a temperatura ambiente- Buen lubricanteBuen lubricante- Muy blandos (dureza 1 o 2)Muy blandos (dureza 1 o 2)- Conduce la electricidadConduce la electricidad- Se exfolia con facilidadSe exfolia con facilidad- Mas estable que el diamanteMas estable que el diamante- Reactividad moderadaReactividad moderada

3.2 DIAMANTE3.2 DIAMANTE

- Forma más estable del carbono a Forma más estable del carbono a presiones muy altaspresiones muy altas Estructura cristalina “tipo diamante” :Estructura cristalina “tipo diamante” :- Cada átomo de carbono está conectado de - Cada átomo de carbono está conectado de

forma tetraédrica a sus cuatro vecinosforma tetraédrica a sus cuatro vecinos- Todos los electrones en enlaces sigma C-CTodos los electrones en enlaces sigma C-C- Estructura tridimensional de enlaces covalentesEstructura tridimensional de enlaces covalentes Estructura electrónica:Estructura electrónica:- Hibridación spHibridación sp33

Estructura electrónica:Estructura electrónica:

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

3.3 Fullerenos y Nanotubos3.3 Fullerenos y Nanotubos FullerenosFullerenos- Son miembros de la familia Son miembros de la familia

de moléculas que se de moléculas que se asemejan e incluyen asemejan e incluyen buckminsterfullereno (Cbuckminsterfullereno (C6060))

- Se forman en llamas Se forman en llamas humeantes y en las gigantes humeantes y en las gigantes rojasrojas

- El CEl C6060 tiene forma de tiene forma de icosaedro truncado: icosaedro truncado:

- Figura tridimensional - Figura tridimensional compuesta por doce compuesta por doce pentágonos y veinte caras pentágonos y veinte caras hexagonaleshexagonales

- Un átomo de carbono en - Un átomo de carbono en cada uno de los sesenta cada uno de los sesenta vérticesvértices

- Existen otros fullerenos: Existen otros fullerenos: CC7070,C,C7474 y C y C8282

- Forman compuestosForman compuestos

NanotubosNanotubos- Tubos concéntricos con Tubos concéntricos con

paredes como láminas de paredes como láminas de grafito enrolladas en grafito enrolladas en cilindroscilindros

- Diámetros del orden de Diámetros del orden de unos pocos nanómetrosunos pocos nanómetros

- Longitud variable ( desde Longitud variable ( desde unos pocos nanómetros unos pocos nanómetros hasta un micrómetro)hasta un micrómetro)

- Forman fuertes fibras Forman fuertes fibras conductoras con una gran conductoras con una gran área superficialárea superficial

- Poseen propiedades Poseen propiedades electrónicas y mecánicas electrónicas y mecánicas inusualesinusuales

4.Obtenciones y aplicaciones4.Obtenciones y aplicaciones

4.1 Carbono4.1 CarbonoEn combinación con otros elementos, el carbono se En combinación con otros elementos, el carbono se encuentra en la atmósfera terrestre y disuelto en el agua, encuentra en la atmósfera terrestre y disuelto en el agua, y acompañado de menores cantidades de calcio, magnesio y acompañado de menores cantidades de calcio, magnesio y hierro forma enormes masas rocosas.y hierro forma enormes masas rocosas.

APLICACIONES DEL CARBONO:APLICACIONES DEL CARBONO:Componente de hidrocarburos, especialmente Componente de hidrocarburos, especialmente combustibles fósiles (petróleo, gas natural).combustibles fósiles (petróleo, gas natural).

Otros usos:Otros usos:-Datación radiométrica>isótopo carbono-14.-Datación radiométrica>isótopo carbono-14.-Elemento de aleación principal en aceros. -Elemento de aleación principal en aceros. -Varillas de protección de reactores nucleares. -Varillas de protección de reactores nucleares.-Carbono activado: sistemas de filtrado y purificación del -Carbono activado: sistemas de filtrado y purificación del agua.agua.-Carbón amorfo: gomas y electrodos.-Carbón amorfo: gomas y electrodos.-Fibras de carbón + resinas de poliéster = fibras de -Fibras de carbón + resinas de poliéster = fibras de carbono. carbono.

OBTENCIÓN DEL GRAFITO: OBTENCIÓN DEL GRAFITO: El grafito se encuentra distribuido ampliamente en la El grafito se encuentra distribuido ampliamente en la

corteza terrestre.corteza terrestre. La mayor parte del grafito industrial puede sintetizarse La mayor parte del grafito industrial puede sintetizarse

a partir de materiales de contenido alto en carbono, a partir de materiales de contenido alto en carbono, como el coque.como el coque.

APLICACIONES DEL GRAFITOAPLICACIONES DEL GRAFITO:: Lubricante excelente, incluso seco.Lubricante excelente, incluso seco. Minas de lápices.Minas de lápices. Conductor de corriente eléctrica en electrodos de Conductor de corriente eléctrica en electrodos de

baterías y en electrolisis industriales.baterías y en electrolisis industriales. Forma moldes de fundición, hornos y otros dispositivos Forma moldes de fundición, hornos y otros dispositivos

de alta temperatura.de alta temperatura. La combinación de fibras de grafito y diferentes La combinación de fibras de grafito y diferentes

plásticos da lugar a materiales compuestos resistentes plásticos da lugar a materiales compuestos resistentes y ligeros.y ligeros.

OBTENCIÓN DEL DIAMANTE:OBTENCIÓN DEL DIAMANTE: Asociados a rocas volcánicas (kimberlita y Asociados a rocas volcánicas (kimberlita y

lamproita).lamproita).

APLICACIONES DEL DIAMANTE:APLICACIONES DEL DIAMANTE: Piedras preciosas.Piedras preciosas. Excelente abrasivo, debido a su gran Excelente abrasivo, debido a su gran

dureza.dureza. Material de corte, como acero y otros Material de corte, como acero y otros

materiales duros.materiales duros. Películas de diamante, que pueden Películas de diamante, que pueden

depositarse directamente sobre los metales.depositarse directamente sobre los metales.

4.2 Silicio4.2 Silicio

OBTENCIÓN DEL SILICIO:OBTENCIÓN DEL SILICIO:No se encuentra en estado nativo.No se encuentra en estado nativo. Se obtiene al reducir el cuarzo o la arena Se obtiene al reducir el cuarzo o la arena

(SiO(SiO22) por reacción con coque en un horno ) por reacción con coque en un horno eléctrico de arco.eléctrico de arco.

SiOSiO22 + 2C -> Si +2CO + 2C -> Si +2CO El Si de gran pureza se puede obtener El Si de gran pureza se puede obtener

reduciendo el Nareduciendo el Na22SiFSiF66 con Na metálico. con Na metálico. Una técnica alternativa es la Una técnica alternativa es la

descomposición del silano, SiHdescomposición del silano, SiH44, mediante , mediante una descarga eléctrica.una descarga eléctrica.

APLICACIÓNAPLICACIÓN: (muy abundante): (muy abundante) Transistores y otros dispositivos Transistores y otros dispositivos

semiconductores.semiconductores. ChipsChips Dispositivos fotovoltaicos (luz solar Dispositivos fotovoltaicos (luz solar

electricidad) electricidad) FertilizanteFertilizante SiliconaSilicona

Ejemplo de dispositivo fotovoltaicoEjemplo de dispositivo fotovoltaico

4.3 Germanio, Estaño y Plomo4.3 Germanio, Estaño y Plomo

OBTENCIÓN DEL GERMANIO:OBTENCIÓN DEL GERMANIO: Polvo de los tubos de chimeneas de las industrias Polvo de los tubos de chimeneas de las industrias

que procesan el mineral del Zn o la combustión que procesan el mineral del Zn o la combustión del C (impureza,GeOdel C (impureza,GeO22))

APLICACIÓN DEL GERMANIOAPLICACIÓN DEL GERMANIO: (elevado coste): (elevado coste) Electrónica: radares y amplificadoresElectrónica: radares y amplificadores Lentes de microscopioLentes de microscopio QuimioterapiaQuimioterapia En joyería( aleación con Au)En joyería( aleación con Au) EndurecedorEndurecedor BactericidasBactericidas

OBTENCIÓN DEL ESTAÑO:OBTENCIÓN DEL ESTAÑO:

Se obtiene fácilmente de sus minerales, sobre Se obtiene fácilmente de sus minerales, sobre todo de la casiterita (SnOtodo de la casiterita (SnO22) por reducción ) por reducción con carbono a 1200ºC: con carbono a 1200ºC:

SnOSnO22(s) + C(s) -> Sn(l) + CO(s) + C(s) -> Sn(l) + CO22(g)(g)

APLICACIÓN DEL ESTAÑO:APLICACIÓN DEL ESTAÑO: Fabricación de hojalataFabricación de hojalata Aleaciones como bronce ,peltre y soldaduraAleaciones como bronce ,peltre y soldadura Recubre otros metales para evitar corrosiónRecubre otros metales para evitar corrosión

OBTENCIÓN DEL PLOMO:OBTENCIÓN DEL PLOMO:Se obtiene también fácilmente de sus minerales, el principal Se obtiene también fácilmente de sus minerales, el principal

es la galena (PbS). Se tuesta en presencia de aire, lo cual lo es la galena (PbS). Se tuesta en presencia de aire, lo cual lo convierte en PbO y luego este óxido es reducido con hulla:convierte en PbO y luego este óxido es reducido con hulla:

2PbS(s) + 3 O2PbS(s) + 3 O22(g) -> 2PbO(s) + 2SO(g) -> 2PbO(s) + 2SO22(g)(g) PbO(s) +C(s) -> Pb(s) + CO(g)PbO(s) +C(s) -> Pb(s) + CO(g)

APLICACIÓN DEL PLOMO:APLICACIÓN DEL PLOMO: En la industria de la construcciónEn la industria de la construcción Contenedores para transportar ácido sulfúrico y ácido Contenedores para transportar ácido sulfúrico y ácido

nítrico concentradonítrico concentrado Como escudo de radiación Como escudo de radiación Electrodos de baterías de almacenamiento recargable Electrodos de baterías de almacenamiento recargable Cubierta para cablesCubierta para cables PigmentosPigmentos Plomadas para pescaPlomadas para pesca JuguetesJuguetes ADVERTENCIA: sus compuestos son MUY TÓXICOSADVERTENCIA: sus compuestos son MUY TÓXICOS

BIBLIOGRAFÍABIBLIOGRAFÍA Química. La naturaleza molecular y el Química. La naturaleza molecular y el

cambio y la materia. Silberberg. 2ª edición. cambio y la materia. Silberberg. 2ª edición. McGraw-Hill Interamericana Editores S.A. de McGraw-Hill Interamericana Editores S.A. de C.V. C.V.

Química general. Petrucci Harwood Herring. Química general. Petrucci Harwood Herring. 8ª edición. 8ª edición.

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http://www.uned.es/cristamine/gemas/http://www.uned.es/cristamine/gemas/grupos/diamante/diamante.htmgrupos/diamante/diamante.htm

www.uned.es/cristamine/fichas/www.uned.es/cristamine/fichas/grafitografito//grafitografito.htm .htm