El grupo 14 de la tabla periódica es también llamado como la familia del carbono o los carbonoideos.
El grupo 14 está formado por los siguientes elementos: carbono (C), silicio (Si), germanio (Ge), estaño (Sn), plomo (Pb) y flerovio (Fl).
Estos elementos componen más del 28% en masa de la corteza, siendo el silicio el más abundante, luego seguido del carbono. El germanio es el elemento menos abundante.
El silicio es el elemento principal de toda la estructura inorgánica y el carbono es el responsable de la vida orgánica de la superficie terrestre.
Los elementos metálicos de este grupo están clasificados en la tabla periódica como “otros metales” junto a los grupos 13 y 15. Poseen cuatro electrones en su nivel energético más externo y presentan la siguiente configuración electrónica: ns2np2 (2 electrones s y 2 electrones p), exhibiendo los siguientes estados de oxidación: +4, +2 y -4: los compuestos con +4 y la mayoría de los de número de oxidación +2 son covalentes. El único ion -4 es el carburo.
Propiedades físicas
Las propiedades físicas de este grupo varían mucho en cada elemento y el carácter metálico aumenta a medida que se desciende en el mismo.
Por ejemplo, el primer elemento del grupo, el carbono es un no metal duro y sólido a temperatura ambiente. Este elemento puede encontrarse en la naturaleza en forma de carbono amorfo (grafito) y en forma de diamante. Ambas formas alotrópicas poseen coloraciones distintas, siendo el grafito de color negro y el diamante incoloro.
Los elementos silicio y germanio, son los metaloides del grupo, y presentan una dureza intermedia. El silicio posee propiedades intermedias entre el carbono y el germanio. Su forma cristalina es bastante dura y muestra un brillo metálico de color grisáceo.
El metaloide germanio es de color blanco grisáceo lustroso, quebradizo y conserva el brillo a temperaturas normales. Este elemento exhibe la misma estructura cristalina que el diamante.
Los metales de este grupo son el estaño y el plomo. El estaño es de color plateado y maleable. Por su parte, el plomo es un metal pesado que rara vez se encuentra en estado elemental. Es de color plateado con tono azulado, que se empaña para adquirir un color gris mate. Es flexible, inelástico y se funde con facilidad.
Los puntos de fusión y ebullición son menores a medida de que se desciende en el grupo. Esto debido a que se pierde la fuerza de enlace entre los átomos.
Propiedades químicas
Los elementos del grupo 14 poseen algunas propiedades químicas similares, entre estas tenemos:
- No reaccionan con el agua.
- El germanio, estaño y plomo son atacados por los ácidos.
- Son atacados por disoluciones alcalinas desprendiendo hidrógeno, a excepción del elemento carbono.
- Reaccionan con el oxígeno formando óxidos. Siendo los óxidos de carbono y silicio ácidos, el de estaño anfótero (es decir, que reacciona con ácidos y bases calientes) y lo mismo sucede con el plomo.
- Al formar hidruros presentan la habilidad de formar concatenación. La concatenación es la propiedad que poseen algunos elementos de unirse con otro átomo del mismo elemento para formar cadenas ya sea lineales ramificadas o cíclicas. Esta predisposición disminuye al descender en el grupo. La concatenación se le atribuye al elemento carbono, aunque también es un fenómeno suscitado en el silicio. Este fenómeno es la raíz de la química orgánica.
Usos y aplicaciones de los elementos del grupo 14
Carbono
El carbono presenta dos formas alotrópicas el carbono amorfo que es el grafito y el carbono cristalino que es el diamante. Ambos presentan usos bastantes importantes.
El grafito se mezcla con la arcilla para elaborar las puntas de los lápices. Otra aplicación es como aditivo en lubricantes. También se emplea en la preparación de pinturas anti-radar usadas en el camuflaje de vehículos y aviones militares.
Por su parte, el diamante se utiliza para la elaboración de joyas y como material de corte ya que este presenta una dureza 10 en la escala de Mohs.
El carbono presenta múltiples aplicaciones siendo la más importante como componente de hidrocarburos, principalmente los combustibles fósiles, es decir, petróleo y gas natural. Del petróleo se pueden obtener, después del refino en plantas petroquímicas, los siguientes derivados:
Gases: Empleados para combustible doméstico y de transporte.
Gasolinas: Usados como combustible para motores industriales y automóviles.
Querosén: Combustible de aviación.
Gas-oil: Usado como combustible en motores diesel.
Aceites lubricantes: Empleados en la industria química como engrasado de máquinas o explosivos.
Asfaltos: Para la pavimentación de carreteras.
Parafinas y carbón de coque: Empleados en altos hornos.
Vaselina: Utilizada para pomadas y ungüentos.
Otros subproductos son: alcoholes y bencenos utilizados en la elaboración de fibras textiles, plásticos, lacas, colorantes y disolventes.
Entre otros usos, el carbono también se emplea en aleaciones para obtener acero. El acero es una mezcla de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,03 % y el 2,14 % en masa de su composición, dependiendo del grado.
En el campo de la medicina se utiliza las pastillas de carbón activado para absorber las toxinas del sistema digestivo en caso de intoxicación, tanto en personas como animales. También se usa como medicina para los problemas digestivos o de flatulencia. Dentro de otras aplicaciones tenemos que se emplea en la extracción de metales, la esterilización de agua potable, en el tratamiento de aguas residuales, purificación de jarabe de azúcar y de glicerina, en mascarillas antigás, en filtros purificadores y en controladores de emisiones de coches, entre otros.
El hollín es un pigmento formado principalmente de carbono, que se adquiere mediante la combustión incompleta de diferentes materiales, como aceites, grasas, brea, hulla, maderas resinosas, plantas o gas. Este se agrega a la goma para optimizar sus propiedades mecánicas. Además se utiliza en la producción de electrodos para las baterías.
La fibra de carbono se emplea para mejorar la resistencia mecánica en resinas de poliéster, pero sin aumentar la masa de las mismas.
Silicio
El silicio es un semimetal y por lo tanto un semiconductor. Este elemento puede controlar el flujo eléctrico mediante el uso de partes de silicio; lo que lo hace indispensable en la industria eléctrica. Se utiliza en los ordenadores, radios, células solares, pantallas LCD y otros aparatos semiconductores.
El silicio también se emplea ampliamente en aleaciones con el aluminio para elaborar piezas fundidas. Dichas se emplean habitualmente en la industria automovilística para producir piezas para autos.
De los compuestos importantes del silicio está el óxido de silicio (IV) o dióxido de silicio (SiO2) o como se le conoce también sílice. Este compuesto se puede encontrar en la arena. La sílice se emplea para elaborar vidrio artificial, cerámicas, ladrillos, cemento, entre otros. El gel de sílice es un desecante, es decir que absorbe la humedad del lugar en que se halla.
Las siliconas son materiales que se encuentran dentro del grupo de los polímeros y es un derivado del silicio. Poseen un sin número de aplicaciones como por ejemplo: como selladores en la fabricación de acuarios, en la industria automotriz como lubricante para los frenos, como recubrimiento en telas, en el campo de la medicina para la elaboración de implantes quirúrgicos, en utensilios de cocina, juguetes y como componente activo en los antiespumas.
Germanio
El germanio al igual que el silicio es un semiconductor ampliamente utilizado en la industria electrónica.
También se emplea en aleaciones con galio y arsénico para elaborar transistores y todo tipo de aparatos tecnológicos.
Los cristales de germanio al mezclarse con elementos como fosforo, arsénico, antimonio, boro, aluminio y galio se comportan como rectificadores y por lo tanto es empleado desde la segunda guerra mundial como detectores para ultra alta frecuencia (UHF) en señales de radar y radio. Estos cristales también son utilizados como transistores y diodos.
El óxido de germanio es empleado en el campo de la medicina como remedio en el tratamiento de algunos tipos de anemia. También se utiliza en la producción de vidrio óptico.
Estaño
El estaño es usado abundantemente en aleaciones con otros elementos como por ejemplo, con el cobre para obtener bronce, con el plomo en la soldadura, con el titanio para la industria aeroespacial. Por su parte, la aleación estaño-plomo-antimonio se usa para producir el metal de imprenta. Aleado con el niobio es usado en semiconductores y en el galvanizado de hilos conductores.
Este elemento es usado, de igual manera, como capa protectora en el revestimiento de latas de hierro y cobre.
Se emplea para disminuir la fragilidad del vidrio.
Algunos compuestos de estaño también se usan en fungicidas, tintes, pastas dentales y tintes.
Plomo
El plomo posee una gran cantidad de aplicaciones siendo la más destacada en la elaboración de baterías.
También se emplea en aleaciones, como por ejemplo con estaño para usarse en soldadura, revestimiento y utensilios de radiaciones. Aleado con arsénico para la insonorización de edificaciones, elaboración de perdigones, entre otros.
Algunos de los compuestos de plomo se utilizan en la industria del vidrio como aditivo y pigmento, en la industria electrónica para tubos de televisión, en la industria del plástico como estabilizante, entre otros.
De igual manera, se utilizan como antidetonantes en la gasolina y en pinturas y barnices pero actualmente se han ido reemplazando su uso por la toxicidad del mismo.
Flerovio
Al igual que muchos elementos radiactivos y sintéticos, al producirse en pequeñas cantidades, no posee uso comercial. Por lo tanto, es empleado en menor medida en la investigación científica.
