Grupo 14: Elementos e Aplicações

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GRUPO 14
GRUPO 14 
 
 Elementos: C, Si, Ge, Sn, Pb 
 Posição na tabela periódica 
 configuração eletrônica: [...] n s2 n p2 n = 2 a 6 
 estados de oxidação: C- IV (II); Si- IV; Ge- IV; 
Sn- II, IV; Pb- II, IV 
 metais, não-metais e semi-condutores 
 raio 
covalente 
(A) 
1
a
 energia 
de 
ionização 
(kJ mol
-1
) 
eletronegati
vidade 
ponto de 
fusão (
0
C) 
abundância 
na terra 
(ppm) 
C 0,77 1086 2,5 3930 
3550 (g) 
320 
Si 1,17 786 1,8 1420 277.200 
Ge 1,22 760 1,8 949 7 
Sn 1,40 707 1,8 232 40 
Pb 1,46 715 1,8 327 16 
 
•quarta energia de ionização muito alta (3.800 a 6.200 kJ mol-1)
•compostos iônicos com o íon M+4 são raros (SnF4, PbF4, SnO2,
PbO2)
 Ocorrência e obtenção: 
i) C- jazidas de carvão, petróleo, calcita (CaCO3), 
magnesita (MgCO3), carvão vegetal 
ii) Si- sílica (SiO2) e silicatos com diversas estruturas 
iii) Ge- traços em minérios de prata e zinco 
iv) Sn- cassiterita (SnO2) 
v) Pb- galena (PbS) 
(Si, Ge, Sn)O2 + C  CO2 + Si (Ge, Sn)
3PbS  PbS + 2PbO  3Pb + SO2
PbS  PbO + CO  Pb + CO2
, O2 
, O2
alotropia
C- diamante, grafite e fulerenos
Sn-  Sn (cinza, diamante)
 Sn (branco, metálico)
Si, Ge- estrutura similar ao diamante
C
Si
lubrificantes
eletrodos
lápis e minas (grafite + talco) 
C60
paredes concêntricas formadas por anéis C6
interconectadosK3C60 (supercondutor a T<18 K)
aplicações
C: 
 
 fuel (coal) 
 lubricant (graphite) 
 C-14 isotope used in archaeological dating 
 carbon compounds are important in many 
facets of the chemical industry 
 Carbon is key to life and by definition is present 
in all organic compounds 
 Ethene gas (C2H4) helps to ripen tomatoes 
 ~230 g/kg de massa no corpo humano 
 no Universo ~5.000 ppm (5 g/kg) 
 
Si: 
 doped with boron, gallium, phosphorus, or 
arsenic, etc. to produce silicon for use in 
transistors, solar cells, rectifiers, and other 
electronic solid-state devices 
 silica, as sand, is a principal ingredient of 
glass, a material with excellent mechanical, 
optical, thermal, and electrical properties 
 computer chips 
 lubricants 
used in medicine for silicone implants 
Diamond chips 
coming (Nature, sep/02)
O espaço de entorno dos grãos
bloqueia o fluxo de corrente
Deposição química de vapor
nanotubos 
Graphene (não é um alótropo do carbono)
Graphene has a similar structure to graphite but is a single isolated 
sheet of carbon. (espessura de um átomo; futuros chips de 
computadores?) Andre Geim e Konstantin Novoselov; premio Nobel de Física em 2010
http://www.ewels.info/img/science/nanotubes/nanomovie.new.mpg
 Diatoms, some protozoa, some sponges, and 
some plants use silicon dioxide (SiO2) as a 
structural material. 
 Silicon is known to be required by chicks and 
rats for growth and skeletal development. 
 Silicon is not particularly toxic but finely divided 
silicates or silica cause major damage to lungs. 
 ~0,26 g/kg no corpo humano 
 
Ge: 
 doped with arsenic, gallium, or other elements 
for use as a transistor element. Its application as 
a semiconductor provides the largest use for 
germanium 
 germanium and germanium oxide are 
transparent to the infrared and are used in 
infrared spectroscopes and other optical 
equipment, including extremely sensitive infrared 
detectors. Also for wide-angle camera lenses 
and microscope objectives. 
 possible chemotherapy applications? 
Sn: 
 used to coat other metals to prevent corrosion 
or other chemical action (tin cans are made from 
tin coated steel) 
 alloying agent- important alloys include soft 
solder, type metal, fusible metal, bronze, bell 
metal, White metal and phosphor bronze 
 the chloride (SnCl2.H2O) is used as a reducing 
agent 
 a crystalline tin-niobium alloy is 
superconductive at very low temperatures. Such 
magnets, made of tin-niobium wire, weigh just a 
few pounds and produce magnetic fields that are 
comparable to that of a 100 ton electromagnet 
 trialkyl and triaryl tin compounds are biocides - 
there is concern over their environmental effects. 
 Tributyltin is the active ingredient in a type of 
antifouling paint used on ships. 
 ~0,2 mg/kg no corpo humano 
 
Pb: 
 storage batteries 
 manufacture of PbEt4 - an antiknock compound 
in petrol. Environmental concern with lead 
poisoning is resulting in less use of lead in petrol 
 the metal is very effective as a sound absorber 
 a radiation shield around X-ray equipment and 
nuclear reactors 
 used extensively in paints, although recently 
the use of lead in paints has been drastically 
curtailed to eliminate or reduce health hazards 
 the oxide is used in producing fine "crystal 
glass" and "flint glass" with a high refractive 
index for achromatic lenses 
 solder 
 
 used by the Romans for plumbing (the decline 
of the Roman empire is attributed to lead in the 
water supply!) 
 used to contain corrosive liquids 
 alloying 
 cable covering 
 ammunition 
 insecticides 
 Lead has no biological role. Lead affects the 
gut, central nervous system and causes 
anaemia. 
 
lead coordinates three sulfurs in structural binding sites of proteins even
when four sulfurs are available, unlike zinc, which uses tetrahedral
coordination. When the zinc in proteins is substituted with lead, the
resulting proteins cannot function
The chemical literature has widely suggested that lead binds sulfur in a four-
coordinate fashion 
C&EN VOLUME 83, ISSUE 26
June 27, 2005
Propriedades e compostos 
 
 C(g)  C(d) condições: 1800 
0C, 70.000 atm. 
 
 caráter metálico 
 
ligação energia de ligação (kJ mol-1) 
C-C 348 
Si-Si 222 
Ge-Ge 167 
Pb-Pb 155 
 
C- grande capacidade para a formação de cadeias e ligações 
múltiplas
•compostos covalentes e tetravalentes
•hibridização
•reatividade: aumentando do C para o Pb
C- reação com o F2
Si- reação com HF
Ge- reação com H2SO4 e HNO3
Sn, Pb- reação com diversos ácidos
•efeito do par inerte: com a descida no grupo, o
numero de oxidação II vai se tornando o mais
estável
óxidos
CO:
• óxido neutro, pouco solúvel em água
• forma-se por oxidação incompleta do carbono
•métodos de obtenção industrial:
HCOOH + H2SO4  CO + H2O
C + H2O  CO + H2 (gás d’água)
•importante combustível
2CO + O2  2CO2 565 kJ mol
-1
usado como agente redutor:
Fe2O3 + 3CO  2Fe + 3CO2 (altos-fornos)
CuO + CO  Cu + CO2
compostos carbonil-metal:
ex.: Ni(CO)4, sendo o CO um ligante (interação p-
d)
(processo Mond para obtenção de Ni metálico)
•reage com O, S, F, Cl e Br
CO2:
•óxido ácido com estrutura linear (sp)
•obtido por ataque de ácidos diluídos sobre carbonatos, por
combustão completa do carbono ou por aquecimento do
calcáreo:
CaCO3(s) + HCl(aq)  CaCl2(aq) + CO2 + H2O
C + O2  CO2
CaCO3  CaO(s) + CO2
•sólido, sublima a -78 0C
importância
•fotosíntese, respiração, fermentação
efeito estufa e aquecimento global
*
O gás em refrigerantes
CO
CO2
CO3
2
SiO2 (sílica):
•sólido tridimensional de elevado ponto de fusão, existindo 
em três tipos distintos de estrutura: quartzo, tridimita e 
cristobalita.
•é atacada por F2, HF e álcalis:
SiO2 + HF  SiF4  Si(OH)4
SiO2 + NaOH  Na2SiO3 (Na4SiO4)
•empregos: componentes ópticos, vidros, catalisadores, 
agentes dessecantes.
H2O
SiO2
SiO4
Silicone
piroxênio
asbestos
mica
siOcage
Ge, Sn, Pb:
•a basicidadeaumenta de cima para baixo:
SnO2, PbO2: anfóteros
•PB3O4 (2PbO . PbO2): óxido vermelho de chumbo, usado 
como pigmento
•PbO: cerâmicas
•PbO2: baterias
hidretos
•os hidretos formados são covalentes
C- alcanos, alcenos, ...
Si- silanos (SinH2n+2) (n  8 )
•silanos são redutores, queimam ao ar e sofrem hidrólise 
em meio alcalino:
Si2H6 + H2O  SiO2. nH2O + H2
•germananos, estananos, plumbanos
OH-
haletos
•tetraaletos- são tetraédricos e quase todos voláteis e 
covalentes, com exceção de SnF4 e PbF4
•poli(fluorcarbonetos): CF4(CF2)nCF4: Teflon (Du Pont)
•clorofluorcarbonetos: CF2Cl2, CFCl3, etc: Freons (Du
Pont)
a depleção da camada de ozônio
•haletos de silício: hidrolisáveis 
SiCl4 + 4H2O  Si(OH)4 + 4HCl
SiF4 + 4H2O  Si(OH)4 + 4HF
[SiF6]
-2 + 2H+
SiF4
(geometria e hibridização?)
•Ge, Sn, Pb- seus tetraaletos (MX4) também são
hidrolisáveis, podendo entretanto ser reversível a reação:
ex.: Sn(OH)4 SnCl4 [SnCl6]
-2
H2OH2O
HCl HCl
•estabilidade dos dialetos: CX2 < SiX2 < GeX2 < SnX2
< PbX2
silicones
*
•O ciclo biogeoquímico do carbono
•O aquecimento global do planeta
ERUPÇÃO
VULCÂNICA
CO2
CO2
QUEIMA DE 
COMBUSTÍVEIS FÓSSÉIS
MILHÕES 
DE ANOS
MILHÕES 
DE ANOS
MOLUSCOS
FOGO
CO2
CARBONO FIXADO
EM CARBONATO DE
CÁLCIO DE MOLUSCOS
ENERGIA
SOLAR
DISSOLUÇÃO DO CO2
EM ÁGUA, FIXAÇÃO 
DO CARBONO PELA 
FOTOSSINTESE EM 
BIOMASSA DE ALGAS 
E FITOPLANCTON
FIXAÇÃO DO 
CARBONO PELA 
FOTOSSINTESE EM 
BIOMASSA DE 
PLANTAS
SEDIMENTAÇÃO
DE BIOMASSA
CONVERSÃO A CARVÃO,
ÓLEO, GÁS NATURAL
(COMBUSTÍVEIS FÓSSEIS)
RESPIRAÇÃO
DAS PLANTAS
CO2
DIÓXIDO DE CARBONO 
(CO2) NO AR
QUEIMADAS
RESPIRAÇÃO POR 
PLANTAS 
AQUÁTICAS, 
ANIMAIS E
PROCESSOS DE
DECOMPOSIÇÃO
ALIMENTAÇÃO
ALIMENTAÇÃO
ERUPÇÃO
VULCÂNICA
CO2
CO2
QUEIMA DE 
COMBUSTÍVEIS FÓSSÉIS
MILHÕES 
DE ANOS
MILHÕES 
DE ANOS
MOLUSCOS
FOGO
CO2
CARBONO FIXADO
EM CARBONATO DE
CÁLCIO DE MOLUSCOS
ENERGIA
SOLAR
DISSOLUÇÃO DO CO2
EM ÁGUA, FIXAÇÃO 
DO CARBONO PELA 
FOTOSSINTESE EM 
BIOMASSA DE ALGAS 
E FITOPLANCTON
FIXAÇÃO DO 
CARBONO PELA 
FOTOSSINTESE EM 
BIOMASSA DE 
PLANTAS
SEDIMENTAÇÃO
DE BIOMASSA
CONVERSÃO A CARVÃO,
ÓLEO, GÁS NATURAL
(COMBUSTÍVEIS FÓSSEIS)
RESPIRAÇÃO
DAS PLANTAS
CO2
DIÓXIDO DE CARBONO 
(CO2) NO AR
QUEIMADAS
RESPIRAÇÃO POR 
PLANTAS 
AQUÁTICAS, 
ANIMAIS E
PROCESSOS DE
DECOMPOSIÇÃO
ALIMENTAÇÃO
ALIMENTAÇÃO
O efeito estufa
Absorção de radiação por CO2
NOTE: Current CO2 levels are 380-385 ppm. Nearly all potential geologic capacity is from deep saline 
formations. Figures were provided in metric tons of CO2 and converted to metric tons of carbon. 
SOURCE: J. J. Dooley, Battelle, Pacific Northwest National Laboratory 
Plenty of room: Potential world geologic storage for CO2 exceeds estimated need in the next century
C&EN April 2, 2007, Volume 85, Number 
1, pp. 48-51 
Estocagem de carbono