Aula-3: Família do Carbono

1
Shriver Cap. 10
p. 381-403
Lee Cap. 12
p. 202-233
Russel v2 Cap. 21
p. 1066-1072
1073-1076
Brown Cap. 23
p. 838-846
Kotz Cap. 21
p. 278-282
Atkins & Jones
Cap. 14
p. 647-664
2
1
CONFIGURAÇÃO E POSIÇÃO NA
TABELA
TODOS ELEMENTOS DO
GRUPO 14/ IVA
[GÁS NOBRE] ns2 np2
3
Grupo do carbono 14/IVA
Carbono é não metal;
Silício e Germânio são semi-condutores;
Estanho e Chumbo são metais.
Os estados de oxidação variam desde
+2 (par inerte) até +4.
O carbono é o centro da vida e da inteligência
natural, já o silício e o germânio são o centro da
tecnologia eletrônica e da inteligência artificial.
2
Grupo do carbono 14/IVA
Carbono, silício, germânio, estanho, chumbo
Propriedades físicas (fonte: Lee)
Propriedade
C
Si
Ge
Sn
N° Atômico
6
14
32
50
Pb
82
Configuração
eletrônica
[He]
2s2 2p2
[He]
3s2 3p2
[He]3d10 4s2
4p2
[He]4d10
5s2 5p2
[He] 4f14
5d10 6s2 6p2
P. Fusão (°C)
4100
1420
945
232
327
P. Ebulição (°C)
---
3280
2850
2623
1751
1° EI1 KJ/mol
1086
786
760
707
715
2° EI2 KJ/mol
2354
1573
1534
1409
1447
3° EI3 KJ/mol
4622
3232
3300
2943
3087
4° EI4 KJ/mol
6223
4351
4409
3821
4081
Propriedades
Não metal
Semicondutor
Semicondutor
Metal
Metal
Fonte natural
Carvão,
Petróleo,
grafite,
carvão
vegetal
Quartzo,
Areia e
sílica
Cinzas do
carvão,
Minério de
zinco
Cassiterita
(ZnO2)
Galena
(PbS)
3
Raio atômico covalete (pm)
Soma dos 4 primeiros potenciais de ionização (kJ/mol)
160
15000
14000
13000
12000
11000
150
140
130
120
110
100
90
80
70
C
10000
Si
Ge
Sn
Pb
9000
8000
C
Si
Ge
Sn
Pb
Valores experimentais de entalpia de ligação covalente (kJ/mol)
C-C
346
C=C
598
C≡C
813
C-H
416
C-F
485
C-Cl
327
C-O
359
C=O
806
Si-Si
226
Si-H
326
Si-F
582
Si-Cl
391
Si-O
466
Si=O
642
Ge-Ge
186
Ge-H
289
Ge-F
465
Ge-Cl
342
Ge-O
350
Sn-Sn
151
Sn-H
251
Sn-Cl
320
Pb-Cl
244
Fonte: Housecroft, C. E., Inorganic Chemistry, vol.3, Prencite Hall, 2004.
4
l-1)
o (KJ.mo
de ligaçã
ia
rg
e
n
E
C=O
700
Si=O
600
500
400
300
200
100
0
Energia total
Sigma
Pi
3º
2º
Pe
r
ío
Pe
río
do
do
GRUPO DO CARBONO
C, Si, Ge, Sn, Pb
 Características gerais:
– Aumento do caráter metálico
– Configuração :
ns2np2
– “EFEITO DO PAR INERTE”
Ge2+, Sn2+, Pb2+
5
RELEMBRANDO:Hibridização
FORMAS ELEMENTARES DO CARBONO
Carvão vegetal:
Formado pelo aquecimento da
madeira na ausência de ar:
carvão ativado é usado para a
remoção de odores e impurezas
do ar e da água.
Carvão mineral:
Combustível fóssil natural
extraído da terra por processos
de mineração.
6
OCORRÊNCIA E OBTENÇÃO DE CARBONO
– Carvão vegetal (carvão ativado)
Aquecimento da madeira na ausência de ar:
Uso: remoção de impurezas do ar/água, área superficial: 1000 m2/g
– Carvão mineral (coque)
Formado pelo aquecimento de carvão na ausência de ar; pirólise da
ulha, restos minerais encobertos por milhares de anos): Usado como
um AGENTE REDUTOR em metalurgia.
– Carbon black (negro de fumo)
Combustão incompleta de hidrocarbonetos com deficiência de O2.
CH4(g) + O2(g)  C(s) + 2H2O(g)
Usado como pigmento em tintas pretas e pneus de automóveis.
Estrutura idealizada do carvão
7
Grafite natural / artificial
 Refratários - Cadinhos
 Lubrificantes
 Eletrodos
Natural: Obtida a partir do minério.
Artificial:
SiO2 + C (coque) SiC + CO2
SiC (2500 ˚C)  Si + C
Diamante
Vários átomos de carbonos
empilhados formando um
cristal de ligações σ, ou
seja, ligações simples carbonos tetraédricos sp3.
8
Grafite
 Várias camadas de anéis de
carbonos de 6 membros,
π, ou seja,
átomos de carbonos sp2 .
formado por ligações
Propriedades do grafite e diamante
 Densidade
 Dureza
 ∆H˚f
Grafite Diamante
2,266 3,514
g/cm3
<1
10
Mohs
0
+1.90
kJ/mol
C(diamante)  C(grafite) ΔrG° (298K) = -2,9kJ/mol
 Grafite — possui alta condutividade elétrica.
 Diamante — possui a maior condutividade
térmica de todos os materiais conhecidos.
9
Formas alotrópicas
C (diamante) x C (grafite)
Csp3 (diamante) x Csp2 (grafite)
Formas alotrópicas – condutividade eDiamante – carbono - sp3
ρ = 1 x 1011Ωm
ρ = 1 Ωm
Grafite - carbono- sp2
ρ = 1,3 x 10-5 Ωm
10
RELEMBRANDO:
BN (nitreto de boro) x C (grafite)
Agregados de carbono
 Anéis de carbonos sp2 de 5 e 6 membros:
 Fulereno formato de uma esfera contendo 60 átomos.
 Nanotubos formato de tubos.
 Grafeno formato planar.
11
ÓXIDOS DE CARBONO
 O carbono oxida formando CO e CO2 – reações exotérmicas.
2 CO(g) + O2(g)  2 CO2(g), H = -566 kJ
 CO é muito tóxico (coordena ao Fe na hemoglobina - letal).
 O CO é uma base de Lewis - Ni(CO)4 - obtido (Ni + CO).
 O CO é um bom agente redutor
Fe3O4 (s) + 4CO (g)  3Fe (s) + 4CO2 (g)
 O CO2 é produzido pela queima de compostos orgânicos com O2:
CH4 (g) + 2O2 (g)  CO2 (g) + 2H2O (l)
ÓXIDOS DE CARBONO
 O CO2 é produzido pelo tratamento de carbonatos com ácido.
CaCO3 (s) + 2 HCl (aq)  CO2 (g) + CaCl2 (s)
 A fermentação de açúcares produz álcool e CO2:
C6H12O6 (aq)  2C2H5OH (aq) + 2CO2 (g)
 Sob pressão atmosférica, o CO2 condensa-se para formar CO2(s)
ou gelo seco.
 O CO2 é usado como gelo seco (refrigeração), carbonação de
bebidas, soda (Na2CO3.10H2O) e bicarbonato de sódio
(NaHCO3.10H2O).
12
CARBETOS
 Os carbetos são compostos binários entre C e metais, metalóides
e determinados não-metais. (C4-;
C22-; C34-)
– Salino, iônicos
– formado por metais ativos, por exemplo, CaC2
– Intersticial
– formado por metais de transição, p.ex., carbeto de
tungstênio, WC.
– Covalente
– formado por B e Si, por exemplo, SiC.
Haletos orgânicos são utilizados como gás refrigerante.
As primeiras classes (CFC) favorecem a destruição de ozônio (O3).
13
Silício
2° elemento mais abundante na crosta terrestre, presente na
argila, quartzo e areia, na forma de SiO2 (sílica) e SiO4 (silicatos).
Preparação de silicones;
Indústria cerâmica (cimento, vidros, e etc);
Indústria eletrônica e microeletrônica (components eletrônicos);
Células solares
Ligas metálicas;
Quartzo
Ametista
Ágata
Citrino
3+
(impureza Fe ) (impureza Fe2+/M3+) (impureza Fe2+)
14
Obtenção de Silício:
Quartzo ou areia + coque de alta pureza  Si
SiO2 (s) + 2 C (s)  2 CO (g) + Si (s)
Obtenção de Silício de alta pureza:
Si + Cl2  SiCl4
SiCl4 + Mg  MgCl2 + Si
Obtenção do silício de alta pureza
 O Si é um semicondutor quando está extremamente puro.
 Para purificar: converter o Si impuro em SiCl4 (com Cl2), destilar e
então reduzir conforme reação abaixo:
SiCl4(g) + 2H2(g)  Si(s) + 4HCl(g)
 O Si obtido na reação acima é purificado pela “refinação de zona”.
 A refinação de zona produz Si ultrapuro.
 Bolachas de Si são cortadas de cristais cilíndricos de Si para indústria
de semicondutores.
15
Preparação do silício ultrapuro
 Os cristais de silício são mantidos dentro de
um tubo com uma atmosfera inerte e uma
espiral de aquecimento é lentamente movida
para baixo em Si.
 À medida que a espiral derrete o Si, quaisquer
impurezas se dissolvem e descem pela espiral
de aquecimento.
 No fundo do cristal, a porção de Si contendo
todas as impurezas é arrancada e descartada.
 O cristal restante é ultrapuro.
Silicatos
 90 % da crosta terrestre - Si e O.
 Os silicatos – SiO4 - arranjo tetraédrico.
Unidade SiO4
(tetraédrica)
 O estado de oxidação do Si é +4.
 O tetraedro de silicato são unidades básicas para
estruturas mais complicadas.
16
Mica X Quartzo
Mica – Estrutura lamelar
Mica = aluminossilicato (clivagem lamelar)
Azul íons Co2+
Marrom íons Fe2+
Quartzo - cadeias interligadas de unidades de SiO4
17
Vidro
 Fusão do quartzo e resfriamento rápido.
 Adição de:
 CaO e Na2CO3  vidro comum
 CoO  vidro de cobalto azul,
 K2O  vidro mais resistente o comum,
 PbO  vidro cristal de chumbo (alto índice de refração)
Museu do vidro : www.cmog.org
 B2O3 é  Pyrex.
Silicone
 Os silicones consistem em cadeias de ligações
O-Si-O com Si-R.
 Aplicações: lubrificantes, ceras de polimento,
lacradores, calafetagem, prótese e tecidos à
prova d’água.
18
Silicone
Patente: E. G. Rochow (Alemanha) em 1945.
2 CH3Cl + Si  SiCl2(CH3)2
SiCl3(CH3), SiCl (CH3)3, e SiCl4
Eugene Rochow
Silicone
 (CH3)3SiCl + 2 H2O --> (CH3)3Si—O—Si(CH3)3 + 2 HCl
 R2SiCl2 + 2 H2O --> HO—SiR2—OH + 2 HCl
 2 HO—SiR2—OH ---> HO—SiR2—O—SiR2—OH + H2O
19
GERMÂNIO
O elemento é separado dos outros metais do minério por
transformação em tetracloreto de germânio e conseqüentemente
destilação fracionada do GeCl4, que pode ser volátil. A obtenção de
germânio se faz por redução do dióxido, com hidrogênio ou carvão
roxo.
Argirodita (GeS2.4Ag2.S)
Semicondutor em eletrônica,
Produção de fibras ópticas;
equipamentos de visão noturna.
Germanita, ou Tiogermanato de ferro e cobre (2GeS2.FeS.3Cu2.S).
http://www.tabelaperiodica.hpg.ig.com.br/ge.htm
OBTENÇÃO E APLICAÇÃO DO GERMÂNIO
Germânio ultra puro – Usado em transistores
_ Transparente ao infravermelho
Germânio ultra puro – Refino por zona
20
ESTANHO
Cassiterita ou cassiterite (óxido de estanho, SnO2) é
um mineral de estanho.
OBTENÇÃO E APLICAÇÃO DO ESTANHO
1200-1300 ºC
SnO2(s) + 2 C(s)  Sn(s) + 2CO(g)
Germânio ultra puro – Refino por zona
21
LIGAS DE ESTANHO
Solda: 1/3 Sn e 2/3 Pb
Bronze: 5-10% Sn + Cu
Pewter: 90-95% Sn, 1-8% Sb, e < 3% Cu
Bearing metal: 80-90% Sn, 5% Cu, e Pb
Folha de flandres (eletrodeposição sobre aço)
Vitrificação de cerâmicas
CHUMBO
Mais abundante dos
“metais pesados”
Principal fonte:
galena, PbS
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Obtenção do Chumbo
2 PbS + 3 O2  2 PbO + 2 SO2(g)
2PbO + C  2Pb(l) + CO2
Galena
PbS
Aplicação do Chumbo
ANODO:
Pb(s) + HSO4-  PbSO4(s) + H+(aq) + 2eCATODO:
PbO2(s) + 3 H+ (aq) + HSO4-(aq) + 2e-  PbSO4(s) + 2 H2O
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