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GRUPO 13 Y 14: CARBONO, SILICIO Y BORO - Coggle Diagram
GRUPO 13 Y 14: CARBONO, SILICIO Y BORO
BORO
El boro elemental, una sustancia cristalina transparente, casi tan dura como el diamante, tiene propiedades semimetálicas, se le clasifica como metaloide.
El boro puro no se encuentra en la naturaleza; existe en forma de compuestos oxigenados.
Algunos de estos compuestos son el bórax, Na2B4O7•10H2O; el ácido ortobórico, H3BO3; y la kernita, Na2B4O7•4H2O
El Boro se puede preparar por reducción del óxido de boro con polvo de magnesio:
B2O3(s)+3Mg(s)—-2B(s)+3MgO(s
Aplicaciones industriales
El boro y sus compuestos tienen muchas aplicaciones en diversos campos, aunque el boro elemental se emplea principalmente en la industria metalúrgica.
Su gran reactividad a temperaturas altas, en particular con oxígeno y nitrógeno, lo hace útil como agente metalúrgico degasificante.
Se utiliza para refinar el aluminio y facilitar el tratamiento térmico del hierro maleable.
El boro incrementa de manera considerable la resistencia a alta temperatura, característica de las aleaciones de acero.
El boro elemental se emplea en reactores atómicos y en tecnologías de alta temperatura.
El bórax, Na2B4O710H2O, refinado es un ingrediente importante en ciertas variedades de detergentes, jabones, ablandadores de agua, almidones para planchado, adhesivos, preparaciones para baño, cosméticos. Talcos y papel encerado.
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Es un elemento raro que constituye menos del 0.0003% de la corteza terrestre en masa.
La mayor fuente de boro son los boratos de depósitos evaporíticos, como el bórax y, con menos importancia, la colemanita.
El boro también precipita como ácido ortobórico H3BO3 alrededor de algunas fuentes y humos volcánicos, dando sasolitas.
También se forman menas de boro naturales en el proceso de solidificación de magmas silicatados; estos depósitos son las pegmatitas.
El boro puro es difícil de preparar; los primeros métodos usados requerían la reducción del óxido con metales como el magnesio o aluminio, pero el producto resultante casi siempre se contaminaba.
Puede obtenerse por reducción de halogenuros de boro volátiles con hidrógeno a alta temperatura.
En sus compuestos, el boro actúa como un no metal, pero difiere de ellos en que el boro puro es un conductor eléctrico, como los metales y como el grafito (carbono)
Al rojo, se combina directamente con el nitrógeno para formar nitruro de boro (BN), y con el oxígeno para formar óxido de boro (B2O3)
Con los metales forma boruros, como el boruro de magnesio (Mg3B2)
Más extraordinaria es la anómala similitud de los hidruros de boro a los compuestos correspondientes de silicio y el carbono
Existen varios hidruros de boro conocidos con el nombre genérico de boranos, todos ellos tóxicos y de olor muy desagradable. En los ensayos a la llama produce una coloración verde característica.
Halogenuros de Boro
(BF3, BCL3,BBr3,Bl3 y BI3: tienen estructura plana, la hibridación del boro es sp2. El orbital 2p no hibridizado está vacío y acepta un par de electrones para formar molécula de adición. Reacción tipo ácido: BF3+NH3--->F3B+NH3
Óxidos
El compuesto más importante del boro es el trióxido B2O3
Se prepara por calentamiento del ácido bórico y se usa en la preparación del boro material de vidrio térmicamente resistente y en componentes electrónicos
Es un óxido ácido
B2O3(s) + 3H2O(I)—> 2B(OH)3(ac)
El ácido bórico (H3BO3) es moderadamente soluble en agua
Es un ácido monoprótico muy débil
Se comporta como ácido de Lewis al aceptar un par de electrones de un ión hidróxido
B(OH)3(ac) + H2O(I) —> B(OH)4(ac) + H(ac)
Boranos
El más importante y simple es el diborano B2H6.Hay un total de 12 electrones de valencia en el diborano (3 de cada átomo de boro y 6 de los átomos de hidrógeno).
El enlace es tricentrico y no sólo se presenta en el diborano. También en otro boranos superiores, como el B5H9 y B6H10 donde se encuentran átomos de hidrógeno formando puentes.
CARBONO
El carbono es un elemento poco abundante en la corteza terrestre, solo constituye el 0,09% de esta. Se encuentra libre en forma de diamante y grafito.
También puede encontrarse en el gas natural, el petroleo y el carbon
Combinado con el oxigeno forma dióxido de carbono en la atmósfera y carbonatos como en la piedra caliza en la superficie terrestre
El grafito es la forma estable a 25ºC y 1 atm. El diamante puede transformarse en grafito pero la velocidad del proceso es extremadamente pequeña
C(diamante) → C(grafito) ΔH= -2.87kJ
El carbono se combina con el hidrógeno para formar varios compuestos llamados hidrocarburos.
Carburos: El carbono se combina con metales para formar compuestos iónicos denominados carburos, en los cuales el carbono esta en forma de iones.
Estos compuestos son bases fuertes de Brönsted y reaccionan con el agua
C2-²(ac) + 4H2O(l) → 2OH(ac) + C2H2(g)
C4-(ac) + 4H2O(l) → 4OH(ac) + CH4(g)
Tambien forma compuestos covalentes con el silicio.
SiO2(s) + 3C(s) → SiC(s) + 2CO(g)
El carburo de silicio es casi tan duro como el diamante y se utiliza, generalmente, para corta, moler y pulir metales o vidrio
Cianuros: Constituyen otra importante clase de compuestos del carbono que contienen el grupo aniónico: CN-
Como ejemplo, está el cianuro de hidrógeno que se prepara tratando cianuro de sodio o de potasio con ácido
NaCN(s) + HCl(ac) → NaCl(ac) + HCN(ac)
Los iones cianuros se usan para extraer el oro y la plata de sus menas
Óxidos de carbono: los mas importantes son el monóxido (CO), y el dióxido de carbono(CO2)
Monóxido de carbono: Gas inodoro e incoloro que se forma por la combustión incompleta del carbón o de los compuestos que contienen carbono
2C(s) + O2(g) → 2CO(g)
Arde con facilidad en oxigeno para formar dióxido de carbono
2CO(g) + O2(g) → 2CO2(g) ΔH= -566 kJ
Dióxido de carbono: Se produce cuando se quema en un exceso de oxigeno cualquier tipo de carbón o cualquier tipo de compuestos que contenga carbón
Muchos carbonatos desprenden CO2 cuando se calientan y todos desprenden CO2 cuando se tratan con ácidos
CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g)
CaCO3(s) + 2HCl(ac) → CaCl2(ac) + H2O(l) + CO2(g)
El dióxido de carbono también es un subproducto de la fermentación del azúcar y un producto final en el metabolismo animal
C6H12O6(ac) Glucosa → 2C2H5OH(ac) Etanol + 2CO2(g)
C6H12O6(ac) + 6O2(g) → 6CO2(g) + 6H2O(l)
• El dioxido de carbono se usa en las bebidas, en los extintores de fuego y en la manufactura de la "levadura" para cocinar, NaHCO3, y en la sosa solvay, Na2CO3.
• En su estado solido (lo que llaman hielo seco) se usa como refrigerante y para la "siembre" de nubes.
Ácido carbónico y carbonatos
pH<8; CO2 + H2O ⇄ CO2(ac) ⇄ H2CO3(lento)
H2CO3 + OH- ⇄ HCO3- + H2O(rapido)
pH>10; CO2 + OH- ⇄ HCO3-(lento)
HCO3- + OH- ⇄ CO3²- + H2O(rapido)
Procesos de ionizacion:
H2CO3 + H2O ⇄ H3O+ + HCO3- pKa1= 6.37
HCO3- + H2O ⇄ H3O+ + HCO3-² pKa2= 10.33
El principal uso industrial del carbono es como componente de hidrocarburos, especialmente los combustibles fósiles
Petróleo: se obtienen, por destilación en las refinerías, gasolinas, keroseno y aceites, siendo además la materia prima empleada en la obtención de plásticos
Gas natural: se está imponiendo como fuente de energía por su combustión más limpia
El grafito se combina con arcilla para fabricar las minas de los lápices. Además se utiliza como aditivo en lubricantes
El diamante Es transparente y muy duro. Se emplea para la construcción de joyas y como material de corte aprovechando su dureza
Como elemento de aleación principal de los aceros.
En varillas de protección de reactores nucleares.
El carbón activado se emplea en sistemas de filtrado y purificación de agua.
A temperaturas ordinarias el carbono se caracteriza por su baja reactividad. A altas temperaturas reacciona directamente con la mayoría de los metales para formar carburos, y con el oxígeno para formar monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2 ).
SILICIO
El silicio es un elemento del grupo 14 con número atómico 14. Es el elemento electropositivo más abundante de la corteza terrestre. Es un metaloide con marcado lustre metálico y sumamente quebradizo.
Por lo regular, es tetravalente en sus compuestos, aunque algunas veces es divalente, y es netamente electropositivo en su comportamiento químico.
Existen distintos compuestos que llevan silicio, tales como
Silanos
Son una serie de hidruros covalentes que tienen la fórmula general SinH2n+ 2(SiH4, Si2H6, Si3H8, Si4H10).
Son gases a temperatura ambiente. Químicamente, son
muy reactivos se comportan más como hidruros metálicos que como hidrocarburos. En presencia de un catalizador alcalino, reducen el agua a hidrógeno: SiH4(ac) + 2H2O(l)--->SiO2(s) + 4H2(g)
Silicatos
Casi el 90% de la corteza terrestre consta de silicatos, que son grupos de aniones constituidos por átomos de Si y O.
La unidad básica consta de un átomo Si enlazado tetraédricamente a cuatro átomos de O. En silicatos superiores, estas unidades se unen por compartimiento de un átomo de O entre dos átomos de Si.
El silicio puede obtenerse por de SiO2 con carbón SiO2(s) + 2C(s) → Si(s) + 2CO(g)
El silicio ultrapuro se prepara por la técnica de refinación por zonas; se usa en la electrónica de estado sólido.
No se presenta en la naturaleza en estado libre, sino combinado con el oxígeno para formar óxidos y silicatos en minerales como arena, cuarzo, cristal de roca, amatista, ágata, pedernal, jaspe y ópalo, entre otros
Aplicaciones
Material refractario, se usa en cerámicas, vidriados y esmaltados.
Elemento fertilizante en forma de mineral primario rico en silicio, para la agricultura.
Elemento de aleación en fundiciones.
Fabricación de vidrio para ventanas y aislantes.
El carburo de silicio es uno de los abrasivos más importantes.
Se usa en láseres para obtener una luz con una longitud de onda de 456 nm.
Reactividad
Con aire
Suave; —> SiO2
Con H2O
No reacciona
Con HCl 6M
No reacciona
Con HNO3 15M
No reacciona
Con NaOH 6M
Suave; —> varios silicatos