Elementi del gruppo IVA: numero di ossidazione

Gli elementi del gruppo IVA o gruppo 14 hanno numero di ossidazione +4 ma i composti dello stagno e del piombo mostrano spesso il numero di ossidazione +2
Gli elementi del gruppo IVA sono Carbonio, Silicio, Germanio, Stagno e Piombo.

Proprietà periodiche degli elementi del gruppo IVA 

Scendendo dall’alto verso il basso gli elementi del gruppo IVA mostrano maggiore tendenza rispetto ai primi a formare composti in cui presentano numero di ossidazione +2.

In particolare i composti dello stagno e del piombo mostrano spesso il numero di ossidazione +2 come nel cloruro di stagno (II) SnCl₂, nell’ossido di piombo (II) PbO e in numerosissimi altri composti. Si tenga, tuttavia presente che il numero di ossidazione prevalente nei composti dello stagno è +4 mentre nel piombo, ultimo elemento del gruppo è +2.

Il numero di ossidazione caratteristico degli elementi del gruppo IVA è +4 come, ad esempio in CCl₄,SiCl₄ e SnO₂.
Si tenga presente, tuttavia che il carbonio, nel composti organici può presentare numeri di ossidazione sia positivi che negativi come, ad esempio, nel metano CH₄ in cui ha numero di ossidazione -4.

Carbonio

Fra i composti inorganici l’unico esempio in cui il carbonio ha numero di ossidazione +2 è il monossido di carbonio CO che è un energico riducente in quanto viene facilmente ossidato a biossido di carbonio CO₂ in cui il carbonio ha numero di ossidazione +4 termodinamicamente più stabile. Ad esempio il monossido di carbonio riduce molti ossidi metallici in molte reazioni a livello industriale come:

Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂

che consente l’isolamento del ferro.

Silicio

Il silicio è il secondo degli elementi del gruppo IVA che presenta numeri di ossidazione +4, +3, +2, +1, -1, -2, -3 e -4 sebbene i numeri di ossidazione più comuni siano +4 e -4. Esso è il secondo elemento, dopo l’ossigeno, più abbondante sulla crosta terrestre. Si trova   nell’argilla, nel feldspato, granito, quarzo sotto forma di biossido di silicio, silicati e alluminosilicati.

E’ un semimetallo con proprietà chimico-fisiche simili a quelle del silicio ed è utilizzato come semiconduttore nei transistor e nei circuiti integrati quando viene drogato con piccole quantità di arsenico, gallio, indio, antimonio e fosforo.

Quando il germanio viene colpito da fotoni aventi un’energia maggiore di 11.2 keV il cristallo diventa fluorescente ed emette un fotone avente un’energia di 9.9 keV. Come gli altri elementi del gruppo IVA  ha numero di ossidazione +4 anche se in alcuni composti ha numero di ossidazione +2. Raramente ha numero di ossidazione +3

Stagno

Lo stagno  è presente per lo 0.001% circa sulla crosta terrestre. E’ uno dei metalli noto da più tempo. Già prima del 2000 a.C. costituendo uno dei metalli per ottenere il bronzo. Il suo minerale, la cassiterite, SnO₂, si trova nei giacimenti pegmatici granitici o in rocce magmatiche intrusive dette greisen o in filoni idrotermali di media ed alta temperatura o in depositi alluvionali. La cassiterite ha un alto peso specifico ( 6.9 g/cm³) ed è particolarmente stabile alla disgregazione e alla corrosione. Il chimico britannico Robert Boyle nel 1673 condusse per primo esperimenti sull’ossido di questo metallo.

Lo stagno forma composti sia in cui è presente come stagno (II) che come stagno (IV); quest’ultimo numero di ossidazione è il più stabile tra i due e ciò implica che  i composti contenti stagno (II) possono essere ossidati spontaneamente a composti contenenti stagno (IV). Per esempio una soluzione contenente ioni Sn²⁺ riduce una soluzione contenente iodio a ioduro ossidandosi a Sn⁴⁺:

Sn²⁺ + I₂ → Sn⁴⁺ + 2 I^–

Analogamente lo stagno (II) riduce il ferro (III) a ferro (II): in tale reazione ioni Sn²⁺ sono ossidati a Sn⁴⁺ :

Sn²⁺ + 2 Fe³⁺ → Sn⁴⁺ + 2 Fe²⁺

Lo ione Sn²⁺ viene ossidato dal permanganato di potassio
in ambiente acido a Sn⁴⁺ e tale reazione può anche essere usata nell’ambito delle titolazioni permanganometriche per la determinazione della concentrazione di Sn²⁺

5 Sn²⁺ + 2 MnO₄^– + 16 H⁺ → 5 Sn⁴⁺ + 2 Mn²⁺ + 8 H₂O

Piombo

Per il piombo la situazione è diversa infatti per tale metallo il numero di ossidazione più stabile è +2 e quindi si ha una forte tendenza da parte dei composti in cui il piombo ha numero di ossidazione +4 a dare composti in cui il piombo ha numero di ossidazione +2. Ad esempio il cloruro di piombo (IV) si decompone a temperatura ambiente per dare cloruro di piombo (II) e cloro gassoso secondo la reazione:

PbCl₄ → PbCl₂ + Cl₂

e l’ossido di piombo (IV) si decompone per dare ossido di piombo (II) e ossigeno:

2 PbO₂ → 2 PbO + O₂

L’ossido di piombo (IV) reagisce con l’acido cloridrico concentrato per dare cloruro di piombo (II) e cloro gassoso secondo la reazione:

PbO₂ + 4 HCl → PbCl₂ + Cl₂ + 2 H₂O

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