Gruppo 14 o gruppo del carbonio
Il Gruppo 14 o gruppo del carbonio detto anche dei cristallogeni è costituito da Carbonio, Silicio, Germanio, Stagno, Piombo e Flerovio.
Gli elementi del gruppo appartengono al blocco p e hanno una configurazione elettronica che termina in ns2,np2; il numero di ossidazione più comune per tali elementi è +4 come nei composti CCl4, SiCl4 e SnO2; scendendo lungo il gruppo sono comuni anche numeri di ossidazione +2 come nel caso di SnCl2 e PbO. Mentre nel caso dello stagno il numero di ossidazione più stabile è +2, il piombo ha come numero di ossidazione più stabile +4.
Per quanto attiene il carbonio, esso dà luogo alla formazione di composti inorganici e composti organici; in questi ultimi mostra numero di ossidazione che vanno da – 4 a +4.
Proprietà
Gli elementi del gruppo 14 seguono il trend previsto dalle proprietà periodiche: il raggio atomico aumenta dall’alto verso il basso come il carattere metallico mentre l’energia di ionizzazione diminuisce dall’alto verso il basso.
Le proprietà degli elementi tuttavia varia notevolmente: il carbonio è un non metallo, il silicio e il germanio sono semimetalli e si comportano da semiconduttori mentre lo stagno e il piombo sono metalli e il flerovio è un elemento sintetico e radioattivo.
Come avviene per gli elementi del Gruppo 13 anche per gli elementi del Gruppo 14 si verifica una inversione nella tendenza di alcune proprietà come l’energia di ionizzazione per il secondo e il terzo elemento.
Gli elementi del Gruppo 14 si presentano in diverse forme allotropiche stabili e metastabili alcune delle quali sono usate dall’industria.
Tutti gli elementi, ad eccezione del piombo si presentano in più forme allotropiche ma per la loro importanza si annoverano quelle del carbonio e del silicio.
Il carbonio infatti si può trovare sotto forma di grafite che è la forma termodinamicamente più stabile, diamante, grafene e fullerene nanotubi di carbonio. Il silicio si presenta in forma amorfa e cristallina. Il crescente interesse nei confronti del silicio per le sue applicazioni nel campo dei pannelli solari ha fatto sì che siano state scoperte nuove forme come quella ortorombica Si24.
Ossidi
Gli elementi del Gruppo 15 formano ossidi ed in particolare il carbonio forma il biossido di carbonio CO2 .
Esso si forma da reazioni di combustione ed è un gas prodotto dall’attività metabolica del corpo umano e il monossido di carbonio CO ottenuto da reazioni di combustione incompleta e il subossido di carbonio C3O2 usato nella sintesi dei malonati.
Il silicio forma un solo ossido stabile SiO2 scarsamente solubile in acqua.
Il germanio forma il biossido GeO2 utilizzato quale materiale ottico per lenti grandangolari e il monossido GeO che ha un comportamento anfotero.
Lo stagno forma il monossido SnO usato quale agente riducente e il biossido SnO2 usato, insieme all’ossido di vanadio quale catalizzatore nell’ossidazione dei composti aromatici nella sintesi di anidridi e acidi carbossilici.
Il piombo forma il monossido PbO usato nel vetro e nei componenti di computer, il biossido PbO2 agente ossidante usato nei fuochi d’artificio e nei coloranti e Pb3O4 usato nei cristalli e nelle batterie.
L’acidità degli ossidi degli elementi del Gruppo 15 decresce lungo il gruppo: CO2 e SiO2 hanno un comportamento acido, GeO2 è lievemente acido mentre SnO2 e PbO2 sono anfoteri.
Cloruri
Tutti gli elementi del Gruppo 15 formano cloruri di formula MCl4 la cui stabilità decresce lungo il gruppo e il cloruro più stabile del piombo è infatti PbCl4: il cloruro di piombo (IV) infatti tende a decomporsi in cloruro di piombo (II) e cloro anche a basse temperature. Il cloruro di stagno (IV) si decompone a cloruro di stagno (II) ad alte temperature. Ad eccezione del tetracloruro di carbonio i cloruri degli altri elementi idrolizzano secondo la reazione
SiCl4 +2 H2O → SiO2 + 4 HCl
Per sostituzione di uno o più atomi di cloro con il fluoro il tetracloruro di carbonio dà luogo alla formazione dei fluoroclorocarburi CFC noti come freon usati quali refrigeranti e propellenti che reagiscono con l’ozono e sono, tra gli altri, responsabili del suo assottigliamento nell’ozonosfera.
Nitruri
Silicio e germanio reagiscono ad alte temperature con l’azoto per dare i nitruri M3N4:
3 Si + 2 N2 → Si3N4
Il nitruro di silicio viene usato, tra l’altro, nell’ambito dell’industria automobilistica per la sua elevata resistenza meccanica alle alte temperature.
Composti con l’idrogeno
Gli elementi del Gruppo 15 si legano con l’idrogeno: il carbonio forma gli alcani aventi formula CnH2n+2, cicloalcani CnHn, alcheni CnHn, alchini CnH2n-2, benzene C6H6.
Il silicio forma un numero limitato di idruri SiH4 detto silano e Si2H6 detto disilano; analogamente il germanio e lo stagno formano due idruri rispettivamente di formula GeH4 detto germano gas tossico e piroforico trovato nell’atmosfera di Giove e Ge2H6 detto digermano usato come precursore del germanio e SnH4 detto stannano che si decompone a temperatura ambiente per dare stagno e idrogeno gassoso e Sn2H6.