Gruppi 13 e 14 - principato.it

Gli elem enti del gr up po 1 3 e 1 4 del Sis tema
P eriodic o
I gruppi 13 e 14 , per la loro posizione centrale nel Sistema Periodico, includono elementi con
caratteristiche di frontiera tra quelle tipicamente metalliche e quelle non-metalliche. La variazione di
proprietà è forte lungo il gruppo:
•
•
nel gruppo 13 il carattere metallico è inesistente nel boro, si accompagna a un comportamento
anfotero/semimetallico nell’alluminio ed è più pronunciato in gallio, indio e tallio;
nel gruppo 14 il comportamento del carbonio, del silicio e del germanio è non-metallico; lo
stagno è un metallo con un comportamento semimetallico; più marcatamente metallico è il
comportamento del piombo.
ELEMENTO
Boro B
Alluminio Al
Gallio Ga
Indio In
Tallio Tl
Caratteristiche e proprietà degli elementi del gruppo 13
Numero
Massa
Punto di
Punto di
atomico
atomica
fusione
ebollizione
(u)
(°C)
(°C)
5
10,811
2079
2550 (sublima)
13
26,982
660,4
2467
31
69,723
29,78
2403
49
114,818
156,61
2080
81
204,383
303,5
1457
Densità a 20°C
(kg/dm3)
2,34
2,6989
5,91
7,31
11,85
Degli elementi del gruppo 13 il più diffuso e il più importante per le numerose applicazioni industriali
è l’alluminio: un metallo argenteo, la cui bassa densità lo rende un materiale prezioso in tutte le
applicazioni che richiedono strutture dotate di grande leggerezza. Con tre elettroni nel guscio di
valenza, l’alluminio tende ad assumere numero di ossidazione +3, formando lo ione Al3+ . In natura
l’alluminio si trova spesso associato al silicio in minerali detti alluminosilicati, di cui uno dei più noti
è l’ortoclasio, KAlSi3O8 , uno dei minerali costitutivi dei graniti; importanti sono anche le bauxiti,
minerali costituiti principalmente da allumina idrata; l’allumina è l’ossido di alluminio Al2O3
Tra gli elementi del gruppo 14, carbonio e silicio sono i più diffusi in natura; il silicio è, dopo
l’ossigeno, il maggior costituente della crosta terrestre e il carbonio è l’elemento fondamentale su cui si
basa l’esistenza degli esseri viventi sulla Terra.
Caratteristiche e proprietà degli elementi del gruppo 14
ELEMENTO
Numero
Massa
Pun to di
Punto di
Densità (kg/dm3)
atomico
atomica
fusione
ebollizione
(u)
(°C)
(°C)
Carbonio C
6
12,011
3550
4200
3,52 (diamante)
2,25 (grafite)
Silicio Si
14
28,086
1410
2355
2,33
Germanio Ge
32
72,610
936,4
2830
5,323
Stagno Sn
50
118,710
231,97
2270
7,31
Piombo Pb
82
207,200
327,5
1740
11,35
Il carbonio si trova in forma elementare come grafite e diamante ; oltre a queste due forme può
esistere, come sostanza elementare, anche come fullerene. I fullereni sono costituiti da molecole di
forma sferica con un numero pari di atomi di carbonio, da 32 a 190 circa; possono essere ottenuti
realizzando un arco elettrico tra due elettrodi di grafite in un’atmosfera di gas inerte, ad esempio l’elio;
tracce di fullereni sono state ritrovate anche nella fuliggine; il più noto è il fullerene C60 con una
struttura simile a quella di un pallone da calcio .
Il carbonio è il principale costituente degli esseri viventi, è presente in importanti rocce formate da
carbonati, soprattutto carbonato di calcio CaCO3, è il principale componente dei combustibili fossili,
carbone e petrolio ed è presente nell’atmosfera come anidride carbonica, CO2.
A causa della presenza di quattro elettroni nel guscio di valenza e del suo carattere non metallico, il
carbonio è tetravalente e forma in genere quattro legami covalenti. La chimica del carbonio è
caratterizzata dalla grande stabilità del legame C – C e dalla possibilità di formare molecole con lunghe
catene di atomi di carbonio legati fra loro; questa caratteristica rende possibile un’enorme varietà di
composti e di strutture molecolari, le cui proprietà e comportamento chimico sono studiate da uno
specifico settore della chimica, la chimica organica.
Tra i composti più semplici del carbonio, il cui studio ricade nel campo della chimica inorganica
ricordiamo:
• Anidride carbonica (biossido di carbonio), CO2
L’anidride carbonica è uno dei componenti dell’aria: è il prodotto della combustione del carbonio,
sia allo stato elementare, il carbone, sia combinato, ad esempio nei composti organici:
C + O2  CO2
La sua concentrazione nell’aria è di circa 330 ppm ed è in continua crescita a causa delle
combustioni industriali che hanno come effetto quello di immettere in atmosfera, sotto forma di
CO2 enormi quantità di carbonio immobilizzato da milioni di anni nei combustibili fossili.
• Ossido di carbonio (monossido di carbonio), CO
E’ un gas incolore ed inodore, prodotto della combustione del carbonio in carenza di ossigeno:
2 C + O2  2 CO
Possiamo notare che nella produzione di CO2 il rapporto molare C : O2 è 1:1 mentre nella
produzione di CO è 2:1, quindi con una quantità di O2 dimezzata rispetto alla reazione precedente.
La carenza di ossigeno può essere causata dal funzionamento difettoso di bruciatori, camini e
caldaie. Il monossido di carbonio è molto tossico perchè si lega in modo irreversibile
all’emoglobina del sangue che in tal modo non è più in grado di trasportare l’ossigeno.
• Acido carbonico H2CO3
Si forma sciogliendo l’anidride carbonica in acqua:
CO2 + H2O  H2CO3
L’acido carbonico, che esiste solo disciolto nell’acqua e non è isolabile come sostanza pura, è un
acido debole e dà origine ad un importante gruppo di sali, i carbonati.
Il silicio è uno degli elementi più diffusi in natura; come il carbonio è tetravalente e può formare
molecole con legami covalenti Si – Si, ma questo legame è molto meno stabile del corrispondente
legame C – C per cui non si possono formare molecole con lunghe catene di atomi di silicio legati tra
loro. Nei composti del silicio troviamo, invece, catene in cui gli atomi di silicio sono legati tramite
ponti di ossigeno.
Anche in questo caso si ha una grande varietà di strutture molecolari e di composti che rende la chimica
del silicio altrettanto ricca e complessa della chimica organica.
biossido di silicio, silice, SiO2
E’ il più semplice composto del silicio; può presentarsi sia in forma cristallina sia in forma amorfa.
L’unità costitutiva della silice è un gruppo atomico SiO4 a struttura tetraedrica : l’atomo di silicio,
posto al centro del tetraedro, è legato a quattro atomi di ossigeno posti ai vertici.
•
L’ossigeno, elemento del gruppo 6, manca di due elettroni per completare il guscio più esterno. Il
legame con il silicio fornisce uno soltanto degli elettroni necessari; il secondo elettrone deriva dalla
condivisione dello stesso atomo di ossigeno fra due tetraedri; ne risulta una struttura tridimensionale
nella quale ogni atomo di ossigeno fa parte di due tetraedri che, in tal modo, risultano tutti uniti tra di
loro a formare un unico reticolo. Nella silice cristallina i tetraedri sono disposti in un reticolo ordinato
che si ripete con regolarità lungo le tre direzioni dello spazio.
Anche nel solido amorfo i tetraedri sono uniti tramite la condivisione di un atomo di ossigeno ma sono
disposti in modo disordinato e il reticolo non presenta alcuna regolarità.
La silice è un materiale molto duro che fonde ad alta temperatura (circa 1700 °C)ed è una sostanza
molto diffusa in natura. Il quarzo è il minerale più comune costituito da silice cristallina; l’agata e
l’opale sono costituiti da silice amorfa. La silice è inoltre il costituente del rivestimento di cui sono
dotati alcuni organismi unicellulari, come i radiolari e le diatomee.
App rofo ndime nti
L’anidride carbonica e l’effetto serra
La Terra è investita da una grande quantità di energia proveniente dal Sole sottoforma di radiazione
elettromagnetica. Una parte di questa energia viene riflessa nello spazio, la maggior parte viene
assorbita dall’atmosfera e dal suolo terrestri che in tal modo si riscaldano; la Terra emette a sua volta
radiazione elettromagnetica la cui lunghezza d’onda dipende dalla temperatura; in particolare, la
lunghezza d’onda che corrisponde alla massima emissione è inversamente proporzionale alla
temperatura a cui si trova la superficie della Terra,:
e cade nel campo della radiazione infrarossa (IR). Tale radiazione si disperderebbe nello spazio se non
fosse per la presenza nell’atmosfera di sostanze, chiamate “gas serra”, vapor d’acqua, H2O, anidride
carbonica, CO2, metano, CH4, ecc. che hanno la capacità di trattenere la radiazione IR, assorbendola e
reirradiandola. I gas serra agirebbero perciò come i vetri di una serra che lasciano passare la luce del
Sole e trattengono il calore.
L’effetto serra, in sé, non è un fenomeno negativo per la vita sulla Terra: senza la presenza dei gas serra
si stima che la temperatura media del pianeta, attualmente intorno ai 15 °C, sarebbe di circa 30 °C più
bassa, inferiore al punto di congelamento dell’acqua; l’ambiente terrestre sarebbe quindi più difficile
per la vita. A partire però dalla seconda metà del XVIII secolo, in conseguenza della rivoluzione
industriale, il grande impiego di combustibili fossili, carbone inizialmente e poi petrolio e gas naturale,
ha portato ad un aumento continuo della concentrazione dell’anidride carbonica, uno dei principali gas
serra, nell’atmosfera. Si attribuisce principalmente a questo fenomeno e al conseguente aumento
dell’effetto serra, il riscaldamento globale che caratterizza da alcuni decenni il clima della Terra: se
l’immissione di CO2 in atmosfera dovesse continuare si potrebbero determinare, nel giro di alcuni
decenni, cambiamenti climatici e ambientali (aumento delle temperature medie, desertificazione,
scioglimento dei ghiacciai e dei ghiacci polari, innalzamento del livello dei mari) tali da sconvolgere gli
equilibri sociali ed economici dell’intero pianeta e da pregiudicare la sopravvivenza di una parte della
popolazione mondiale.
App rofo ndime nti
Il vetro
Il vetro è un materiale costituito da silice mescolata ad ossidi di altri elementi; presenta una struttura
amorfa.
La fusione della silice pura e il successivo raffreddamento dà luogo a un processo di solidificazione e
alla formazione di un solido amorfo chiamato vetro di silice o vetro di quarzo. I solidi amorfi non
fondono ad una temperatura definita ma passano gradualmente dallo stato solido allo stato fuso con un
processo detto “rammollimento”: durante la fusione, e similmente durante il processo opposto di
solidificazione, il materiale vetroso attraversa una fase in cui si presenta pastoso e plastico; è in questa
condizione che il materiale può essere facilmente lavorato, dandogli la forma desiderata .
Il vetro ottenuto dalla silice pura presenta proprietà molto interessanti, in particolare risulta trasparente
alla radiazione UV; è per tale motivo che viene utilizzato nelle cosiddette lampade al quarzo; inoltre
resiste bene agli sbalzi di temperatura e possiede una grande resistenza nei confronti di molte sostanze
chimiche. Tuttavia, l’alta temperatura di “rammollimento” che occorre raggiungere per la lavorazione
della silice pura ne rende difficile e costosa la produzione. Per abbassare tale temperatura si
aggiungono alla silice altre sostanze chiamate “fondenti”. Le più comuni tra queste sostanze sono gli
ossidi di sodio (Na2O) e di calcio (CaO). Il tipo di vetro che si ottiene è chiamato vetro sodico-calcico;
per la sua fabbricazione la silice viene mescolata con carbonato di sodio (Na2CO3) e carbonato di calcio
(CaCO3) e la miscela così ottenuta viene scaldata fino alla fusione; durante il riscaldamento i carbonati
si decompongono e formano i corrispondenti ossidi:
Na2CO3  Na2O + CO2
CaCO3  CaO + CO2
Il materiale fuso ottenuto con questa tecnica presenta caratteristiche di plasticità ideali per la sua
lavorazione già a temperature intorno ai 700°C.
Sostituendo in parte o completamente gli ossidi di sodio e di calcio con altre sostanze si ottengono
diversi tipi di vetro: ad esempio, con l’ossido di potassio, K2O, e l’ossido di piombo, PbO, si ottiene un
vetro pesante e particolarmente brillante, chiamato “vetro cristallo” utilizzato per la produzione di
oggetti di pregio .