Appunti di Chimica inorganica

QUARTO GRUPPO - ELEMENTI DEL BLOCCO P

In questo gruppo c’è grande eterogeneità tra gli elementi: il piombo è un metallo, con un

comportamento evidentemente da metallo, mentre il carbonio è un non metallo.

Configurazione elettronica esterna: due elettroni negli orbitali p con 4 elettroni esterni.

Stato di ossidazione principale: +4; si ha anche lo stato di ossidazione +2, che diventa più

favorevole man mano che si scende lungo il gruppo, per il fatto della coppia inerte (il piombo

preferisce +2); anche il carbonio ha stato di ossidazione +2, che incontriamo solo nel monossido di

carbonio, e ha anche stati di ossidazione negativi, come -4 nel caso del metano (il carbonio ha in

realtà tantissimi stati si ossidazione, per i composti inorganici ricordiamo questi) gli stati di

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ossidazione negativi sono caratteristici per gli elementi del secondo periodo, in particolare, e si

riferiscono agli idruri. Il carbonio può dare al massimo 4 legami, mentre dal silicio in poi (quindi

dal terzo periodo in poi) gli elementi possono dare più di 4 legami, con espansione dell’ottetto.

Carbonio

Esiste in tantissime forme, come composto ma anche allo stato elementare sostanze che

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contengono carbonio: carbonati (spesso insolubili, li troviamo come minerali), diamante, grafite,

idrocarburi, carbon fossile, anidride carbonica è quindi estremamente diffuso sulla crosta

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terrestre.

Esiste nella forma di tre isotopi, di cui il principale è il carbonio 12, con un rapporto

protoni/neutroni 1:1; se si aggiunge un neutrone si ottiene il carbonio 13, se ne aggiungono due, si

ottiene il carbonio 14, che è radioattivo e viene usato nella datazione dei reperti.

Dal carbonio elementare ci si aspettano sostanze di tipo covalente e ne abbiamo più di una: il

carbonio dà origine al fenomeno dell’ allotropismo (=sostanza che esiste in più forme elementari);

le sostanze del carbonio sono tipicamente sostanze covalenti macromolecolari, quindi tanti atomi

legati gli uni agli altri questo succede perché il carbonio ha una grande predisposizione a

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formare legami C - C, che sono molto stabili.

Gli allotropi del carbonio sono distinti in due categorie: quelli naturali (diamante e grafite, due

solidi molto diversi) e quelli artificiali.

Diamante

Si tratta di un solido molecolare costituito da un reticolo di atomi di carbonio ibridati sp3: ogni

atomo di carbonio è legato ad altri 4 atomi di carbonio, disposti a formare un tetraedro.

È un solido incolore (non ci sono transizioni elettroniche in grado di assorbire la luce del visibile,

quindi le radiazioni visibili oltrepassano il solido) , molto duro (i legami sono molto forti, difficili da

rompere) e isolante: gli elettroni sono tutti localizzati negli orbitali molecolari, dai quali non si

possono

muovere.

Grafite

La grafite è costituita da strati di grafene, fogli monoatomici di carbonio ibridato sp2: i fogli

monoatomici sono tenuti insieme da forze deboli, infatti se passo la grafite su un foglio, questi fogli

si “sfogliano”.

La grafite ha un colore scuro lucente e conduce come i metalli, perciò può essere interpretato come

metallo.

La grafite viene usata per fare le matite, come elettrodo e come lubrificante.

Carbon fossile

Ha origine biogenica ed è utilizzato come combustibile o agente riducente.

Nerofumo

Prodotto sintetico, costituito da carbonio amorfo contenente microcristalli di grafite; usato come

rinforzante nelle gomme, e negli inchiostri.

Carbonio attivato

E’ una forma di carbonio microcristallino di sintesi; prodotto usato a livello farmaceutico o anche

per purificare l’acqua.

Fibre di carbonio

Ottenute per riscaldamento in assenza di aria di fibre di rayon; materiale altamente resistente e

leggero, usato per i materiali sportivi, per esempio, studiati anche come biosensori, come materiali

per trasportare farmaci.

Composti

ossidi: monossido di carbonio CO gas incolore e inodore, si forma per combustione di

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materiali contenenti carbonio in una situazione in cui l’ossigeno è reagente limitante; in

eccesso di ossigeno, invece si forma biossido di carbonio CO2.

Il monossido di carbonio è tossico, perché è un legante, cioè una sostanza in grado di

formare dei composti di coordinazione molto stabili con i metalli di transizione: in

particolare si lega con grandissima affinità al ferro dell’emoglobina dove si dovrebbe legare

l’ossigeno si forma la carbossiemoglobina, che non è più in grado di trasportare ossigeno,

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che quindi non arriva più ai tessuti. Il monossido di carbonio è una sostanza di per sé

stabile, ma che tende comunque a reagire perché il carbonio preferisce lo stato di

ossidazione +4 il carbonio è

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quindi classificato come un riducente, in quanto si ossida da +2 a +4.

Il monossido di carbonio non reagisce con l’acqua, dunque l’unico ossiacido del carbonio è

quello che deriva dal biossido di carbonio, ossia l’acido carbonico H2CO3 (acido debole):

solitamente le reazioni di un ossido di un non metallo + acqua si scrivono con una freccia

sola, perché si tratta di reazioni favorevoli, che avvengono a completamento; in questo caso

però la reazione si scrive con una freccia all’equilibrio, poiché l’acido carbonico è sempre in

equilibrio con il suo ossido, è una reazione che non va a completamento. Questo equilibrio è

dovuto al fatto che il biossido di carbonio è gassoso e quindi tende a liberarsi e a spostare

l’equilibrio indietro a causa della diminuzione di pressione.

Il biossido di carbonio è un molecola lineare, in cui il carbonio è legato a due atomi di

ossigeno con doppi legami, ma nonostante ciò il carbonio è ibridato sp, perché è una

molecola lineare: i due orbitali pi greco si formano con due atomi diversi.

carbonati / idrogenocarbonati: contengono rispettivamente lo ione carbonato CO3 2- e lo

● ione idrogenocarbonato HCO3-; i carbonati sono caratterizzati dall’essere quasi tutti

insolubili, eccetto quelli dei metalli alcalini e dello ione ammonio, mentre gli

idrogenocarbonati sono generalmente solubili. Sono entrambi delle polveri, incolori (se c’è

un colore è dovuto al metallo, non allo ione).

Le reazioni caratteristiche dei carbonati (riscaldati) generano CO2 e producono l’ossido del

metallo; un’altra reazione è costituita da carbonati e acido e genera la formazione di bolle,

dovute al fatto che si genera della CO2 è una reazione che ci permette di riconoscere

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facilmente i carbonati, ma è anche la reazione usata nei lieviti chimici. Questa reazione è

possibile è possibile perché l’acido carbonico è in equilibrio con la CO2: in tutti gli altri casi,

aggiungendo un acido a un sale, si forma l’ossiacido.

La CO2 è un gas serra: è in grado di assorbire le radiazioni e rilasciarle come calore (aumenta

l’energia cinetica delle molecole).

carburi: sono i composti binari del carbonio, che possono essere ionici (carburo di calcio),

● covalenti (carburo di silicio) e interstiziali (carburo di tungsteno); sono una classe di

composti molto eterogenea e con delle importanti applicazioni

Ione Cianuro

Lo ione cianuro fa parte di una categoria di composti che prendono il nome di "pseudo alogeni",

sono ioni che si comportano da alogeni: lo ione cianuro, come lo ione cloruro, da il cianuro di

idrogeno HCN (o acido cianidrico, acido debole), un gas molto tossico con odore caratteristico di

mandorle è tossico perché è un ottimo legante per i metalli di transizione, può danneggiare il

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nostro sistema enzimatico (tutti i leganti sono in grado di legarsi anche ai metalli degli enzimi).

Silicio

È il secondo elemento più abbondante della crosta terrestre dopo l’ossigeno ed è presente in natura

principalmente come silicati, alluminosilicati (comuni rocce) o come silice (biossido di silicio,

sabbia). Il silicio è così diffuso che la sua produzione è un processo non troppo costoso: si parte

dalla sabbia e si riduce il silicio a silicio metallico.

Il silicio è importante perché è il semiconduttore più diffuso in assoluto (un semiconduttore è una

sostanza che normalmente non conduce, ma può farlo se scaldata o illuminata, poiché l’energia

fornita permette i salti elettronici che inducono corrente).

Composti

biossido di silicio: è una struttura in cui il silicio è ibridato sp3 e si tratta di un solido

● covalente macromolecolare, perché il silicio, essendo del terzo periodo, non da volentieri

legami multipli, legato al fatto che è un atomo più grande la sovrapposizione laterale non

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è favorita

Polimorfismo

La silice è una sostanza che dà polimorfismo: nella forma cristallina, cioè nel quarzo, è un

materiale caratterizzato da durezza e piezoelettricità (quando si sollecita con corrente elettrica,

cambia il volume); è inoltre una sostanza estremamente resistente alle sostanze chimiche e alle

temperature (le sostanze resistenti alle temperature si dicono “refrattarie”) è così resistente da

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resistere ad acidi, anche forti l’unico acido in grado di attaccare questo materiale è l’acido

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fluoridrico, un acido debole, ma in grado di sciogliere silice per gli ioni fluoruro si forma lo ione

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esafluorosilicato, che è solubile: questo composto vede il silicio con 6 legami (da espansione

dell’ottetto, geometria ottaedrica).

La silice viene usata, nella sua forma amorfa, in molti prodotti: se si prende della silice in polvere e

la si mette in polvere, si ottiene un pH un po’ acido: essendo un solido, alla superficie c’è

un'interruzione della struttura cristallina e si hanno dei gruppi acidi.

Le forme cristalline (come le polveri di quarzo) vengono usate in edilizia: nei cementi, per produrre

piani delle cucine in quarzo, vernici in quarzo; le polveri molto fini sono pericolose, sono

classificate come cancerogene.

Quando si parla della pericolosità delle silici non si parla di quelle amorfe, che vengono utilizzate

come eccipienti nei cosmetici, nei farmaci; un altro tipo di silice è quella utilizzata in ottica per fare

le lenti, la silice vetrosa; altri tipi di silice sono l’agata, la terra di diatomee; la silice si trova anche

sulla pellicola di alcune piante (come il grano).

Ci sono anche delle silici idrate, che si utilizzano per produrre gli ambienti anidri o come essiccanti,

per togliere l’umidità (una sostanza igroscopica è una sostanza che toglie l&rsquo