giovedì 28 luglio 2016

IL GRUPPO 14 DELLA TAVOLA PERIODICA (1° PARTE)










Il gruppo 14 della tavola periodica degli elementi (detto anche gruppo IVA) è quello comprendente nientemeno che il carbonio, l’unico elemento ad avere una branca della chimica tutta sua (chimica organica) ed essere costituente fondamentale della materia vivente (sotto forma di proteine, carboidrati e grassi).
Infatti, il carbonio pur non essendo molto abbondante nella crosta terrestre (ne costituisce soltanto lo 0,04% circa della massa), forma un numero esorbitante di composti con gli altri elementi.
Oltre agli elementi riportati in tabella, il gruppo 14 comprende anche il
flerovio (Fl), l’elemento numero 114 denominato così in onore dello scopritore russo Georgij Flërov, tuttavia ne sono stati prodotti solo pochi atomi e le sue proprietà chimiche risultano poco note.
Pur avendo la medesima configurazione elettronica (in parole povere, il modo in cui gli elettroni si dispongono sugli orbitali) di valenza (ns2 np2), cioè sul livello più esterno, le proprietà degli elementi variano in modo notevole all’interno del gruppo 14.  
Stagno e piombo (alla fine del gruppo) hanno proprietà prevalentemente metalliche.
Il germanio è un metalloide (semi-metallo), avente un comportamento da semiconduttore.
Il silicio, sebbene presenti proprietà da semiconduttore, manifesta per lo più un comportamento chimico da non metallo.
Il carbonio (primo degli elementi del suddetto gruppo) è un non metallo
.
Le differenze tra C e Si sono probabilmente le più sorprendenti osservabili tra qualsiasi coppia di elementi del secondo e terzo periodo di un gruppo della tavola periodica.
Se si mettono infatti a confronto il carbonio e il silicio si osserva che: 


il primo genera forti legami C-C (348 kJ mol-1), dando vita a catene più o meno lunghe (che possono chiudersi pure ad anello). Catene riscontrabili in un elevatissimo numero di composti, fra cui gli idrocarburi (composti di carbonio ed ossigeno);

il secondo forma invece pochi composti a catena in cui i legami Si-Si risultano piuttosto deboli (222 kJ mol-1).
  
Più precisamente, le differenze sussistenti fra C e Si scaturiscono dal più breve raggio atomico del primo; ciò spiega l’ampia diffusione dei doppi legami C=C e C=O rispetto alla rarità di quelli Si=Si o Si=O.
Gli atomi di silicio sono infatti troppo grossi per consentire la sovrapposizione laterale di orbitali p necessaria al fine di instaurare legami π

Formazione di un legame π per sovrapposizione di 2 orbitali p











La suddetta sovrapposizione è possibile soltanto in alcune disposizioni particolarmente artefatte, in cui altri atomi a ponte comprimono i 2 atomi di silicio.
Ricordiamo che il numero quantico secondario o numero quantico angolare l va a definire quanti orbitali di forma diversa possano esistere nello stesso livello energetico (n).
Infatti, per ogni valore di n, l può assumere tutti i valori compresi tra 0 e n-1
Se, per esempio, l = 0, l'orbitale è sferico ed è detto s; se l ≠ 0, l'orbitale assume altre forme. 
La spettroscopia ha dimostrato che in realtà ogni livello energetico è costituito da più "stati" energetici, detti sottolivelli
Il numero di sottolivelli che costituiscono un livello è pari al numero n
Così avremo per n = 1, un solo sottolivello; per n = 2, 2 sottolivelli, e così via fino al IV livello.
Dopodiché il numero di sottolivelli diventa inferiore ad n
Dunque:
  • per l = 1 si hanno orbitali p, la cui forma presenta 2 lobi uniti al centro, dove si trova il nucleo; 
  • per l = 2 avremo orbitali con 4 lobi, detti d
  • per l = 3 avremo orbitali con 8 lobi, detti f
  • per l = 4 si hanno orbitali con 16 lobi, chiamati g. Come si può notare all'aumentare di l, la forma degli orbitali si fa sempre più complessa;










 












Il carbonio è in grado persino di dar vita a tripli legami come CC e CO.
I 4 elettroni di valenza degli elementi del gruppo 14 sono all’incirca ugualmente disponibili ai fini del legame negli elementi più leggeri (carbonio e silicio), i quali si caratterizzano per la loro attitudine a formare 4 legami covalenti

 

Gli elementi più pesanti, al contrario, manifestano il cosiddetto effetto della coppia inerte. Trattasi della tendenza a formare ioni di carica minore di 2 unità rispetto al numero massimo possibile nel gruppo di riferimento (in tal caso +4 appunto).
Tale effetto risulta massimamente pronunciato appunto tra gli elementi pesanti del blocco p

 

Discendendo infatti lungo il gruppo 14, gli intervalli energetici tra gli orbitali s e p aumentano, e gli elettroni s si rendono progressivamente meno disponibili al legame.
Non a caso, per il piombo il numero di ossidazione (numero di elettroni che un atomo cede, acquista o altrimenti usa per unirsi ad altri atomi nei composti o, in altri termini, la carica elettrica formale che si può attribuire a un elemento di un composto, supponendo che i legami siano di tipo ionico) più comune è +2.