Gli elem enti del gr up po 13 e 14 del Sistema

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1 Gli elem enti del gr up po 13 e 14 del Sistema Periodico 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.

2 ELEMENTO Caratteristiche e proprietà degli elementi del gruppo 13 Numero Massa Punto di Punto di atomico atomica fusione ebollizione Densità a 20 C (kg/dm 3 ) (u) ( C) ( C) Boro B 5 10, (sublima) 2,34 Alluminio Al 13 26, , ,6989 Gallio Ga 31 69,723 29, ,91 Indio In , , ,31 Tallio Tl , , ,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 Al 3+. In natura l alluminio si trova spesso associato al silicio in minerali detti alluminosilicati, di cui uno dei più noti è l ortoclasio, KAlSi 3 O 8, uno dei minerali costitutivi dei graniti; importanti sono anche le bauxiti, minerali costituiti principalmente da allumina idrata; l allumina è l ossido di alluminio Al 2 O 3

3 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/dm 3 ) atomico atomica (u) fusione ( C) ebollizione ( C) Carbonio C 6 12, ,52 (diamante) 2,25 (grafite) Silicio Si 14 28, ,33 Germanio Ge 32 72, , ,323 Stagno Sn , , ,31 Piombo Pb , , ,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 C 60 con una struttura simile a quella di un pallone da calcio.

4 Il carbonio è il principale costituente degli esseri viventi, è presente in importanti rocce formate da carbonati, soprattutto carbonato di calcio CaCO 3, è il principale componente dei combustibili fossili, carbone e petrolio ed è presente nell atmosfera come anidride carbonica, CO 2. 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), CO 2 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 + O 2 CO 2 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 CO 2 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 + O 2 2 CO Possiamo notare che nella produzione di CO 2 il rapporto molare C : O 2 è 1:1 mentre nella produzione di CO è 2:1, quindi con una quantità di O 2 dimezzata rispetto alla reazione precedente.

5 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 H 2 CO 3 Si forma sciogliendo l anidride carbonica in acqua: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 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, SiO 2 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 SiO 4 a struttura tetraedrica : l atomo di silicio, posto al centro del tetraedro, è legato a quattro atomi di ossigeno posti ai vertici.

6 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.

7 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, H 2 O, anidride carbonica, CO 2, metano, CH 4, 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.

8 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 CO 2 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.

9 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 (Na 2 O) 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 (Na 2 CO 3 ) e carbonato di calcio (CaCO 3 ) e la miscela così ottenuta viene scaldata fino alla fusione; durante il riscaldamento i carbonati si decompongono e formano i corrispondenti ossidi: Na 2 CO 3 Na 2 O + CO 2 CaCO 3 CaO + CO 2 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, K 2 O, 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.