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Gruppi del boro e del carbonio

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Proprietà generali degli elementi dei Gruppi 13 e 14

C, Al e Si sono abbondanti nella crosta terrestre.

La scarsità nel cosmo del boro (come di Li e Be) discende dal fatto che nella nucleosintesi questi elementi leggeri sono stati aggirati.

La scarsità degli elementi più pesanti di entrambi i gruppi si accorda con la generale progressiva diminuzione di stabilità degli elementi successivi al ferro.

Eccetto il Ge, tutti gli elementi del gruppo del carbonio sono più abbondanti dei termini adiacenti dei gruppi del boro e dell'azoto.  Questa differenza deriva dalla maggior stabilità dei nuclei a numero atomico pari.

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Proprietà fisiche e chimiche

® Il boro presenta somiglianze di ordine fisico particolarmente  con silicio e germanio.  Tutti e tre sono solidi duri e semiconduttori.  

® L'esistenza di due o più forme polimorfe ben differenti è caratteristica comune per gli elementì del blocco p (vedi boro e carbonio elementari).  

I termini più leggeri dei due gruppi sono non metalli e i più pesanti metalli.  Solo Al, Tl e Pb però cristallizzano nelle strutture compatte tipiche dei metalli.

® B, C, Si e Ge sono decisamente non-metalli. Hanno elettronegatività  vicina a quella dell'idrogeno.  

Sono nettamente «duri», perchè forti ossofili e fluorofili: B, Al, C e Si.

Sono nettamente «molli», per l’affinità con I e S: Tl e Pb.

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Proprietà degli elementi dei gruppi del boro e del carbonio

Elemento

 I/kJ mol-1 cP rcov rion Aspetto e prop. Num. ossid.

Gruppo 13/III

B

899

2,04

0,88

-

Semiconduttore scuro

3

Al

578

1,61

1,26

0,54

Metallo

3

Ga

579

1,81

1,26

0,62

Metallo p.f. 30 °C

1,3

In

558

1,78

1,44

0,80

Metallo  tenero

1,3

Tl

589

2,04

1,47

0,89

Metallo  tenero

1,3

Gruppo 14/IV

C

1086

2,55

0,77

-

Isolante duro (diam.)

Semimetallo (grafite)

4

Si

786

1,90

1,17

0,40

Semiconduttore duro

4

Ge

760

2,01

1,22

0,53

Semìconduttore duro

2,4

Sn

708

1,96

1,40

0,69

Metallo

2,4

Pb

715

2,33

1,46

0,92

Metallo tenero

2,4

Valori delle c di Pauling ricalcolati da A. L. Allred,  Inorg. Nucl.  Chern., 17, 215 (1961).  Raggi covalenti da M. C. Ball e A. H. Norbury, Physical data for inorganic chemists. Long­man, London (1974).  Raggi ionici da R. D. Shannon, Acta Crystallogr., A32, 751 (1975), N.C = 6, massimo stato di ossidazione. Numeri di ossidazione più comuni in neretto.

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Per la maggior parte degli elementi, il numero di ossidazione comune è quello corrispondente al gruppo: +3 per il gruppo 13/III, +4 per il gruppo 14/IV. 

Eccezioni più notevoli Tl e Pb,  con numero di ossidazione più comune di 2 unità inferiore al massimo del gruppo: + 1 per Tl e +2 per Pb. E’ una manifestazione dell'effetto della coppia inerte.

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Produzione

Boro, alluminio e silicio, chimicamente duri, sono diffusi in natura come ossidi e ossoanioni.

Di conseguenza gli elementi si possono ottenere solo in condizioni fortemente riducenti.

Boro

® Riduzione dell'ossido con magnesio

B2O3 + 3Mg ¾D® 2B + 3MgO  (Boro Moissan 95-98%)

o con altri metalli elettropositivi  (è generalmente amorfo,  parzialmente contaminato da impurità refrattarie come bururi metallici).

® Riduzione elettrolitica di borati fusi in KCl/KF fusi (boro in polvere, 95%).

® Riduzione di composti volatili del  boro (es. BBr3) con H2   (boro ad alta purezza >99.9%; il carattere cristallino cresce con la temperatura del processo).  

® Abbiamo già visto la produzione del silicio (per riduzione della silice con carbone in forno elettrico, o da SíCl4 con idrogeno per semiconduttori) e dell'alluminio col processo elettrolitico Hall-Heroult.

®  Gli ossidi degli elementi pesanti dei due gruppi si riducono più facilmente di quelli degli elementi leggeri, e questo permette di utilizzare il carbone per ridurne i minerali. 

Es. lo stagno dalla cassiterite, SnO2.  Gli elementi pesanti molli sono diffusi come minerali a base di solfuri, es. la galena, PbS. Il piombo si estrae arrostendo il solfuro all'aria, onde ottenerne l'os­sido di piombo

2PbS(s) + 3O2(g) ® 2PbO(s) + 2SO2(g)

L’ ossido viene poi ridotto con carbone in altoforno:

2PbO(s) + C(s) ® 2Pb(l) + CO2(g)


La tossicità del piombo, che dà accumulo nell'organismo, ha fatto bandire il metallo da molti prodotti di consumo, e attualmente il suo impiego principale è nelle batterie ad acido.

Gli elementi più rari si estraggono come sottoprodotti di metalli più comuni.  Il gallío si ricava dalla produzione dell'alluminio; il germanio e il tallio si recuperano dalle scorie dello zinco e del piombo.