ELEMENTOS DO GRUPO IVA (Carbono, Silício, Germânio, Estanho e Chumbo)

OCORRÊNCIA E ABUNDÂNCIA

O carbono é 17° e o silício é o 2° elemento mais abundante em peso na crosta terrestre, veja tabela abaixo:


Abundância dos elementos na crosta terrestre (em peso)

Elemento	ppm	Abundância relativa
C	180	17°
Si	272.000	2°
Ge	1,5	54°
Sn	2,1	49°
Pb	13	36°

 

Minerais de germânio são muito raros. O germânio só é encontrado em traços em alguns minérios de prata e zinco e em alguns tipos de carvão - não é muito estudado
Estanho e chumbo são relativamente pouco abundantes, porém eles ocorrem em minérios concentrados, permitindo uma obtenção fácil, e ambos os elementos vêm sendo utilizados desde tempos pré-bíblicos. O principal minério de chumbo é a galena, PbS. Ela é preta dura e muito densa.
O carbono é um constituinte essencial de toda a matéria viva, como proteínas, carboidratos e gorduras. O carbono ocorre em grandes quantidades, combinado com outros elementos e compostos, principalmente o carvão, petróleo e rochas do tipo carbonatos, como calcita CaCO₃, magnesita MgCO₃ e dolomita MgCO₃.CaCO₃. O carbono é também encontrado na forma nativa: grafita, e em quantidades muito pequenas, o diamante - obtidos por mineração.
O silício é muito espalhado na natureza, como sílica SiO₂ (areia e quartzo), e numa grande variedade de silicatos e argilas.

OBTENÇÃO DOS METAIS

CARBONO: Em compostos inorgânicos o carbono é produzido em larga escala são o negro de fumo, coque, grafita, carbonatos, dióxido de carbono, monóxido de carbono (como gás combustível), uréia, carbeto de cálcio, cianamida de cálcio e dissulfeto de carbono. E também são produzidos composto de carbono: organometálicos, carbonilas e complexos com ligações pi.
O negro de fumo é obtido por combustão incompleta de hidrocarbonetos provenientes de gás natural ou petróleo.
O coque é produzido pela carbonização de carvão a altas temperaturas. O carvão é aquecido em grandes fornos, na ausência de ar.
A grafita natural é encontrada geralmente como mistura com mica, quartzo e silicatos, que contém de 10% a 60% de carbono. A grafita é separada da maioria das impurezas por flotação. Ela é purificada finalmente por aquecimento com HCl e HF a vácuo, para remover os últimos vestígios de compostos de silício na forma de SiF₄.
O carvão ativado é fabricado aquecendo ou oxidando quimicamente a serragem ou turfa. O carvão ativado tem uma enorme superfície de contato.
Os diamantes naturais maiores são obtidos por mineração, seu tamanho é medido em quilates (1g = 5 quilates). Diamantes pequenos e grafita são produzidos para fins industriais a altas temperaturas e pressões.

SILÍCIO: É obtido por redução de SiO₂ com coque de elevada pureza. Utiliza-se excesso de SiO₂, para impedir a formação de carbeto, SiC. O Si de elevada pureza (para indústria de semicondutores) é obtido convertendo Si em SiCl₄, purificando este por destilação, e reduzindo o cloreto com Mg ou Zn.

Para o estágio final de purificação do Si para semicondutores, é utilizado o processo chamado de "purificação por refino em zona" ou "fusão em zona". Trata-se de um método excelente para a purificação de pequenas quantidades. Uma barra do elemento, já bastante purificada, é colocada num longo tubo de quartzo preenchido com um gás inerte. Uma espira de aquecimento funde um pequeno disco dessa barra. O aquecedor se move lentamente de uma extremidade da barra à outra, e Si puro cristaliza a partir da parte fundida. As impurezas são mais solúveis no líquido do que no sólido, e são arrastadas para as extremidades da barra, onde são cortadas e desprezadas. Este método também é utilizado para purificar o germânio. Pode ser usado também para obtenção de Si puro para semicondutores, reduzindo com sódio o composto Na₂[SiF₆], que é um subproduto da fabricação de fertilizantes fosfatados a partir de fluorapatita.

Na2[SiF6]

+

4Na

®

Si

+

6NaF

 

 

GERMÂNIO: O germânio pode ser recuperado das cinzas do carvão, mas prefere-se recuperá-lo das poeiras liberadas na fusão de minérios de zinco. Obtém-se o GeO₂ puro, que é reduzido por H₂ a 500°C, com formação de Ge. Germânio com pureza para transistores é obtido utilizando-se o método de refino em zona visto para o Si.

ESTANHO: O estanho é obtido através da redução da cassiterita SnO₂ usando carbono a 1.200 - 1.300°C, num forno elétrico. O produto contém traços de ferro, que tornam o metal mais duro. O Fe é removido introduzindo ar na mistura fundida, para oxidá-lo a FeO, que então flutua sobre a superfície.

CHUMBO: A galena, PbS, depois de extraída é separada de outros metais por flotação. Há dois métodos para a obtenção do elemento:

1. Aquecimento em presença de ar para formar PbO, e em seguida reduzir com coque ou CO num alto-forno.

					+C
2PbS	+	3O2	®	2PbO	®	2Pblíquido	+	CO2(gás)	+	SO2

 

2. O PbS é parcialmente oxidado por aquecimento e passagem de ar através do material. Depois de algum tempo cessa o fornecimento de ar, continuando o aquecimento, com o que a mistura sofre auto-redução.

	aquecimento				aquecimento em
3PbS	®	PbS	+	2PbO	®	3Pblíquido	+	SO2(gás)
	em ar				ausência de ar

 

 

O chumbo obtido contém diversas impurezas metálicas: Cu, Ag, Au, Sn, As, Sb, Bi e Zn . Estas são removidas por resfriamento até perto do ponto de solidificação do chumbo, quando solidificam primeiro o Cu e em seguida o Zn contendo a maior parte do Au e Ag. A oxidação preferencial converte As, Sb e Sn em As₂O₃, Sb₂O₃ e SnO₂, que flutuam sobre a superfície do metal fundido, podendo assim ser removidos.

 

 

USOS DOS ELEMENTOS DO GRUPO IVA

CARBONO: Usado como negro de fumo na indústria de borracha, na fabricação de pneus. Também utilizado em tintas de impressão.
Coque é utilizado na metalurgia do ferro e de muitos outros metais. O coque de petróleo é utilizado em termelétricas e indústrias de cimento.
Grafita é utilizada na fabricação de eletrodos, na indústria do aço, na fundição de metais, na obtenção de cadinhos, como lubrificantes, e ainda em lápis, lonas de freio e escovas para motores elétricos. É também usada para moderador no núcleo de reatores nucleares resfriados a gás, onde ela desacelera os nêutrons.

Carvão ativado é usado para absorver gases venenosos em máscaras contra gases, como filtros no tratamento de águas residuais, e como catalisador em algumas reações.
Diamante é utilizado em jóias e para fabricação industrial de brocas ou abrasivos para cortar e polir, pois o diamante é muito duro (dureza 10 na escala Mohs).

SILÍCIO: É usada como adição ao aço para remover o oxigênio. Isso permite a fabricação de aços ricos em silício, resistentes à corrosão. Para essa finalidade é conveniente utilizar ferro-silício, que é um liga de Fe e Si. E obtida reduzindo SiO₂ e raspas de ferro com coque.

SiO2

+

Fe

+

2C

®

FeSi

+

2CO

 

 

O Si é utilizado na indústria eletrônica em pequenas quantidades e extremamente puro. O Si puro é isolante, mas torna-se semicondutor do tipo-p quando "dopado" com um elemento do Grupo V. É usado em dispositivos transistores e semicondutores. Si muito puro é usado para fabricar chips de computadores.
O Si é um composto bastante importante na composição do cimento, combinando com cálcio e formando compostos responsáveis pela resistência do cimento (silicato dicálcio e silicato tricálcio). Além desses o Si é importante na fabricação de cerâmicas, tijolos, vidros e os polímeros de siliconas.

 

GERMÂNIO: É utilizado principalmente na confecção de dispositivos semicondutores e transistores. Torna-se semicondutor tipo-n quando "dopado" com elementos do Grupo III. É também empregado na fabricação de prismas, lentes e "janelas" para espectrofotômetros de infravermelho e outros equipamentos científicos por ser transparente à luz infra-vermelha.

ESTANHO: Os principais usos são a eletrodeposição sobre chapas de aço e na fabricação de ligas. Chapas de aço com revestimento de estanho são muito empregadas na fabricação de embalagens para alimentos e bebidas. A ligas mais importante de estanho é a liga para solda (Sn/Pb), mas há muitas outras, incluindo o bronze (Cu/Sn), "bronze duro" ("gun metal") (Cu/Sn/Pb/Zn) e peltre (Sn/Sb/Cu). O SnO₂ é usado na vitrificação de cerâmicas e é frequentemente misturados com outros óxidos metálicos para ser usado como pigmento em cerâmica. SnCl₄ e Me₂SnCl_2<

/sub> são utilizados para depositar filmes muito finos de SnO₂ sobre vidro. Com isso o vidro fica mais resistente, permitindo a fabricação de frascos de menos espessura, além de vidros resistentes ao risco (úteis na fabricação de lentes). O filme de SnO₂ permite a passagem de luz visível mas reflete a radiação infravermelha, impedindo o resfriamento de ambientes. Um filme de SnO₂ é aplicado também em janelas de aviões. Ele conduz a eletricidade, e assim produz calor, impedindo a deposição de gelo sobre o vidro. São usadas grandes quantidades de compostos orgânicos de estanho. Compostos como R₂SnX₂ (onde R é um radical alquil, como o n-octil, e X um resíduo de ácido carboxílico, como o laurato) são usados para estabilizar polímeros halogenados como PVC. Sem o estabilizador, o polímero se decompõe na luz solar, ao ar ou com aquecimento, tornando-se quebradiço e incolor. O composto contendo o radical butil, Bu₂SnX₂, é usado para vulcanizar borrachas do tipo silicona em temperatura ambiente. Compostos inorgânicos de estanho são empregados como retardantes de chama e supressores de fumaça. São utilizados também na preservação de madeiras de lei. Constituem tintas duradouras contra o apodrecimento em barcos, e impedem também a infestação por cracas. Esse uso é ultimamente combatido, porque há sinais de que o metal pesado Sn pode ingressar na cadeia alimentar.

 

 

CHUMBO: Utilizado em baterias nas placas de suporte para os eletrodos. O material do ânodo é PbO₂, e o material do cátodo é Pb esponjoso. O chumbo como Pb₃O₄ é usado em pigmentos vermelhos e o "branco de chumbo" (PbCO₃)₂.Pb(OH)₂ era antigamente muito usado para tornar as tintas "opacas". Plumbato de cálcio, Ca₂PbO₄, é usado para a proteção anti-ferrugem de chapas de aço onduladas, e cromato de chumbro, PbCrO₄, é usado como forte pigmento amarelo em sinais de trânsito e sinalizações de estradas. Compostos de chumbo também são empregados em "vidros cristal" e vidros lapidados, bem como em vitrificações de cerâmica.

 

IMPORTÂNCIA BIOLÓGICA

CARBONO: Como mencionado anteriormente o carbono é constituinte essencial de toda matéria viva. Participa de reações importantes para manutenção da vida como a respiração. Em nosso processo de respiração estamos exalando constantemente CO₂.

ESTANHO: Derivados triorgânicos como o Bu₃SnOH ou Ph₃SnOAc são usados em larga escala na agricultura para controlar fungos, como o causador da "ferrugem" da batata (Botrystis infestans) e ataque semelhante em vinhas, arroz e beterraba. Compostos semelhantes matam acarídeos que atacam frutas como maçãs e peras, bem como outros insetos e larvas.

CHUMBO: O chumbo é um metal pesado e é tóxico ao homem.

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