IL GRUPPO 14 DELLA TAVOLA PERIODICA (2° E ULTIMA PARTE)

Riprendiamo il nostro viaggio all'interno del gruppo 14 della tavola periodica. Cliccare qui per leggere la prima parte!
Si parte dal diossido di silicio.

DIOSSIDO DI SILICIO 

Il più semplice ossido del silicio è il diossido di silicio (SiO2), comunemente chiamato silice, un solido rigido e duro, insolubile in acqua.
È un costituente di svariate rocce e il contenuto stesso di silice rappresenta un indice sulla base del quale classificare le rocce ignee.
La silice è infatti abbondante in gran parte delle rocce ignee e rappresenta dal 40% al 70% del loro peso complessivo.
Ancora oggi le rocce ricche in silice, alla stregua del granito, vengono dette “siliciche”.
Le classificazioni moderne raggruppano le rocce ignee sulla base del contenuto relativo dei minerali silicatici. 

 










I minerali sialici (o felsici) sono ricchi in silice, mentre i minerali femici (o mafici) ne sono poveri.
Gli aggettivi “sialici” (dalle iniziali di silicio e alluminio) e “femici” (dalle iniziali di ferro e magnesio) vengono usati sia in riferimento ai minerali sia alle rocce che presentano un elevato contenuto di tali minerali.
I minerali femici cristallizzano a temperature più alte di quelli sialici, dunque sono i primi a formarsi durante il raffreddamento di un magma.
Sulla base del contenuto in silice, è possibile effettuare una prima classificazione delle rocce magmatiche: 

 

o più precisamente suddividerle in 4 categorie (felsiche/granitiche, intermedie/andesitiche, mafiche/basaltiche, ultramafiche), come mostra l'immagine che segue: 

Sull’asse orizzontale è indicato il contenuto in silice, espresso come percentuale in peso di una determinata roccia.
Sull’asse verticale viene riportata una scala che misura, per una data roccia, il contenuto di un certo minerale (espresso come percentuale in volume).
Conoscendo quindi il contenuto in silice di un campione di roccia, è possibile determinare la sua composizione mineralogica e, da questa, risalire al tipo di roccia.

Il quarzo è una forma cristallina pura della silice e la presenza di impurezze nel quarzo produce pietre preziose come l’ametista. 
La silice e CO2  sono ossidi di 2 elementi del medesimo gruppo chimico e sarebbe logico aspettarsi delle somiglianze fra loro.

In realtà, SiO2 è un solido ad alto punto di fusione (il quarzo fonde a 1610 °C), mentre CO2 è un gas a temperatura ambiente e 1 bar di pressione.
Tale notevole differenza nelle proprietà deriva dalle diverse strutture dei 2 ossidi.
CO2 è una specie molecolare con l’atomo di carbonio legato a ciascuno degli ossigeni mediante un doppio legame.

Al contrario, SiO2 possiede gli atomi di silicio e di ossigeno legati a formare un grande reticolo.
Questa struttura è preferita alla semplice molecolare, giacché l’energia di 2 doppi legami Si=O è inferiore a quella di 4 legami singoli Si-O.
I cristalli di quarzo sono utilizzati per controllare la frequenza di quasi tutte le trasmissioni radio e televisive.
La silice risulta resistente all'attacco di quasi tutti gli acidi eccetto l'acido fluoridrico (HF), con cui reagisce per generare tetrafluoruro di silicio (SiF₄) e acqua:

Quando la silice reagisce per fusione con idrossidi o carbonati alcalini forma i silicati, come per esempio l’ortosilicato di sodio (Na4SiO4): 

  

Quando il silicato è trattato con acidi, l’acido silicico non si ottiene come monomero, ma condensa ad acidi polisilicici sempre più complessi finché si ottiene un precipitato gelatinoso di SiO2 idrato che, lavato ed essiccato, costituisce il cosiddetto gel di silice. Trattasi di un polimero ad alto peso molecolare contenente molta acqua.

Ricordiamo che i polimeri (dal greco “che ha molte parti”) sono grandi molecole (macromolecole), aventi elevata massa molecolare, ottenute combinando fra loro molecole più piccole, dette monomeri, che ne vanno a costituire le unità fondamentali.

Il gel di silice presenta un’area superficiale notevolmente estesa e risulta assai poroso. Esso viene utilizzato come: 

- disidratante (visto che può assorbire acqua fino al 40% del suo peso);

- supporto per i catalizzatori;

- isolante termico.

SILICATI E ALLUMINOSILICATI

I silicati rappresentano i minerali più abbondanti della crosta terrestre.
Le rocce della crosta terrestre e i prodotti della loro degradazione meteorica (come terreni, argille e sabbia) sono costituiti appunto quasi interamente da silicati, alluminosilicati e silice.

Ciò spiega perché ossigeno, silicio e alluminio siano gli elementi più abbondanti della crosta terrestre.
Alla base di tutte le strutture dei silicati c’è lo ione silicato, un tetraedro composto da uno ione silicio al centro (Si4+) circondato da 4 ioni ossigeno (O2−), esprimibile mediante la formula SiO44−.
Siccome lo ione silicato possiede carica negativa, tende a legarsi ai cationi per dar vita a minerali elettricamente neutri, specialmente con: 

- sodio(Na+);
- potassio(K+); 
- calcio(Ca+);

- magnesio(Mg2+);  
- ferro(Fe2+).

Oppure, esso può condividere ioni ossigeno con altri tetraedri di SiO44−.
Questi tetraedri possono essere isolati (legati solamente a cationi), o possono legarsi ad altri tetraedri, generando anelli, catene singole, catene doppie, strati o reticoli tridimensionali. 

TETRAEDRI ISOLATI O NESOSILICATI 

I tetraedri isolati risultano uniti fra loro tramite un legame tra ogni ione ossigeno dei tetraedri e un catione.
I cationi, a loro volta, si legano agli ioni ossigeno di altri tetraedri. Quindi i tetraedri sono isolati l’uno dall’altro, da tutti i lati, per opera dei cationi.
Esempi rilevanti sono: olivina (Mg,Fe)2SiO4 e zircone ZrSiO4. L’olivina è in particolare una miscela isomorfa di Mg2SiO4 e Fe2SiO4. 

COPPIE DI TETRAEDRI O SOROSILICATI 

2 unità tetraedriche vengono unite mettendo in comune un vertice, in modo da formare l’anione Si2O76-, con cariche negative bilanciate da cationi.
I sorosilicati sono piuttosto rari; un esempio è fornito dalla thortveitite Sc2Si2O7. 

TETRAEDRI LEGATI AD ANELLO O CICLOSILICATI 

I tetraedri si uniscono per generare anelli di 3, 4 e più frequentemente 6 unità.
Tali anelli contengono rispettivamente unità di formula Si3O96-, Si4O128- e Si6O1812-.
Fa parte di tale categoria il berillo Be3Al2Si6O18, che quando contiene impurezze di cromo genera il prezioso smeraldo. 

CATENE (O INOSILICATI) SINGOLE DI TETRAEDRI 

Le catene singole si formano per condivisione di ioni ossigeno (ossigeni ponte).
2 ioni ossigeno di ciascun tetraedro si legano ai tetraedri adiacenti in una catena aperta.
Le catene singole si legano tramite cationi ad altre catene.
I minerali del gruppo dei pirosseni sono esempi di minerali silicatici a catena semplice. L’enstatite (Mg,Fe)SiO3, un pirosseno, contiene ioni ferro o ioni magnesio, o entrambi.
La sua struttura cristallina è caratterizzata da una catena di tetraedri, nella quale i 2 cationi si possono sostituire l’un l’altro, come nell’olivina. 

CATENE (O INOSILICATI) DOPPIE DI TETRAEDRI 

È possibile che 2 catene semplici si combinino fra loro condividendo ioni ossigeno e dando vita a una catena doppia.
Se catene doppie adiacenti si legano tra loro attraverso cationi, si ottiene la struttura del gruppo degli anfiboli, come ad esempio l’orneblenda, un minerale assai comune sia nelle rocce ignee sia in quelle metamorfiche.
Ha una composizione chimica complessa comprendente: 

- il calcio(Ca+);
- il sodio(Na+);
- il magnesio(Mg2+); 
- il ferro(Fe2+) 
- l’alluminio(Al3+).

 

STRATI DI TETRAEDRI O FILLOSILICATI 

Nella struttura a strati ciascun tetraedro condivide 3 dei propri ossigeni con tetraedri adiacenti allo scopo di formare strati di tetraedri impilati l’uno sull’altro.
Tra i singoli strati di tetraedri possono interporsi, come legame, cationi differenti dal silicio.
Fanno parte di questa categoria di silicati le miche e i minerali delle argille.
La muscovite, una mica avente formula KAl3Si3O10(OH)2, è uno dei silicati a strati più comuni; si rinviene infatti in svariati tipi di rocce e può venir separata in “fogli” molto sottili e trasparenti.

RETICOLI TRIDIMENSIONALI DI TETRAEDRI O TECTOSILICATI O TETTOSILICATI 

Tale tipologia di struttura si palesa quando ciascun tetraedro condivide con altri tetraedri tutti i suoi ioni ossigeno.
Possiedono questa struttura i feldspati, i minerali più abbondanti nella crosta terrestre, e il quarzo (SiO2). 

Evidenziamo ora i punti salienti inerenti alla composizione chimica dei silicati.
Il silicato chimicamente più semplice è nientemeno che la silice (SiO2), la quale si trova spesso come minerale quarzo.
Quando i tetraedri del quarzo si legano, condividendo 2 atomi di ossigeno per ogni atomo di silicio, il rapporto globale tra i 2 elementi risulta espresso dalla formula SiO2.
In altri silicati le unità fondamentali (anelli, catene, strati) sono legate a cationi quali: 

- il sodio(Na+);
- il potassio(K+);
- il calcio(Ca+);
- il magnesio(Mg2+);  
- il ferro(Fe2+). 

A proposito della sostituzione di cationi, l'alluminio (Al3+) sostituisce il silicio al centro del tetraedro in diversi silicati, come i feldspati. i quali contengono l'alluminio, con varie combinazioni di altri ioni quali potassio, sodio e calcio (necessari per bilanciare le cariche positive o negative). 
Si parla dunque di alluminosilicati.

Tra questi presentano maggiore complessità le cosiddette zeoliti, nella cui struttura sono presenti canali e cavità di forma regolare capaci di ospitare piccole molecole come l’acqua.
Le zeoliti possono essere usate come: 

- agenti disidratanti per l’assorbimento selettivo di acqua dall’aria o da un solvente; 
- catalizzatori;

- scambiatori ionici per l’addolcimento dell’acqua, giacché gli ioni Ca2+ presenti nell’acqua possono scambiarsi con gli ioni Na+ delle zeoliti.

 

PRODOTTI TECNICI DEL SILICIO 

VETRI 

I vetri sono sostanze fuse trasparenti che solidificano amorfe (ovvero senza cristallizzare) e sono formati da miscele di silicati, specialmente di sodio o potassio, e calcio.

Il vetro comune (detto anche vetro calce-soda) è il più antico e viene ottenuto a circa 1300 °C per fusione della silice con carbonato di sodio (soda) e carbonato di calcio (che decompone per riscaldamento dando la calce).
L’effetto degli ioni sodio è quello di rompere il reticolo cristallino di SiO2, mentre quello degli ioni calcio è di rendere il vetro insolubile in acqua, per cui lo si può usare per fabbricare oggetti quali bicchieri e finestre. 

CERAMICHE 

Il minerale argilloso (di colore da bianco a crema) prodotto dall’alterazione chimica dei feldspati è la caolinite, un silicato d’alluminio idrato (contenente acqua nella struttura cristallina) che deve il suo nome alla collina di Kao Ling, nella Cina sud-occidentale, dove questa argilla è stata estratta per la prima volta.
Gli artigiani cinesi usavano la caolinite pura come materia prima per la fabbricazione della ceramica e della porcellana già da secoli prima degli europei, che la importarono nel XVIII secolo. Il caolino (la roccia sedimentaria detritica costituita prevalentemente da caolinite) costituisce infatti la materia prima più importante per l’industria ceramica grazie alla sua spiccata plasticità, cioè alla proprietà di impastarsi con molta acqua, formando una pasta tenace, capace di ricevere le impronte più fini, che con la cottura diventa durissima.
La porcellana è un prodotto bianco, ottenuto per cottura con incipiente fusione (sinterizzazione) di una miscela di caolino (circa il 50%), feldspato (circa il 25%) e quarzo (circa il 25%) e successiva vetrificazione delle superfici.
Le terrecotte sono simili alla porcellana, ma porose e fragili, ottenute per cottura di argille (meno pregiate), che vengono rivestite da uno strato opaco vetrificato.
Tali argille contengono impurezze di ossidi di metalli di transizione che ne forniscono particolari colorazioni. 

CEMENTI 

Si ottengono per cottura di una miscela di argilla e calcare contenente un’opportuna quantità di componenti basici (CaO e MgO) e di componenti acidi (SiO2 e Al2O3).
Quando il cemento viene impastato con acqua si verificano la presa e il successivo indurimento, a seguito di processi chimici/fisici abbastanza articolati. 

SILANI E SILICONI 

Sono noti svariati composti di silicio e idrogeno, ma visto che i legami singoli Si-Si non risultano particolarmente forti, la lunghezza della catena in tali composti, chiamati silani, è limitata a 6. 

 

Altri atomi o gruppi di atomi possono sostituire atomi di H nei silani per dar vita a organosilani. Tipica è la reazione diretta di Si e cloruro di metile (CH3Cl): 

 La reazione di (CH3)2SiCl2 con acqua produce un interessante composto, il dimetilsilanolo (CH3)2Si(OH)2.
Il dimetilsilanolo subisce una polimerizzazione in cui avviene l’eliminazione di molecole d’acqua tra un gran numero di molecole di silanoli.
Il risultato di tale polimerizzazione è un materiale costituito da molecole contenenti lunghe catene silicio-ossigeno: i siliconi.
I siliconi non sono tossici e hanno una buona stabilità al calore, alla luce e all’ossigeno. Risultano chimicamente inerti e possiedono preziose proprietà antiaderenti e antischiuma. Possono essere prodotti in forma di oli, grassi e resine; alcuni hanno proprietà simili alla gomma. 

PREPARAZIONE E COMPOSTI DELLO STAGNO E DEL PIOMBO

 Lo stagno si ricava dalla cassiterite (SnO2), per riduzione con carbone a 1200 °C:

Lo stagno non è un metallo con buone caratteristiche meccaniche, tuttavia è resistente alla corrosione per passivazione.
Dunque viene utilizzato nei processi di stagnatura, specialmente nella produzione di contenitori per la conservazione di alimenti.
Lo stagno è impiegato pure per la preparazione di leghe da saldatura (leghe basso fondenti) o di altre importanti leghe come il bronzo (90% Cu e 10% Sn) e il peltro (85% Sn).
Lo stagno metallico si presenta in 3 differenti forme:

1)  stagno α o grigio: non metallico e stabile al di sotto di 13,2 °C, con struttura simile a quella del diamante; 

2)  stagno β o bianco: stabile sopra i 13,2 °C, metallo splendente, duttile e malleabile;  

3)  stagno γ: stabile sopra i 161 °C, molto fragile. 

  Lo stagno si scioglie negli acidi forti, inoltre l’acido nitrico concentrato attacca lo stagno generando il diossido di stagno idrato:

dove (aq) = in soluzione acquosa.

Per quanto riguarda il piombo, esso si ricava principalmente dalla galena (PbS), un minerale che viene arrostito all'aria trasformandolo in ossido di piombo (PbO).
Quest'ultimo viene successivamente ridotto con coke.
Le reazioni specifiche che illustrano tale procedimento sono le seguenti:

Il piombo è un metallo molto pesante, tenero, denso, duttile e malleabile, che, appena tagliato, si presenta di colore bianco azzurognolo, mentre, esposto all'aria, tende ad assumere una colorazione grigio scuro.
Esso viene usato soprattutto nelle batterie al piombo e in diverse leghe, fra cui quella per saldature.

Il piombo può dar vita a 3 ossidi: 

1) PbO;
2) PbO2;
3) Pb3O4(2PbO·PbO2): noto come minio, largamente usato come antiruggine.

Il piombo e tutti i suoi composti risultano estremamente tossici (come abbiamo analizzato qui).

Concludiamo in musica con l'Earth Song di Michael Jackson interpretata da Carmen Monarcha, accompagnata da André Rieu & The Johann Strauss Orchestra: