Ομάδα του άνθρακα

Η ομάδα του άνθρακα είναι ομάδα του περιοδικού πίνακα των χημικών στοιχείων, που αποτελείται από τα χημικά στοιχεία άνθρακας (C), πυρίτιο (Si), γερμάνιο (Ge), κασσίτερος (Sn), μόλυβδος (Pb) και φλερόβιο (Fl).

Στη σύγχρονη κατά IUPAC σημειογραφία ονομάζεται ομάδα 14. Στο πεδίο της φυσικής ημιαγωγών ονομάζεται ακόμη διεθνώς με το παλαιότερο όνομα ομαδα IVA. Η ομάδα αυτή έχει και μερικά άλλα ονόματα, που όμως χρησιμοποιούνται σπάνια: 
 Ομάδα «τετραλίων», από το ελληνικής προέλευσης πρόθεμα «τετρα-», επειδή πρόκειται για την πρώην IVA περιοδικού πίνακα και επειδή τα άτομα των χημικών στοιχείων της ομάδας έχουν 4 ηλεκτρόνια σθένους.
 Ομάδα «τετραγόνων», ομοίως.
 Ομάδα «κρυσταλλογόνων», από τις ελληνικές λέξεις «κρύσταλλος» + «γόνος».

Χαρακτηριστικά

Χημικά 

Όπως οι άλλες ομάδες του περιοδικού πίνακα των χημικών στοιχείων, τα μέλη αυτής της οικογένειας δείχνουν επαναλαμβανόμενα μοτίβα στην ηλεκτρονική τους δομή, ιδιαίτερα στις πιο εξωτερικές τους στιβάδες, καταλήγοντας σε τάσεις ομοιότητας στη χημική τους συμπεριφορά:

Κάθε ένα από τα χημικά στοιχεία αυτής της ομάδας έχει 4 ηλεκτρόνια στο εξωτερικό ενεργειακό επίπεδο του ατόμου του. Το τελευταἰο ατομικό τροχιακό σε όλα αυτά τα χημικά στοιχεία είναι το p, με 2 ηλεκτρόνια να το κατέχουν. Στις περισσότερες περιπτώσεις, αυτά τα χημικά στοιχεία «μοιράζονται» αυτά τα εξωτερικά ηλεκτρόνια. Η τάση να αποβάλλουν ηλεκτρόνια (σχηματίζοντας κατιόντα) αυξάνει με το μέγεθος του ατόμου, όπως συμβαίνει (για χημικά στοιχεία της ίδιας ομάδας) με την αύξηση του ατομικού τους αριθμού. Ο άνθρακας είναι το μόνο χημικό στοιχείο της ομάδας που είναι αμέταλλο και μπορεί να σχηματίσει και ανιόντα, (για παράδειγμα) με τη μορφή των ανιόντων καρβιδίου (C4−). Το πυρίτιο και το γερμάνιο είναι μεταλλοειδή και το καθένα μπορεί να σχηματίσει κατιόντα με ηλεκτρικό φορτίο +4. Ο κασσίτερος και ο μόλυβδος είναι μέταλλα, ενώ το φλερόβιο είναι ένα συνθετικό, ραδιενεργό χημικό στοιχείο, με πολλή μικρή ημιζωή, πολύ μικρή για να μπορούν να μελετηθούν οι ιδιότητές του. Μπορεί να έχει κάποιες από τις ιδιότητες των ευγενών αερίων, αν και είναι ακόμη πολύ πιθανό να συμπεριφέρεται σαν μεταμεταβατικό μέταλλο. Ο κασσίτερος και ο μόλυβδος μπορούν και οι δυο να σχηματίσουν κατιόντα με σθένος +2 ή +4.

Ο άνθρακας σχηματίζει τετραλογονίδια (CX4) με όλα τα αλογόνα (και μικτά) εκτός από το αστάτιο. Ο άνθρακας σχηματίζει επίσης τρία (3) οξείδια: το μονοξείδιο του άνθρακα (CO), το υποξείδιο του άνθρακα (C3O2) και το διοξείδιο του άνθρακα (CO2). Ο άνθρακας ακόμη σχηματίζει σουλφίδια (π.χ. CS2) και σεληνίδια (π.χ. CSe2)

Το πυρίτιο σχηματίζει σιλάνια, όπως το σιλάνιο (SiH4) και το δισιλάνιο (Si2H6). Σχηματίζει ακόμη και αυτό τετραλογονίδια (SiX4), επίσης με όλα τα αλογόνα εκτός από το αστάτιο. Με το οξυγόνο σχηματίζει το διοξείδιο του πυριτίου (SiO2) και με το θείο το διθειούχο πυρίτιο (SiS2). Η δυαδική ένωση του πυριτίου με το ἀζωτο είναι το αζωτούχο πυρίτιο (Si3N4).

Το γερμάνιο σχηματίζει δυο γερμανάνια, το γερμανάνιο (GeH4) και το διγερμανάνιο (Ge2H6)). Σχηματίζει ακόμη και αυτό τετραλογονίδια (GeX4), επίσης με όλα τα αλογόνα εκτός από το αστάτιο. Το γερμάνιο σχηματίζει χημικούς δεσμούς με όλα τα χαλκογόνα εκτός από το πολώνιο. Για παράδειγμα, σχηματίζει το διοξειίδιο του γερμανίου (GeO2), το διθειούχο γερμάνιο (GeS2) και το δισεληνιούχο γερμάνιο (GeSe2). Η δυαδική ένωση του γερμανίου με το ἀζωτο είναι το αζωτούχο γερμάνιο (Ge3N4).

Ο κασσίτερος σχηματίζει δυο κασσιτεράνια, το κασσιτεράνιο (SnH4) και το δικασσιτεράνιο (Sn2H6)). 
Σχηματίζει διαλονονίδια (SnX2) και τετραλογονίδια (SnX4), με όλα τα αλογόνα εκτός από το αστάτιο. Ο κασσίτερος σχηματίζει ενώσεις στην οξειδωτική βαθμίδα +2 με όλα τα χαλκογόνα εκτός από το πολώνιο, αλλά στην οξειδωτική βαθμίδα +4 εξαιρείται και το τελλούριο. 

Ο μόλυβδος σχηματίζει μόνο ένα υδρίδιο, το μολυβδάνιο (PbΗ4). Με τα αλογόνα ο μόλυβδος σχηματίζει διαλογονίδια (PbX2) και τετραλογονίδια (PbX4) με το φθόριο και με το χλώριο. Με το βρώμιο σχηματίζει μόνο τον τετραβρωμιούχο μόλυβδο (PbBr2) και με το ιώδιο μόνο το διιωδιούχο μόλυβδο (PbΙ2). Ο μόλυβδος σχηματίζει τέσσερα (4) οξείδια, ένα (1) σουλφίδιο και ένα (1) τελλουρίδιο.

Δεν υπάρχουν γνωστές χημικές ενώσεις του φλερόβιου

Φυσικές ιδιότητες 

Τα σημεία βρασμού στην ομάδα του άνθρακα έχουν φθίνουσα τάση, από τα ελαφρύτερα προς τα βαρύτερα χημικά στοιχεία. Ο άνθρακας, το ελαφρύτερο χημικό στοιχείο της ομάδας, δεν έχει καν σημείο βρασμού, υπό πίεση 1 atm, αλλά σημείο εξάχνωσης τους 3.825°C. Το σημείο βρασμού του πυριτίου είναι 3.265°C, του γερμανίου είναι 2.833°C, του κασσιτέρου 2.602°C και του μολύβδου 1.749°C. Τα σημεία τήξης στην ομάδα του άνθρακα έχουν γενικά την ίδια φθίνουσα τάση που έχουν τα σημεία βρασμού τους, με εξαίρεση το μόλυβδο. Συγκεκριμένα, το πυρίτιο έχει σημείο τήξης τους 1.414°C, το γερμάνιο τους 939 °C, ο κασσίτερος τους 232°C, και ο μόλυβδος τους 328°C.

Η κρυσταλλική δομή του άνθρακα είναι εξαγωνική. Το πυρίτιο, το γερμάνιο και ο μόλυβδος έχουν επικεντρωμένες κτβικές κρυσταλλικές δομές. Ο κασσίτερος έζει μια τετραγωνική κρυσταλλική δομή.

Οι πυκνότητες των χημικών στοιχείων της ομάδας του άνθρακα έχουν αύξουσα τάση, με την αύξηση του ατομικού τους αριθμού. Συγκεκριμένα, ο άνθρακας έχει πυκνότητα 2.260 kg/m³, το πυρίτιο 2.330 kg/m³, το γερμάνιο 5.320 kg/m³, ο κασσίτερος 7.260 kg/m³ και ο μόλυβδος 11.300 kg/m³.

Οι ατομικές ακτίνες των χημικών στοιχείων της ομάδας του άνθρακα έχουν αύξουσα τάση, με την αύξηση του ατομικού τους αριθμού. Συγκεκριμένα, ο άνθρακας έχει ατομική ακτίνα 77 pm, το πυρίτιο 118 pm, το γερμάνιο 123 pm, ο κασσίτερος 141 pm και ο μόλυβδος 175 pm.

Αλλότροπα 

Ο άνθρακας έχει πολλά αλλότροπα. Το πιο συνηθισμένο από αυτά είναι ο γραφίτης, στον οποίο τα άτομα του άνθρακα σχηματίζουν συγκολλημένα φύλλα. Άλλη αλλομορφή του άνθρακα είναι το διαμάντι, αλλά είναι σχετικά σπάνιο. Ο άμορφος άνθρακας είναι μια τρίτη αλλομορφή του άνθρακα, και είναι ένα συστατικό της αιθάλης. Μια άλλη αλλομορφή του άνθρακα είναι ένα φουλλερένιο, στο οποίο η μορφή των φύλλων των ανθρακοατόμων σχηματίζουν μια σφαίρα. Μια πέμπτη αλλομορφή του άνθρακα, που ανακαλύφθηκε το 2003, ονομάζεται γραφένιο, και είναι μια μορφή στην οπολια το στρώμα των ανθρακοατόμων σχηματίζουν ένα σχήμα κηρήθρας.

Το πυρίτιο έχει δύο (2) αλλομορφές που υπάρχουν σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτές οι αλλομορφές είναι γνωστές ως άμορφο πυρίτιο και κρυσταλλικό πυρίτιο. Η αλλομορφή του άμορφου πυριτίου παρουσιάζεται ως μια καφέ σκόνη. Η αλλομορφή του κρυσταλλικού πυριτίου παρουσιάζεται σαν μια γκρίζα στερεά μάζα με μια μεταλλική λάμψη.

Τέλος, και ο κασσίτερος έχει δύο (2) αλλομορφές, που η πρώτη είναι γνωστή ως α-κασσίτερος ή γκρι κασσίτερος και η δεύτερη ως β-κασσίτερος. Ο κασσίτερος τυπικά βρίσκεται στην αλλομορφή του β-κασσιτέρου, που παρουσιάζεται ως ένα ασημί μέταλλο. Ωστόσο, υπό κανονική πίεση (1 atm), ο β-κασσίτερος μετατρέπεται σε α-κασσίτερο, που παρουσιάζεται ως μια γκρίζα σκόνη, σε θερμοκρασίες κάτω από 13°C. Αυτό κάνει κασσιτερένια αντικείμενα σε κρύες θερμοκρασίες να διαλύονται σε γκρίζα σκόνη με μια διεργασία που είναι γνωστή ως σήψη κασσιτέρου (tin rot).

Ατομικοί πυρήνες και ισότοπα 

Τουλάχιστον δύο από τα χημικά στοιχεία της ομάδας του άνθρακα, ο κασσίτερος και ο μόλυβδος, έχουν «μαγικούς πυρήνες», με την έννοια ότι αυτά τα χημικά στοιχεία είναι πιο συνηθισμένα και πιο σταθερά (από πυρηνικής άποψης) από τα χημικά στοιχεία που δεν έχουν «μαγικούς πυρήνες».

Υπάρχουν 15 γνωστά ισότοπα του άνθρακα. Από αυτά, τρία (3) είναι αυτά που βρέθηκαν στη φύση. Το πιο συνηθισμένο από αυτά, ο άνθρακας-12, ακολουθείται από το σταθερό ισότοπο άνθρακας-13. Ο άνθρακας-14 είναι ένα φυσικό ραδιοϊσότοπο με ημιζωή 5.730 έτη.

23 ισότοπα του πυριτίου έχουν ανακαλυφθεί. Πέντε (5) από αυτά βρέθηκαν στη φύση. Το πιο συνηθισμένο είναι το σταθερό ισότοπο πυρίτιο-28, ακολουθούμενο από τα επίσης σταθερά ισότοπα πυρίτιο-29 και πυρίτιο-30. Το πυρίτιο-32 είναι ένα φυσικό ραδιοϊσότοπο, που αποτελεί ένα αποτέλεσμα της ραδιενεργού διάσπασης των ακτινιδών, και μέσω βομβαρδισμού στην ανώτερη ατμόσφαιρα. Το πυρίτιο-34 επίσης υπάρχει στη φύση, ως ένα αποτέλεσμα της ραδιενεργού διάσπασης των ακτινιδών. 

32 ισότοπα του γερμανίου έχουν ανακαλυφθεί. Πέντε (5) από αυτά βρέθηκαν στη φύση. Το πιο συνηθισμένο είναι το σταθερό ισότοπο γερμάνιο-74, ακολουθούμενο από τα επίσης σταθερά ισότοπα γερμάνιο-72, γερμάνιο-70 και γερμάνιο-73. Το ισότοπο γερμάνιο-76 είναι ένα αρχέγονο ραδιοϊσότοπο.

40 ισότοπα του κασσιτέρου έχουν ανακαλυφθεί. 14 από αυτά βρέθηκαν στη φύση. Το πιο συνηθισμένο είναι το σταθερό ισότοπο κασσίτερος-120, ακολουθούμενο από τα επίσης σταθερά ισότοπα κασσίτερος-118, κασσίτερος-116, κασσίτερος-119, κασσίτερος-117, το αρχέγονο ραδιοϊσότοπο κασσίτερος-124 και τα σταθερά ισότοπα κασσίτερος-122, κασσίτερος-112 και κασσίτερος-114. Ο κασσίτερος έχει ακόμη τέσσερα (4) ραδιοϊσότοπα που υπάρχουν ως αποτέλεσμα της ραδιενεργού διάσπασης του ουρανίου. Αυτά τα τέσσερα ραδιοϊσότοπα είναι τα ακόλουθα: κασσίτερος-121, κασσίτερος-123, κασσίτερος-125 και κασσίτερος-126.

38 ισότοπα του μολύβδου έχουν ανακαλυφθεί. Εννέα (9) από αυτά βρέθηκαν στη φύση. Το πιο συνηθισμένο είναι το αρχέγονο ραδιοϊσότοπο μόλυβδος-208, ακολουθούμενο από τα επίσης αρχέγονα ραδιοϊσότοπα μόλυβδος-206, μόλυβδος-207 και μόλυβδος-204. Τέσσερα (4) ραδιοϊσότοπα του μολύβδου υπάρχουν από τη ραδιενεργή διάσπαση του ουρανίου και του θορίου. Αυτά τα τέσσερα ραδιοϊσότοπα είναι τα ακόλουθα: μόλυβδος-209, μόλυβδος-210, μόλυβδος-211 και μόλυβδος-212.

Τα τέσσερα (4) ραδιοϊσότοπα του φλερόβιου που έχουν ανακαλυφθεί είναι τα ακόλουθα: φλερόβιο-286, φλερόβιο-287, φλερόβιο-288 και φλερόβιο-289. Από αυτά το τελευταίο έχει ημιζωή 2,6 δευτερόλεπτα.

Παραπομπές και σημειώσεις 

Ομάδες χημικών στοιχείων