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4. Hauptgruppe  -  Kohlenstoffgruppe

Kohlenstoff - Silicium - Germanium - Zinn - Blei - Ununquadium

 

 

Namensherkunft:

Der Name der Kohlenstoffgruppe leitet sich vom Element Kohlenstoff, das selber an erster Stelle in dieser Gruppe steht, ab. Bei den Hauptgruppen 3-5 verwendet man standardmäßig immer das erste Element in der Gruppe um den Hauptgruppennamen zu bestimmen.

 

 

Eigenschaften:

 

Elemente der Kohlenstoffgruppe sind: Kohlenstoff (C), Silicium (Si), Germanium (Ge), Zinn (Sn), Blei (Pb) und Ununquadium (Uuq). Ununquadium ist ein instabilies, radioaktives Element, dessen Eigenschaften weitgehend unbekannt sind und es bis zum heutigen Tage noch nicht in größeren Mengen hergestellt werden konnte.

 

Bilder: Hochreines Silicium und Germanium

 

Kohlenstoff ist ein typisches Nichtmetall, Silicium und Germanium sind Halbmetalle und Zinn und Blei sind Elemente mit typischen, metallischen Eigenschaften. Die Dichte der Elemente nimmt vom Kohlenstoff (Graphitmodifikation: [2,3 kg/dm3]) zum Blei (11,34 kg/dm3) stark zu. So könnte man die Gruppe auch mit einem Satz charakterisieren: "Vom Nichtmetall zum Schwermetall". Die Elektronegativität fällt vom Kohlenstoff bis zum Blei von 2,5 auf 1,3, wobei Silicium mit 1,7 eine Ausnahme macht.

 

Das "Spitzenelement", der Kohlenstoff, unterscheidet sich in seinen Eigenschaften deutlich von den anderen Elementen der Kohlenstoffgruppe. Er besitzt einen extrem hohen Schmelz- und Siedepunkt (Smp. 3574 °C, Sdp. 4830 °C) und unterscheidet sich auch in den Ionisierungspotentialen deutlich von den anderen Elementen.

 

Element Schmelzpunkt Siedepunkt Atommasse Dichte (kg/m3) Mohshärte Elektronegativität
Kohlenstoff 3642 °C Sublimation 12,011 u 2250 - 3510 0,5 - 10,0 2,5 (Pauling)
Silicium 1410 °C 2355 °C 28,086 u 2330 6,5 1,7 (Pauling)
Germanium 938,3 °C 2820 °C 72,59 u 5323 6 2,0 (Pauling)
Zinn 231,9 °C 2601 °C 118,71 u 7310 1,5 1,9 (Pauling)
Blei 327,4 °C 1750 °C 207,2 u 11340 1,5 1,6 (Pauling)

 

 

Bild: Struktur des C-60 Fulleren

 

 

Die Elemente der 4. Hauptgruppe können sowohl ihre Valenzelektronen abgeben, wie auch Elektronen aufnehmen, wobei letzteres deutlich häufiger geschieht. Die Bindungsenergie sowie das Ionisierungspotential nehmen, vom Kohlenstoff an, ab. Es treten vielfach Kovalente Bindungen bei den Gruppenelementen auf.

 

So können alle der Elemente dieser Gruppe mit Wasserstoff reagieren. Dabei nimmt die Stabilität dieser Verbindungen, vom Kohlenstoff an, ab. Die einfachste Kohlenstoffverbindung, das Methan (CH4), ist genauso wie das Monosilan (SiH4) sehr stabil, die weiteren Verbindungen wie das Monogerman sind bereits deutlich instabile Verbindungen. Auch der Siedepunkt der Elementwasserstoffe steigt mit zunehmender Masse deutlich an.

 

 

Elementwasserstoff Methan (CH4) Monosilan (SiH4) Monogerman (GeH4) Stannan (SnH4) Plumban (PbH4)
Schmelzpunkt -182 °C -185 °C -165,98°C -146 °C -/-
Siedepunkt -162 °C   -112 °C -88,5 °C -51,8 °C -13 °C

 

Mit Sauerstoff reagieren die Elemente unter Elementdioxidbildung. Die Stabilität der Dioxide nimmt, vom Kohlendioxid an, zu.

 

Die wohl populärste Nachweismethode für Kohlenstoff ist das Nachweisen seines Oxids, dem Kohlendioxid durch einleiten in eine Barium- oder Calciumhydroxidlösung. Dieser Nachweis kann qualitativ, wie auch quantitativ zur Bestimmung der eingesetzten Menge an Kohlenstoff genutzt werden.

 

 

Bilder: Elementarer Kohlenstoff und der Nachweis von Kohlenstoffdioxid

 

Reaktion der Kohlenstoffgruppenelemente mit Wasserstoff:

X               +   2 H2            → XH4                                                                   (X = hier: Kohlenstoffgruppenelement)

Element     +   Wasserstoff   → Elementwasserstoff

Reaktion der Kohlenstoffgruppenelemente mit Sauerstoff:

X               +   O2            →  XO2                                                                                   (X = hier: Kohlenstoffgruppenelement)     

Element     +   Sauerstoff   →  Elementdioxid

Bilder: Festes Kohlenstoffdioxid in Wasser und Trockeneis neutralisiert basische Lösungen

Löst man Kohlenstoffdioxid in Wasser, so entsteht Kohlensäure. Diese Säure ist eine instabile Säure, die schon an der Luft allmählich wieder in Kohlenstoffdioxid und Wasser erfällt. In einem Volumen Wasser sind auch nur ein Volumenteil Kohlenstoffdioxid löslich. Die Salze der Kohlensäure heißen Hydrogencarbonate.

CO2   +  H2O      H2CO3      

Reaktion der Kohlenstoffgruppenelemente mit Halogenen:

X               +   2 Cl2   →  XCl4                                                                                                  (X = hier: Kohlenstoffgruppenelement)     

Element     +   Chlor   →  Element(tetra)chlorid

Kohlenstoff, Silicium und Germanium reagieren aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften mit den Halogenen zum Tetrahalogenid, Zinn kann sowohl das Zinntetrahalogenid, wie auch das normale Zinndihalogenid ausbilden, das Blei kann nur das normale Bleidihalogenid bilden.

Kohlenstoff bildet zusätzlich noch die sog. Carbide aus. So reagiert beispielsweise Kalk bei höheren Temperaturen mit elementarem Kohlenstoff unter Bildung von Calciumcarbonat. Die, für die Reaktion benötigte, Energie beträgt 465,2 Kilojoule. Als Nebenprodukt entsteht das Kohlenmonoxid (CO).

CaO   +   3  C + 465,2 KJ  CaC2 + CO    

 

 

Vorkommen:

 

An der Erdkruste haben die Elemente der Kohlenstoffgruppe einen prozentualen Anteil von 27,7 %. Davon entfallen über 99 % auf das Silicium. Das restliche Prozent teilt hauptsächlich auf Kohlenstoff mit über 99%, auf. 0,94 % entfallen auf das Blei, 0,02 % auf das Zinn und 0,01 % auf das Germanium.

 

Die Elemente treten mit Ausnahme von Kohlenstoff und Germanium nicht elementar auf. Wichtige Vorkommen für den Kohlenstoff sind z.B. Carbonat-Ionen, meist in Form von Calciumcarbonat (Kalk) und Dioxide. Seesand besteht zum größten Teil aus Siliciumdioxid (SiO2).

 

Das Zinn kommt Hauptsächlich in Form von Zinnstein (SnO2) vor. Es zeigt genauso wie Blei amphoteren Charakter.

 

Blei kommt im Bleiglanz (PbS), dem Weißbleierz (PbCO3), dem Rotbleierz (PbCrO4), dem Gelbbleierz (PbMoO4) sowie elementar vor.

 

 

Herstellung:

 

Kohlenstoff wird Hauptsächlich in Kohlebergwerken abgebaut. Bei diesem Kohlenstoff handelt es sich zumeist um die Graphitmodefikation.

 

Das Silicium wird großtechnisch durch die Reduktion von Siliciumdioxid hergestellt. Dabei wird dem Siliciumdioxid ein starkes Reduktionsmittel, wie beispielsweise fein verteiltes Magnesiumpulver beigegeben und die Reduktion erfolgt bei hohen Temperaturen. Nach der Reduktion muss das Reaktionsprodukt jedoch sehr aufwändig gereinigt werden.

 

Gallium kommt entweder elementar oder in Verbindungen vor. Aus Verbindungen wird es hauptsächlich durch Schmelzflusselekrolyse gewonnen.

 

Zinn und Blei werden aus den jeweiligen Erzen gewonnen. Auch hier kann die Herstellung sowohl durch Reduktion der Erze zum Metall, wie auch durch Elektrolyse erfolgen.

 

 

 

Verwendung:

 

Die Graphitmodifikation des Kohlenstoffs dient hauptsächlich zur Herstellung von Graphitelektroden, die immer noch eine große Verwendung im Bereich der Elektrochemie und Elektrolyse in der Technik finden. Weiterhin wird Kohlenstoff in Bleistiftminen und für feuerfeste Tiegel, aufgrund des hohen Schmelzpunktes und den geringen Ausdehnungs-Koeffizient, verwendet. Ferner wird Kohlenstoff zur Weiterverarbeitung zur Aktivkohle verwendet. Die Diamant-Modifikation  wird hauptsächlich in der Industrie als Schmuck verarbeitet.

 

Silicium wird in Solarzellen und der Mikrochiptechnologie verwendet. Ohne Silicium wären keine vergleichbaren Speichermöglichkeiten, wie wir sie derzeit in Computern nutzen, möglich.

 

Gallium findet seine größte Verwendung als Legierungsmetall, wobei die Verwendung aufgrund seines recht hohen Preises stark rückläufig ist.

 

Zinn und Blei finden Verwendung als Legierungsmetall. Zinn spielt im Löten in Form von Lötzinn eine besondere Rolle. Blei wird zum Strahlenschutz, beispielsweise beim Röntgen verwendet. weil es radioaktive Strahlung abdämmen kann.

 

 

Copyright:  Christian Firneis  -  www.chemische-experimente.com