Kohlenstoffgruppe

Gruppe	14
Hauptgruppe	4
Periode
2	6 C
3	14 Si
4	32 Ge
5	50 Sn
6	82 Pb
7	114 Uuq

Der Name Kohlenstoff-Gruppe (auch Kohlenstoff-Silizium-Gruppe) bezeichnet die 4.Hauptgruppe ("Tetrele") (nach neuer Nummerierung der IUPAC Gruppe 14) des Periodensystems. Sie umfasst die Elemente Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Germanium (Ge), Zinn (Sn) und Blei (Pb). Auch ein radioaktives Element, das als Ununquadium (Uuq) oder "Eka-Blei" bezeichnet wird, ist vertreten.

• 
  Graphit
• Diamanten
  Diamanten
• 
  C₆₀-Fulleren
• 
  hochreines Silizium
• 
  Siliziumpulver
• 
  Germanium
• 
  Zinn
• 
  Blei

Eigenschaften

Die Elemente der Kohlenstoffgruppe weisen sehr unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften auf, weil die Gruppe durch die Trennlinie zwischen Metallen und Nichtmetallen in zwei Teile gespalten wird. Das erste Element der Gruppe, Kohlenstoff, ist ein Nichtmetall, die beiden folgenden (Silizium und Germanium) sind Halbmetalle und alle weiteren (Zinn, Blei und Ununquadium) werden zu den Metallen gezählt.

Physikalische Eigenschaften

Mit zunehmender Ordnungszahl wachsen Atommasse, Atomradius und Ionenradius. Der Schmelzpunkt fällt vom Kohlenstoff mit 3550 °C bis zum Zinn, das mit nur 232 °C den Minimalwert markiert, ab und steigt dann wieder leicht an (Blei: 327 °C). Bei den Siedepunkten liegt ebenfalls Kohlenstoff mit 4827 °C vorne, gefolgt von Germanium mit 2830 °C, Silizium mit 2355 °C und Zinn mit 2270 °C. Blei markiert hier mit 1740 °C das untere Ende der Skala.

Die Dichte ist mit 2,33 kg/dm³ beim Silizium am geringsten und steigt nach oben und unten hin an. Das dichteste Element ist Blei mit 11,34 kg/dm³.

Bei der Mohshärte gibt es ebenfalls eine große Spannweite, die von maximal 10 bei Diamant bis zu minimal 1,5 bei Zinn reicht.

Die höchste elektrische Leitfähigkeit hat Zinn mit 9,17 MS/m, die geringste weist Silizium mit 25,2 mS/m auf.

Die 1. Ionisierungsenergie sinkt mit wachsender Ordnungszahl von 11,26 eV bei Kohlenstoff auf 7,34 eV bei Zinn ab. Blei hat mit 7,42 wieder einen leicht erhöhten Wert.

Die Elektronegativität ist bei Kohlenstoff mit 2,5 am größten, erreicht mit 1,7 bei Silizium einen vorläufigen Tiefpunkt und steigt dann wieder auf 2,0, den Wert von Germanium, an. Im weiteren Verlauf sinkt die Elektronegativität wieder auf den Wert 1,6 (Blei).

Element	Schmelzpunkt (K)	Siedepunkt (K)	Dichte (kg/m³)	Mohshärte	El. Leitfähigkeit (S/m)
Kohlenstoff			2250–3510	0,5–10,0	1 · 10−4–3 · 106
Silizium	1683	2628	2330	6,5	2,52 · 10-4
Germanium	1211	3093	5323	6	1,45
Zinn	505	2875	7310	1,5	9,17 · 106
Blei	601	2022	11340	1,5	4,81 · 106

Elektronenkonfiguration

Die Elektronenkonfiguration lautet [X] ys²yp². Das X steht hierbei für die Elektronenkonfiguration des eine Periode höher stehenden Edelgases, und für das y muss die Periode eingesetzt werden, in der sich das Element befindet. Ab Germanium ist auch ein (y-1)d¹⁰-Orbital vorhanden; und ab Blei findet sich auch ein (y-2)f¹⁴-Orbital.

Für die einzelnen Elemente lauten die Elektronenkonfigurationen:

• Kohlenstoff: [ He ] 2s²2p²
• Silizium: [ Ne ] 3s²3p²
• Germanium: [ Ar ] 3d¹⁰4s²4p²
• Zinn: [ Kr ] 4d¹⁰5s²5p²
• Blei: [ Xe ] 4f¹⁴5d¹⁰6s²6p²
• Ununquadium (berechnet): [ Rn ] 5f¹⁴6d¹⁰7s²7p²

Die Oxidationszustände sind +4 und -4, mit steigender Ordnungszahl gewinnt jedoch auch die Oxidationsstufe +2 an Bedeutung.

Chemische Reaktionen

Aufgrund der großen Unterschiede innerhalb der Gruppe lässt sich nur schwer ein allgemeines Reaktionsverhalten angeben, da dieses von Element zu Element variiert. In den folgenden Gleichungen steht das X für ein Element aus der Kohlenstoffgruppe.

• Reaktion mit Sauerstoff:

$X+O_{2}\rightarrow XO_{2}$

Nur Blei und Kohlenstoff bilden auch noch andere Oxide. Bei Blei ist das PbO, in der das Element Pb²⁺-Kation vorliegt. Auch ein Mischoxid, das aus PbO und PbO₂ besteht und die Summenformel Pb₃O₄ hat, ist bekannt.

Das Kohlenstoffmonoxid (CO) weicht ebenfalls von diesem Schema ab.

• Reaktion mit Wasserstoff (ohne Kettenbildung, nicht spontan):

$X+2H_{2}\rightarrow XH_{4}$

• Reaktion mit Wasser:

$X+H_{2}O\rightarrow keineReaktion$

Keines der Gruppenelemente reagiert mit Wasser.

• Reaktion mit Halogenen (am Beispiel Chlor):

$X+2Cl_{2}\rightarrow XCl_{4}$ $X+Cl_{2}\rightarrow XCl_{2}$

Kohlenstoff, Silizium und Germanium reagieren nur zum Tetrachlorid, bei Zinn sind SnCl₄ und SnCl₂ möglich und Blei bildet nur das Dichlorid PbCl₂.

=== Kettenbildung ===

Kalottenmodelle einiger Kohlenwasserstoffe

Eine Besonderheit der Gruppe-14-Elemente ist ihre Fähigkeit, langkettige Wasserstoffverbindungen der Struktur XH₃-(XH₂)_n-XH₃ zu bilden. Alle Wasserstoffatome sind kovalent gebunden, die Stabilität dieser Verbindungen nimmt jedoch mit steigender Ordnungszahl des Elementes ab.

• Kohlenwasserstoffe: Die Gruppe der Kohlenwasserstoffe ist bei Weitem die umfangreichste, da der Zahl der C-Atome und somit auch der Kettenlänge kaum Grenzen gesetzt sind. Eine weitere spezifische Eigenschaft des Kohlenstoffs ist die Fähigkeit zur Ausbildung stabiler Doppel- und Dreifachbindungen. Mit den Kohlenwasserstoffen und deren Derivaten beschäftigt sich die Organische Chemie.
• Silane: Bei Silizium ist die Fähigkeit zur Kettenbildung bereits auf maximal 15 Si-Si –Bindungen beschränkt. Doppel- oder gar Dreifachbindungen sind bei Silizium und den folgenden Elementen instabil, doch auch die Silane zählen nicht zu den stabilsten Verbindungen.
• Germane: Germanium ist nur noch zu maximal 9 Ge-Ge –Bindungen fähig. Das schränkt die Möglichkeiten natürlich stark ein.
• Zinnwasserstoffe: Bei Zinn ist nur noch eine einzige Sn-Sn –Bindung möglich. Es gibt daher auch nur zwei Verbindungen dieser Klasse: SnH₄ und SnH₃-SnH₃.
• Bleiwasserstoff: Blei hat die Fähigkeit zur Kettenbildung vollständig verloren. Nur PbH₄ ist bekannt, doch auch diese Verbindung ist beinahe instabil.

Auch Ringbildungen sind möglich, die Summenformel lautet dann (XH₂)n.

Verbindungen

Datei:Kohlenstoffdioxid.jpg

Kohlendioxid

Datei:SiO2.png

Siliziumdioxid

• Oxide (IV), Hydroxide und Säuren

• Kohlenstoffdioxid (CO₂) ist aufgrund der Stabilität der C=O –Doppelbindung ein dreiatomiges, linear gebautes und daher unpolares Molekül und liegt im gasförmigen Aggregatzustand vor. In Wasser bildet es die unbeständige, schwache Kohlensäure (H₂CO₃).
• Im Siliziumdioxid (SiO₂) existieren ausschließlich Einfachbindungen. Es entsteht eine netzartige Struktur ohne abgegrenzte Moleküle. Mit Wasser bildet sich die (zu Polykondensation neigende) sehr schwache Kieselsäure (H₄SiO₄)
• Germaniumdioxid (GeO₂) entspricht im Wesentlichen dem Siliziumdioxid, hat aber einen stärker ausgeprägten Salzcharakter. Mit Wasser bildet es Germaniumhydroxid (Ge(OH)₂), eine schwache Säure.
• Zinn(IV)-oxid (SnO₂) ist ein Salz, das mit Wasser zu der amphoteren Substanz Zinnhydroxid (Sn(OH)₂) reagiert.
• Blei(IV)-oxid (PbO₂ ist eindeutig ein Salz und reagiert mit Wasser zur schwach basischen Verbindung Bleihydroxid (Pb(OH)₂).

• Wasserstoffverbindungen (Übersichtsartikel angeführt, da zu viele Einzelverbindungen)

• Kohlenwasserstoffe
• Siliziumwasserstoffe
• Germaniumwasserstoffe
• Zinnwasserstoffe
• Bleiwasserstoff

• sonstige:

• Kohlenstoffmonoxid (CO) ist ein giftiges Gas.
• Siliziummonoxid (SiO) ist gasförmig und oxidiert bereits bei Raumtemperatur zu Siliziumdioxid auf.
• Silikon besteht aus einer -Si-O-Si-O- -Kette, wobei an jedem Siliziumatom zwei organische Reste (meist Methylgruppen (-CH₃)) hängen.
• Blei(II)-oxid
• Blei(II,IV)-oxid

Vorkommen

Bergkristall aus SiO₂

Bleierz

Die Erdkruste besteht zu 27,7 % aus Elementen der Kohlenstoff-Gruppe. Davon entfallen 99,8 % auf Silizium, das zweithäufigste Element in der Erdkruste (nach Sauerstoff).

Die übrigen 0,2 % teilen sich wie folgt auf:

• 99,1 % Kohlenstoff
• 0,94 % Blei
• 0,02 % Zinn
• 0,01 % Germanium.

Mit Ausnahme von Germanium treten sie unter natürlichen Bedingungen auch in gediegener Form auf.

Weblinks

• Beschreibung der 4. Hauptgruppe auf www.rutherford.de
• Eigenschaften (Tabelle)

Literatur

Hans Breuer: dtv-Atlas Chemie (Band 1: Allgemeine und anorganische Chemie). S. 131-153 (2000), ISBN 3-423-03217-0