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Kohlenstoffgruppe Lage im PeriodensystemGruppe 14Hauptgruppe 4Periode2 6 C3 14 Si4 32 Ge5 50 Sn6 82 Pb7 114 Fl oder Kohl

Kohlenstoffgruppe

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

Kohlenstoffgruppe oder Kohlenstoff-Silicium-Gruppe bezeichnet die 4. Hauptgruppe („Tetrele“, selten auch "Tattogene" (Gerüstbildner)) (nach neuer Nummerierung der IUPAC Gruppe 14) des Periodensystems. Sie umfasst die Elemente Kohlenstoff (C), Silicium (Si), Germanium (Ge), Zinn (Sn) und Blei (Pb). Auch ein radioaktives Element, das Flerovium (Fl), ist vertreten.

Eigenschaften Bearbeiten

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 (Silicium und Germanium) sind Halbmetalle und alle weiteren (Zinn, Blei und Flerovium) sind Metalle.

Physikalische Eigenschaften Bearbeiten

C60-Fulleren

Mit zunehmender Ordnungszahl wachsen Atommasse, Atomradius und Ionenradius. Die Dichte von Graphit (C) und Silicium liegen dicht beieinander (ca. 2,3 kg/dm3), sie steigt innerhalb der Hauptgruppe bis zum Blei auf 11,34 kg/dm3 an. 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 Silicium 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 eV wieder einen leicht erhöhten Wert. Die Elektronegativität fällt mit steigender Ordnungszahl von 2,5 (C) bis 1,6 (Pb) tendenziell ab, Ausreißer mit 1,7 ist das Silicium.

Ele­ment Atom­masse Schmelz­punkt
(K) 		Siede­punkt
(K) 		Dichte
(kg/m3) 		Mohs­härte Elektr. Leit­fähigkeit
(S/m) 		Elektro­negativität
Kohlenstoff 012,011 3823 5100 2250 bis 3510 0,5 bis 10,0 10−4...10+6,5 2,5
Silicium 028,086 1683 2628 2330 6,5 2,52 · 10−4 1,7
Germanium 072,590 1211 3093 5323 6,0 1,45 2,0
Zinn 118,710 0505 2875 7310 1,5 9,17 · 106 1,96
Blei 207,200 0601 2022 11340 1,5 4,81 · 106 1,6

Elektronenkonfiguration Bearbeiten

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
  • Silicium: [ Ne ] 3s23p2
  • Germanium: [ Ar ] 3d104s24p2
  • Zinn: [ Kr ] 4d105s25p2
  • Blei: [ Xe ] 4f145d106s26p2
  • Flerovium (berechnet): [ Rn ] 5f146d107s27p2

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

Chemische Reaktionen Bearbeiten

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 E für ein Element aus der Kohlenstoffgruppe.

Neben den vierwertigen Oxiden sind aber von allen Gruppenelementen auch die zweiwertigen Oxide bekannt. Die Stabilität der zweiwertigen Oxide nimmt dabei mit steigender Ordnungszahl zu, die der vierwertigen Oxide nimmt etwas ab. Daneben sind noch verschiedene Sub- und Mischoxide bekannt, wie z. B. das Kohlenstoffsuboxid C3O2 oder das Blei(II,IV)-oxid Pb3O4.
  • Reaktion mit Wasserstoff (ohne Kettenbildung, nicht spontan):
Keines der Gruppenelemente reagiert mit Wasser.
Kohlenstoff, Silicium und Germanium reagieren nur zum Tetrachlorid, bei Zinn sind SnCl4 und SnCl2 möglich und Blei bildet nur das Dichlorid PbCl2.

Kettenbildung Bearbeiten

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 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 Silicium ist die Fähigkeit zur Kettenbildung bereits auf maximal 15 Si-Si –Bindungen beschränkt. Doppel- oder gar Dreifachbindungen sind bei Silicium und den folgenden Elementen instabil, doch auch die Silane zählen nicht zu den stabilsten Verbindungen.
  • Germane: Germanium ist nur noch zu maximal neun 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 besitzt nicht die Fähigkeit zur Kettenbildung. Nur PbH4 ist bekannt, doch auch diese Verbindung ist beinahe instabil.

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

Verbindungen Bearbeiten

Kohlendioxid
Siliciumdioxid
  • 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 Siliciumdioxid (SiO2) existieren ausschließlich Einfachbindungen. Es ist ein Feststoff und besteht aus SiO4-Tetraedern, die über alle Ecken miteinander verknüpft sind. In der Natur tritt SiO2 als Quarz auf. Amorphes SiO2 (Kieselglas) ist der wesentliche Bestandteil von Glas.
    • Germaniumdioxid (GeO2) entspricht im Wesentlichen dem Siliciumdioxid, kann aber auch in der Rutil-Struktur kristallisieren. Letzteres bildet mit Wasser die Germaniumsäure (H4GeO4).
    • Zinn(IV)-oxid (SnO2) ist ein Feststoff und nicht löslich in Wasser.
    • Blei(IV)-oxid (PbO2) ist ebenfalls ein in Wasser unlöslicher Feststoff.
  • Wasserstoffverbindungen: siehe unter Kettenbildung
  • sonstige:
    • Kohlenstoffmonoxid (CO) ist ein giftiges Gas.
    • Siliciummonoxid (SiO) ist ein dunkelbrauner, amorpher Feststoff aus polymeren (SiO)x-Ketten.
    • Silikone bestehen aus dreidimensionalen Netzwerken aus abwechselnd Silicium und Sauerstoff, wobei sich an den Siliciumatomen meistens organische Reste (zum Beispiel Methylgruppen (-CH3)) befinden.
    • Blei(II)-oxid
    • Blei(II,IV)-oxid

Vorkommen Bearbeiten

Bergkristall aus SiO2
Bleierz

Die Erdkruste besteht zu 27,7 % aus Elementen der Kohlenstoffgruppe. Davon entfallen 99,8 % auf Silicium, 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 Bearbeiten

Literatur Bearbeiten

  • Hans Breuer: dtv-Atlas Chemie (Band 1: Allgemeine und anorganische Chemie). S. 131–153 (2000), ISBN 3-423-03217-0
wikipedia, wiki, deutsches, deutschland, buch, bücher, bibliothek artikel lesen, herunterladen kostenlos kostenloser herunterladen, MP3, Video, MP4, 3GP, JPG, JPEG, GIF, PNG, Bild, Musik, Lied, Film, Buch, Spiel, Spiele
Veröffentlichungsdatum:
Kohlenstoffgruppe Lage im PeriodensystemGruppe 14Hauptgruppe 4Periode2 6 C3 14 Si4 32 Ge5 50 Sn6 82 Pb7 114 FlKohlenstoffgruppe oder Kohlenstoff Silicium Gruppe bezeichnet die 4 Hauptgruppe Tetrele selten auch Tattogene Gerustbildner nach neuer Nummerierung der IUPAC Gruppe 14 des Periodensystems Sie umfasst die Elemente Kohlenstoff C Silicium Si Germanium Ge Zinn Sn und Blei Pb Auch ein radioaktives Element das Flerovium Fl ist vertreten Graphit Diamanten C60 Fulleren hochreines Silicium Siliciumpulver Germanium a und b Zinn BleiInhaltsverzeichnis 1 Eigenschaften 1 1 Physikalische Eigenschaften 1 2 Elektronenkonfiguration 1 3 Chemische Reaktionen 1 4 Kettenbildung 2 Verbindungen 3 Vorkommen 4 Weblinks 5 LiteraturEigenschaften BearbeitenDie 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 Silicium und Germanium sind Halbmetalle und alle weiteren Zinn Blei und Flerovium sind Metalle Physikalische Eigenschaften Bearbeiten nbsp C60 FullerenMit zunehmender Ordnungszahl wachsen Atommasse Atomradius und Ionenradius Die Dichte von Graphit C und Silicium liegen dicht beieinander ca 2 3 kg dm3 sie steigt innerhalb der Hauptgruppe bis zum Blei auf 11 34 kg dm3 an Bei der Mohsharte gibt es ebenfalls eine grosse Spannweite die von maximal 10 bei Diamant bis zu minimal 1 5 bei Zinn reicht Die hochste elektrische Leitfahigkeit hat Zinn mit 9 17 MS m die geringste weist Silicium 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 eV wieder einen leicht erhohten Wert Die Elektronegativitat fallt mit steigender Ordnungszahl von 2 5 C bis 1 6 Pb tendenziell ab Ausreisser mit 1 7 ist das Silicium Ele ment Atom masse Schmelz punkt K Siede punkt K Dichte kg m3 Mohs harte Elektr Leit fahigkeit S m Elektro negativitatKohlenstoff 0 12 011 3823 5100 2250 bis 3510 0 5 bis 10 0 10 4 10 6 5 2 5Silicium 0 28 086 1683 2628 2330 6 5 2 52 10 4 1 7Germanium 0 72 590 1211 3093 5323 6 0 1 45 2 0Zinn 118 710 0 505 2875 7310 1 5 9 17 106 1 96Blei 207 20 0 0 601 2022 11340 1 5 4 81 106 1 6Elektronenkonfiguration Bearbeiten Die Elektronenkonfiguration lautet X ys2yp2 Das X steht hierbei fur die Elektronenkonfiguration des eine Periode hoher stehenden Edelgases und fur 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 Fur die einzelnen Elemente lauten die Elektronenkonfigurationen Kohlenstoff He 2s22p2 Silicium Ne 3s23p2 Germanium Ar 3d104s24p2 Zinn Kr 4d105s25p2 Blei Xe 4f145d106s26p2 Flerovium berechnet Rn 5f146d107s27p2Die Oxidationszustande sind 4 und 4 mit steigender Ordnungszahl gewinnt jedoch auch die Oxidationsstufe 2 an Bedeutung Chemische Reaktionen Bearbeiten Aufgrund der grossen Unterschiede innerhalb der Gruppe lasst sich nur schwer ein allgemeines Reaktionsverhalten angeben da dieses von Element zu Element variiert In den folgenden Gleichungen steht das E fur ein Element aus der Kohlenstoffgruppe Reaktion mit Sauerstoff Die wichtigste Reaktion ist die Bildung des jeweiligen Dioxids aus den Elementen E O 2 E O 2 displaystyle mathrm E O 2 longrightarrow EO 2 nbsp dd Neben den vierwertigen Oxiden sind aber von allen Gruppenelementen auch die zweiwertigen Oxide bekannt Die Stabilitat der zweiwertigen Oxide nimmt dabei mit steigender Ordnungszahl zu die der vierwertigen Oxide nimmt etwas ab Daneben sind noch verschiedene Sub und Mischoxide bekannt wie z B das Kohlenstoffsuboxid C3O2 oder das Blei II IV oxid Pb3O4 Reaktion mit Wasserstoff ohne Kettenbildung nicht spontan E 2 H 2 E H 4 displaystyle mathrm E 2 H 2 longrightarrow EH 4 nbsp dd Reaktion mit Wasser E H 2 O k e i n e R e a k t i o n displaystyle mathrm E H 2 O longrightarrow keine Reaktion nbsp dd Keines der Gruppenelemente reagiert mit Wasser Reaktion mit Halogenen am Beispiel Chlor E 2 C l 2 E C l 4 displaystyle mathrm E 2 Cl 2 longrightarrow ECl 4 nbsp E C l 2 E C l 2 displaystyle mathrm E Cl 2 longrightarrow ECl 2 nbsp dd Kohlenstoff Silicium und Germanium reagieren nur zum Tetrachlorid bei Zinn sind SnCl4 und SnCl2 moglich und Blei bildet nur das Dichlorid PbCl2 Kettenbildung Bearbeiten nbsp Kalottenmodelle einiger KohlenwasserstoffeEine Besonderheit der Gruppe 14 Elemente ist ihre Fahigkeit langkettige Wasserstoffverbindungen der Struktur XH3 XH2 n XH3 zu bilden Alle Wasserstoffatome sind kovalent gebunden die Stabilitat dieser Verbindungen nimmt jedoch mit steigender Ordnungszahl des Elementes ab Kohlenwasserstoffe Die Gruppe der Kohlenwasserstoffe ist die umfangreichste da der Zahl der C Atome und somit auch der Kettenlange kaum Grenzen gesetzt sind Eine weitere spezifische Eigenschaft des Kohlenstoffs ist die Fahigkeit zur Ausbildung stabiler Doppel und Dreifachbindungen Mit den Kohlenwasserstoffen und deren Derivaten beschaftigt sich die Organische Chemie Silane Bei Silicium ist die Fahigkeit zur Kettenbildung bereits auf maximal 15 Si Si Bindungen beschrankt Doppel oder gar Dreifachbindungen sind bei Silicium und den folgenden Elementen instabil doch auch die Silane zahlen nicht zu den stabilsten Verbindungen Germane Germanium ist nur noch zu maximal neun Ge Ge Bindungen fahig Das schrankt die Moglichkeiten naturlich stark ein Zinnwasserstoffe Bei Zinn ist nur noch eine einzige Sn Sn Bindung moglich Es gibt daher auch nur zwei Verbindungen dieser Klasse SnH4 und SnH3 SnH3 Bleiwasserstoff Blei besitzt nicht die Fahigkeit zur Kettenbildung Nur PbH4 ist bekannt doch auch diese Verbindung ist beinahe instabil Auch Ringbildungen sind moglich die Summenformel lautet dann XH2 n Verbindungen Bearbeiten nbsp Kohlendioxid nbsp SiliciumdioxidOxide IV Hydroxide und Sauren Kohlenstoffdioxid CO2 ist aufgrund der Stabilitat der C O Doppelbindung ein dreiatomiges linear gebautes und daher unpolares Molekul und liegt im gasformigen Aggregatzustand vor In Wasser bildet es die unbestandige schwache Kohlensaure H2CO3 Im Siliciumdioxid SiO2 existieren ausschliesslich Einfachbindungen Es ist ein Feststoff und besteht aus SiO4 Tetraedern die uber alle Ecken miteinander verknupft sind In der Natur tritt SiO2 als Quarz auf Amorphes SiO2 Kieselglas ist der wesentliche Bestandteil von Glas Germaniumdioxid GeO2 entspricht im Wesentlichen dem Siliciumdioxid kann aber auch in der Rutil Struktur kristallisieren Letzteres bildet mit Wasser die Germaniumsaure H4GeO4 Zinn IV oxid SnO2 ist ein Feststoff und nicht loslich in Wasser Blei IV oxid PbO2 ist ebenfalls ein in Wasser unloslicher Feststoff Wasserstoffverbindungen siehe unter Kettenbildung sonstige Kohlenstoffmonoxid CO ist ein giftiges Gas Siliciummonoxid SiO ist ein dunkelbrauner amorpher Feststoff aus polymeren SiO x Ketten Silikone bestehen aus dreidimensionalen Netzwerken aus abwechselnd Silicium und Sauerstoff wobei sich an den Siliciumatomen meistens organische Reste zum Beispiel Methylgruppen CH3 befinden Blei II oxid Blei II IV oxidVorkommen Bearbeiten nbsp Bergkristall aus SiO2 nbsp BleierzDie Erdkruste besteht zu 27 7 aus Elementen der Kohlenstoffgruppe Davon entfallen 99 8 auf Silicium das zweithaufigste Element in der Erdkruste nach Sauerstoff Die ubrigen 0 2 teilen sich wie folgt auf 99 1 Kohlenstoff 0 94 Blei 0 02 Zinn 0 01 GermaniumMit Ausnahme von Germanium treten sie unter naturlichen Bedingungen auch in gediegener Form auf Weblinks BearbeitenEigenschaften Tabelle Literatur BearbeitenHans Breuer dtv Atlas Chemie Band 1 Allgemeine und anorganische Chemie S 131 153 2000 ISBN 3 423 03217 0Gruppen des Periodensystems Alkalimetalle Erdalkalimetalle Scandiumgruppe Titangruppe Vanadiumgruppe Chromgruppe Mangangruppe Eisengruppe Cobaltgruppe Nickelgruppe Kupfergruppe Zinkgruppe Borgruppe Kohlenstoffgruppe Stickstoffgruppe Chalkogene Halogene EdelgaseLanthanoide Actinoide Normdaten Sachbegriff GND 4258859 5 lobid OGND AKS Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Kohlenstoffgruppe amp oldid 220720682