Das Periodensystem der Elemente online
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Gruppe im
Periodensystem
Allgemeine Gruppen-Informationen
14, Kohlenstoffgruppe
Alte Bezeichnung:
Kohlenstoff-Silicium-Gruppe (Gruppe 4a)
Gemeinsame Elektronenkonfiguration:
ns
2
np
2
<< Borgruppe
C
Si
Ge
Sn
Pb
Fl
Stickstoffgruppe >>
Allgemeines:
Die Kohlenstoffgruppe ist eine der heterogensten Gruppen des ganzen Periodensystems; ihr Startglied Kohlenstoff ist ein mäßig elektronegatives Nichtmetall, ihr Endglied Blei ein echtes Metall. Von oben nach unten zeigt sich also innerhalb der Gruppe der Übergang von nichtmetallischem zum metallischem Charakter in abgestufter Form. Charakteristische Oxidationsstufen der Elemente der Kohlenstoffgruppe sind -4, +2 und +4. Dabei nimmt die Stabilität der Oxidationsstufe +2 vom Kohlenstoff zum Blei in gleichem Maße zu, wie die der Oxidationsstufe +4 abnimmt.
Kohlenstoff
kommt in einer nichtmetallischen und einer halbmetallischen Modifikation vor. Der Diamant ist nicht nur der härteste, bislang bekannte Stoff und der beste Wärmeleiter, sondern auch - in reinem Zustand - ein perfekter Isolator. Oberhalb 1500°C wandelt er sich jedoch in die halbmetallische, thermodynamisch stabile Modifikation Graphit um. In dieser Form leitet der Kohlenstoff in Schichtebene (vertikal) den elektrischen Strom, und hat auch einen dunklen Metallglanz. Kohlenstoff hat die Eigenschaft, sich ebensogut mit Wasserstoff, mit Sauerstoff, wie auch mit sich selbst zu verbinden. Daher gibt es schier unzählige Verbindungen, die er bilden kann. Die Kohlenstoffchemie kennt mehr Verbindungen als die anorganische Chemie. Echte Zweiwertigkeit ist beim Kohlenstoff unbekannt, wohl dagegen formelle Zweiwertigkeit (einfachstes Beispiel Kohlenmonoxid). Mit stark elektronegativen Nichtmetallen (Fluor, Sauerstoff, Stickstoff, Chlor) bildet er flüchtige, kovalent gebaute Molekülverbindungen. Vom Graphit sind echte Kationen bekannt, und auch Salze wie etwa Graphithydrogensulfat ([C
25
+
][HSO
4
-
]). Anionisch liegt Kohlenstoff in den Carbiden oder in den Acetyliden der Alkalimetallen vor (z. B. Na
4
C, Natriumcarbid oder Li
2
C
2
, Lithiumacetylid). Die Oxide des Kohlenstoffs reagieren rein sauer (im Falle von Kohlendioxid) oder überhaupt nicht mit Wasser (im Falle von Kohlenmonoxid).
Silicium
ist ein ausgesprochenes Halbmetall: Es ist spröde, stahlgrau metallisch glänzend und in reinem Zusatnd ein sehr schlechter elektrischer Leiter. Die elektriasche Leitfähigkeit lässt sich aber durch geringe Zugaben von Elementen der Borgruppe oder Stickstoffgruppe (= Dotieriung) stark erhöhen. Auch Silicium bildet keine Kationen, im Gegensatz zum Kohlenstoff auch keine Polykationen. Mit stark elektronegativen Elementen bildet es flüchtige oder hochpolymere Molekülverbindungen (Siliciumtetrafluorid, Silciumtetrachlorid sind flüchtig, Siliciumnitrid, -carbid und -oxid hochpolymere Stoffe). Die Oxidationsstufe +2 ist nur in der Gasphase im Vakuum erhitzter Silicium(IV)-Verbindungen, die sich über elementarem, erhitzten Silcium befinden, nachweisbar. Siliciumdioxid löst sich - abgesehen von Flüsssäure - nur in Laugen auf; d.h. Silicium liegt in Salzen stets anionisch vor. Siliciumwasserstoff (Silan, SiH
4
) enthält anders als Methan negativ polarisierten Wasserstoff, und reagiert daher auch anders. Es ist bei Weitem instabiler und kann an der Luft spontan explosionsartig zu Silciumdioxid und Wasser verbrennen.
Germanium
ist in seinen Eigenschaften insgesamt dem Silicium sehr ähnlich, es ist etwas heller glänzend als jenes, und hat eine höhere elektrische Leitfähigkeit. Von Germanium sind bereits salzartige Verbindungen darstellbar, in welchen das Halbmetall in der Oxidationsstufe +2 reagiert. (GeCl
2
ist salzartig aufgebaut, reagiert aber überaus stark reduzierend, es entwickelt beim Auflösen in Wasser sofort Wasserstoff und Germanium(IV)oxid). Hauptsächlich liegt das Element in seinen Verbindungen jedoch in der Oxidationsstufe +4 vor, in welcher seine Verbindungen mit jenen des Siliciums beinahe identische Eigenschaften haben. Auch Germaniumdioxid reagiert ausschließlich sauer. Germaniumwasserstoff (GeH
4
, Germanan) ist ähnlich instabil wie Silan.
Zinn
kommt unterhalb 13,2°C in einer halbmetallischen, darüber in einer metallischen Modifikation vor. Beim Zinn ist eine wässrige Chemie von Verbindungen der Oxidationsstufe +2 gut bekannt, wenngleich die entsprechenden, mehr oder weniger ionisch aufgebauten Verbindungen auch noch Reduktionsmittel darstellen. Die Stufe +4 ist noch etwas beständiger. Zinn in seiner β-Modifikation stellt ein echtes, den elektrischen Strom gut leitendes Metall dar. Die Oxide des Zinns sind beide amphoter, wobei beim SnO der basische, beim SnO
2
der saure Charakter überwiegt. Zinnwasserstoff (Stannan, SnH
4
) ist zwar gut aus den Elementen zugänglich, wirkt jedoch stark reduzierend und zerfällt bereits bei geringer energetischer Anregung wieder in die Elemente.
Blei
kommt ausschließlich metallisch vor. Bei ihm ist schließlich die Oxidationsstufe +2 die stabilere, Verbindungen mit Pb(IV)-Ionen sind starke Oxidationsmittel. Auch die beiden Bleioxide PbO und PbO
2
sind amphoter, jedoch nur noch in starken Laugen löslich, während sie in Säuren relativ leicht löslich sind, und kationische Salze bilden. Bleiwasserstoff (Plumban, PbH
4
) lässt sich rein nicht mehr darstellen, und zerfällt bereits bei tieferen Temperaturen mit kurzer Halbwertzeit wieder in die Elemente.
Flerovium
ist ein künstlich dargestelltes, nur in atomaren Dimensionen bekanntes chemisches Element. Vermutlich schließt es sich in seinen Eigenschaften an das Blei an, wobei die Oxidationsstufe +4 noch stärker oxidierend wirken dürfte.