Kohlenstoffgruppe

Einordnung und Grundzüge

Die Kohlenstoffgruppe, auch Kohlenstoff-Silicium-Gruppe, ist die 4. Hauptgruppe des Periodensystems; nach der IUPAC-Nummerierung ist sie Gruppe 14. Sie umfasst Kohlenstoff (C), Silicium (Si), Germanium (Ge), Zinn (Sn), Blei (Pb) sowie das radioaktive Flerovium (Fl). Die Gruppe ist chemisch und physikalisch sehr uneinheitlich, weil sie durch die Trennlinie zwischen Metallen und Nichtmetallen geteilt wird: Kohlenstoff ist ein Nichtmetall, Silicium und Germanium sind Halbmetalle, Zinn, Blei und Flerovium sind Metalle.

Aufbau der Atome und Trends

Die allgemeine Elektronenkonfiguration lautet [X] ys²yp². X steht für die Elektronenkonfiguration des Edelgases der vorherigen Periode; y ist die Periodenzahl des Elements. Ab Germanium kommt ein (y−1)d¹⁰-Orbital hinzu, ab Blei außerdem ein (y−2)f¹⁴-Orbital.

Die Konfigurationen sind: C [He] 2s²2p², Si [Ne] 3s²3p², Ge [Ar] 3d¹⁰4s²4p², Sn [Kr] 4d¹⁰5s²5p², Pb [Xe] 4f¹⁴5d¹⁰6s²6p² und Fl (berechnet) [Rn] 5f¹⁴6d¹⁰7s²7p². Typische Oxidationszustände, also formale Ladungszustände in Verbindungen, sind +4 und −4. Mit wachsender Ordnungszahl wird auch die Oxidationsstufe +2 wichtiger.

Atommasse, Atomradius und Ionenradius nehmen mit steigender Ordnungszahl zu. Die 1. Ionisierungsenergie sinkt von 11,26 eV bei Kohlenstoff auf 7,34 eV bei Zinn; Blei liegt mit 7,42 eV wieder etwas höher. Auch die Elektronegativität sinkt tendenziell von 2,5 bei C auf 1,6 bei Pb; Silicium ist mit 1,7 ein Ausreißer.

Physikalische Unterschiede

Die Dichte von Graphit und Silicium liegt jeweils bei etwa 2,3 kg/dm³ und steigt innerhalb der Gruppe bis zu Blei auf 11,34 kg/dm³. Die Mohshärte reicht von 10 bei Diamant bis 1,5 bei Zinn. Die elektrische Leitfähigkeit ist bei Zinn mit 9,17 MS/m am höchsten. Für Silicium nennt der Fließtext als geringsten Wert 25,2 mS/m, während die Tabelle 2,52 · 10⁻⁴ S/m angibt.

Auch die Schmelz- und Siedepunkte unterscheiden sich deutlich: Kohlenstoff hat 3823 K beziehungsweise 5100 K, Silicium 1683 K und 2628 K, Germanium 1211 K und 3093 K, Zinn 505 K und 2875 K sowie Blei 601 K und 2022 K. Kohlenstoff kann je nach Erscheinungsform sehr unterschiedliche Eigenschaften besitzen; seine Dichte wird mit 2250 bis 3510 kg/m³ und seine Mohshärte mit 0,5 bis 10,0 angegeben.

Reaktionen und Kettenbildung

Ein einheitliches Reaktionsverhalten lässt sich wegen der großen Unterschiede in der Gruppe kaum angeben. Mit Sauerstoff bilden die Elemente vor allem Dioxide: E + O₂ → EO₂. Daneben sind von allen Gruppenelementen zweiwertige Oxide bekannt. Deren Stabilität nimmt mit steigender Ordnungszahl zu, während die Stabilität der vierwertigen Oxide etwas abnimmt. Beispiele für weitere Oxide sind Kohlenstoffsuboxid C₃O₂ und Blei(II,IV)-oxid Pb₃O₄.

Mit Wasserstoff ist, ohne Kettenbildung und nicht spontan, die Reaktion E + 2 H₂ → EH₄ möglich. Mit Wasser reagiert keines der Gruppenelemente. Mit Chlor können Tetrachloride E + 2 Cl₂ → ECl₄ und Dichloride E + Cl₂ → ECl₂ entstehen. Kohlenstoff, Silicium und Germanium reagieren nur zum Tetrachlorid; bei Zinn sind SnCl₄ und SnCl₂ möglich, Blei bildet nur PbCl₂.

Charakteristisch ist die Bildung langkettiger Wasserstoffverbindungen der Struktur XH₃-(XH₂)ₙ-XH₃. Die Wasserstoffatome sind kovalent gebunden; die Stabilität solcher Verbindungen nimmt mit steigender Ordnungszahl ab. Bei Kohlenstoff sind Ketten praktisch unbegrenzt lang, und stabile Doppel- sowie Dreifachbindungen sind möglich. Diese Kohlenwasserstoffe und ihre Derivate sind Gegenstand der Organischen Chemie. Silicium erreicht höchstens 15 Si-Si-Bindungen, Germanium höchstens neun Ge-Ge-Bindungen, Zinn nur eine Sn-Sn-Bindung; bekannt sind SnH₄ und SnH₃-SnH₃. Blei bildet keine Ketten, nur das beinahe instabile PbH₄. Ringbildungen mit der Summenformel (XH₂)ₙ sind ebenfalls möglich.

Wichtige Verbindungen und Vorkommen

CO₂ ist wegen der stabilen C=O-Doppelbindung ein lineares, dreiatomiges und damit unpolares Gas. In Wasser bildet es die unbeständige, schwache Kohlensäure H₂CO₃. SiO₂ enthält ausschließlich Einfachbindungen und ist ein Feststoff aus über alle Ecken verknüpften SiO₄-Tetraedern. Es kommt als Quarz vor; amorphes SiO₂, Kieselglas, ist ein wesentlicher Bestandteil von Glas. GeO₂ entspricht weitgehend SiO₂, kann aber auch in der Rutil-Struktur kristallisieren; diese bildet mit Wasser Germaniumsäure H₄GeO₄. SnO₂ und PbO₂ sind wasserunlösliche Feststoffe. Kohlenstoffmonoxid CO ist ein giftiges Gas, Siliciummonoxid SiO ein dunkelbrauner amorpher Feststoff aus polymeren (SiO)ₓ-Ketten. Silikone sind dreidimensionale Netzwerke aus abwechselnd Silicium und Sauerstoff; an den Siliciumatomen sitzen meist organische Reste wie Methylgruppen (−CH₃).

Die Erdkruste besteht zu 27,7 % aus Elementen der Kohlenstoffgruppe. Davon entfallen 99,8 % auf Silicium, das nach Sauerstoff zweithäufigste Element der Erdkruste. Von den übrigen 0,2 % sind 99,1 % Kohlenstoff, 0,94 % Blei, 0,02 % Zinn und 0,01 % Germanium. Mit Ausnahme von Germanium kommen diese Elemente unter natürlichen Bedingungen auch gediegen, also elementar und nicht chemisch gebunden, vor.