„Kohlenstoffgruppe“ – Bearbeiten

{{Infobox Elementgruppe
| GruppeV = Borgruppe
| GruppeA = Kohlenstoffgruppe
| GruppeN = Stickstoffgruppe
| Gruppe = Gr14
}}
{| class="wikitable float-right" style="text-align:center"
| <u>'''[[Gruppe des Periodensystems|Gruppe]]'''</u>
| align="right" | '''14'''
|-
| <u>'''[[Hauptgruppe]]'''</u>
| align="right" | '''4'''
|-
| '''[[Periode des Periodensystems|Periode]]'''
|-
| '''[[Chemische Elemente der zweiten Periode|2]]'''
{{Periodisches System/Element|serie=Nm|aggregat=s|protonen=6|name=Kohlenstoff|symbol=C}}
|-
| '''[[Chemische Elemente der dritten Periode|3]]'''
{{Periodisches System/Element|serie=Hm|aggregat=s|protonen=14|name=Silicium|symbol=Si}}
|-
| '''[[Chemische Elemente der vierten Periode|4]]'''
{{Periodisches System/Element|serie=Hm|aggregat=s|protonen=32|name=Germanium|symbol=Ge}}
|-
| '''[[Chemische Elemente der fünften Periode|5]]'''
{{Periodisches System/Element|serie=M|aggregat=s|protonen=50|name=Zinn|symbol=Sn}}
|-
| '''[[Chemische Elemente der sechsten Periode|6]]'''
{{Periodisches System/Element|serie=M|aggregat=s|protonen=82|name=Blei|symbol=Pb}}
|-
| '''[[Chemische Elemente der siebten Periode|7]]'''
{{Periodisches System/Element|serie=M|aggregat=u|radio=x|art=x|protonen=114|name=Flerovium|symbol=Fl}}
|}

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

<gallery class="center">
 GraphiteUSGOV.jpg|Graphit
 Brillanten.jpg|Diamanten
 C60-Fulleren-kristallin.JPG|C<sub>60</sub>-[[Fullerene|Fulleren]]
 Monokristalines Silizium für die Waferherstellung.jpg|Hochreines Silicium
 Silizium pulver.jpg|Siliciumpulver
 Germanium.jpg|Germanium
 Sn-Alpha-Beta.jpg|α und β Zinn
 Lead electrolytic and 1cm3 cube.jpg|Blei
</gallery>

== Eigenschaften ==
Die Elemente der Kohlenstoffgruppe weisen sehr unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften auf, weil die Gruppe durch die Trennlinie zwischen [[Metalle]]n und [[Nichtmetalle]]n 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 ===
[[Datei:Buckminsterfullerene.svg|mini|C<sub>60</sub>-[[Fullerene|Fulleren]]]]
Mit zunehmender Ordnungszahl wachsen [[Atommasse]], [[Atomradius]] und [[Ionenradius]]. Die Dichte von Graphit (C) und Silicium liegen dicht beieinander (ca. 2,3&nbsp;kg/dm<sup>3</sup>), sie steigt innerhalb der Hauptgruppe bis zum Blei auf 11,34&nbsp;kg/dm<sup>3</sup> 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 [[Elektrischer Strom|elektrische]] Leitfähigkeit hat Zinn mit 9,17&nbsp;M[[Siemens (Einheit)|S]]/m, die geringste weist Silicium mit 25,2&nbsp;mS/m auf. Die 1. [[Ionisierungsenergie]] sinkt mit wachsender Ordnungszahl von 11,26&nbsp;[[Elektronenvolt|eV]] bei Kohlenstoff auf 7,34&nbsp;eV bei Zinn ab. Blei hat mit 7,42&nbsp;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.

{| class="wikitable" style="text-align:right;"
! Ele&shy;ment
! [[Atommasse|Atom&shy;masse]]
! [[Schmelzpunkt|Schmelz&shy;punkt]]<br>([[Kelvin|K]])
! [[Siedepunkt|Siede&shy;punkt]]<br>(K)
! [[Dichte]]<br>(kg/m<sup>3</sup>)
! [[Mohshärte|Mohs&shy;härte]]
! [[Elektrische Leitfähigkeit|Elektr. Leit&shy;fähigkeit]]<br>([[Siemens (Einheit)|S]]/m)
! [[Elektronegativität|Elektro&shy;negativität]]
|-
! Kohlenstoff
| {{0}}12,011
| 3823
| 5100
| 2250 bis 3510
| 0,5 bis 10,0
| 10<sup>−4</sup>...10<sup>+6,5</sup>
| 2,5
|-
! Silicium
| {{0}}28,086
| 1683
| 2628
| 2330
| 6,5
| 2,52 · 10<sup>−4</sup>
| 1,7
|-
! Germanium
| {{0}}72,59{{0}}
| 1211
| 3093
| 5323
| 6{{0|,0}}
| 1,45
| 2,0
|-
! Zinn
| 118,71{{0}}
| {{0}}505
| 2875
| 7310
| 1,5
| 9,17 · 10<sup>6</sup>
| 1,96
|-
! Blei
| 207,2{{0}}{{0}}
| {{0}}601
| 2022
| 11340
| 1,5
| 4,81 · 10<sup>6</sup>
| 1,6
|}

=== Elektronenkonfiguration ===
Die [[Elektronenkonfiguration]] lautet [''X''] ''y''[[S-Orbital|s]]<sup>2</sup>''y''[[P-Orbital|p]]<sup>2</sup>. Das ''X'' steht hierbei für die Elektronenkonfiguration des eine [[Periode (Periodensystem)|Periode]] höher stehenden [[Edelgase]]s, und für das ''y'' muss die Periode eingesetzt werden, in der sich das Element befindet. Ab Germanium ist auch ein ''(y−1)''[[D-Orbital|d]]<sup>10</sup>-Orbital vorhanden; und ab Blei findet sich auch ein ''(y−2)''[[F-Orbital|f]]<sup>14</sup>-Orbital.

Für die einzelnen Elemente lauten die Elektronenkonfigurationen:
* Kohlenstoff: [ [[Helium|He]] ] 2s<sup>2</sup>2p<sup>2</sup>
* Silicium: [ [[Neon|Ne]] ] 3s<sup>2</sup>3p<sup>2</sup>
* Germanium: [ [[Argon|Ar]] ] 3d<sup>10</sup>4s<sup>2</sup>4p<sup>2</sup>
* Zinn: [ [[Krypton|Kr]] ] 4d<sup>10</sup>5s<sup>2</sup>5p<sup>2</sup>
* Blei: [ [[Xenon|Xe]] ] 4f<sup>14</sup>5d<sup>10</sup>6s<sup>2</sup>6p<sup>2</sup>
* Flerovium (berechnet): [ [[Radon|Rn]] ] 5f<sup>14</sup>6d<sup>10</sup>7s<sup>2</sup>7p<sup>2</sup>

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 [[Chemische Reaktion|Reaktionsverhalten]] angeben, da dieses von Element zu Element variiert. In den folgenden Gleichungen steht das E für ein Element aus der Kohlenstoffgruppe.

* Reaktion mit [[Sauerstoff]]:
:Die wichtigste Reaktion ist die Bildung des jeweiligen Dioxids aus den Elementen
::<math>\mathrm{E + O_2 \longrightarrow EO_2}</math>
: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.&nbsp;B. das [[Kohlenstoffsuboxid]] C<sub>3</sub>O<sub>2</sub> oder das [[Blei(II,IV)-oxid]] Pb<sub>3</sub>O<sub>4</sub>.

* Reaktion mit [[Wasserstoff]] (ohne Kettenbildung, nicht spontan):
::<math>\mathrm{E + 2 \ H_2 \longrightarrow EH_4}</math>

* Reaktion mit [[Wasser]]:
::<math>\mathrm{E + H_2O \longrightarrow keine \ Reaktion}</math>
:Keines der Gruppenelemente reagiert mit Wasser.

* Reaktion mit [[Halogene]]n (am Beispiel [[Chlor]]):
::<math>\mathrm{E + 2 \ Cl_2 \longrightarrow ECl_4}</math>
::<math>\mathrm{E + Cl_2 \longrightarrow ECl_2}</math>
:Kohlenstoff, Silicium und Germanium reagieren nur zum Tetrachlorid, bei Zinn sind SnCl<sub>4</sub> und SnCl<sub>2</sub> möglich und Blei bildet nur das Dichlorid PbCl<sub>2</sub>.

=== Kettenbildung ===
[[Datei:Kohlenwasserstoffe.png|140px|mini|[[Kalottenmodell]]e einiger Kohlenwasserstoffe]]
Eine Besonderheit der Gruppe-14-Elemente ist ihre Fähigkeit, langkettige Wasserstoffverbindungen der Struktur ''X''H<sub>3</sub>-(''X''H<sub>2</sub>)<sub>''n''</sub>-''X''H<sub>3</sub> zu bilden. Alle Wasserstoffatome sind [[Kovalente Bindung|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 [[Doppelbindung|Doppel-]] und [[Dreifachbindung]]en. 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 (Stoffgruppe)|Germane]]: Germanium ist nur noch zu maximal neun Ge-Ge –Bindungen fähig. Das schränkt die Möglichkeiten natürlich stark ein.
* [[Zinnwasserstoff]]e: Bei Zinn ist nur noch eine einzige Sn-Sn-Bindung möglich. Es gibt daher auch nur zwei Verbindungen dieser Klasse: SnH<sub>4</sub> und SnH<sub>3</sub>-SnH<sub>3</sub>.
* [[Bleiwasserstoff]]: Blei besitzt nicht die Fähigkeit zur Kettenbildung. Nur PbH<sub>4</sub> ist bekannt, doch auch diese Verbindung ist beinahe instabil.
Auch Ringbildungen sind möglich, die Summenformel lautet dann (''X''H<sub>2</sub>)''n''.

== Verbindungen ==
[[Datei:Carbon dioxide.svg|mini|Kohlendioxid]]

[[Datei:SiO2.svg|mini|Siliciumdioxid]]
* [[Oxide]] (IV), Hydroxide und [[Säure]]n
** [[Kohlenstoffdioxid]] (CO<sub>2</sub>) ist aufgrund der Stabilität der C=O–Doppelbindung ein dreiatomiges, linear gebautes und daher unpolares [[Molekül]] und liegt im [[gas]]förmigen [[Aggregatzustand]] vor. In Wasser bildet es die unbeständige, schwache [[Kohlensäure]] (H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>).
** Im [[Siliciumdioxid]] (SiO<sub>2</sub>) existieren ausschließlich Einfachbindungen. Es ist ein Feststoff und besteht aus SiO<sub>4</sub>-[[Tetraeder]]n, die über alle Ecken miteinander verknüpft sind. In der Natur tritt SiO<sub>2</sub> als [[Quarz]] auf.  [[Amorph]]es SiO<sub>2</sub> ([[Quarzglas|Kieselglas]]) ist der wesentliche Bestandteil von [[Glas]].
** [[Germaniumdioxid]] (GeO<sub>2</sub>) entspricht im Wesentlichen dem Siliciumdioxid, kann aber auch in der [[Rutil]]-Struktur kristallisieren. Letzteres  bildet mit Wasser die Germaniumsäure (H<sub>4</sub>GeO<sub>4</sub>).
** [[Zinn(IV)-oxid]] (SnO<sub>2</sub>) ist ein Feststoff und nicht löslich in Wasser.
** [[Blei(IV)-oxid]] (PbO<sub>2</sub>) ist ebenfalls ein in Wasser unlöslicher Feststoff.
* Wasserstoffverbindungen: ''siehe unter [[Kohlenstoff-Gruppe#Kettenbildung|Kettenbildung]]''
* sonstige:
** [[Kohlenstoffmonoxid]] (CO) ist ein giftiges Gas.
** [[Siliciummonoxid]] (SiO) ist ein dunkelbrauner, amorpher Feststoff aus polymeren (SiO)<sub>x</sub>-Ketten.
** [[Silikone]] bestehen aus dreidimensionalen Netzwerken aus abwechselnd Silicium und Sauerstoff, wobei sich an den Siliciumatomen meistens organische Reste (zum Beispiel Methylgruppen (-CH<sub>3</sub>)) befinden.
** [[Blei(II)-oxid]]
** [[Blei(II,IV)-oxid]]

== Vorkommen ==
[[Datei:Quartz Brésil.jpg|mini|[[Quarz|Bergkristall]] aus SiO<sub>2</sub>]] [[Datei:LeadOreUSGOV.jpg|mini|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 [[gediegen]]er Form auf.

== Literatur ==
* [[Hans Breuer (Physiker)|Hans Breuer]]: ''dtv-Atlas Chemie (Band 1: Allgemeine und anorganische Chemie)''. S. 131–153 (2000), ISBN 3-423-03217-0

== Weblinks ==
* {{DNB-Portal|4258859-5}}
* [https://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/kap_2/basics/kohlenstoffgruppe.html Eigenschaften (Tabelle)]

{{Navigationsleiste Gruppen (Periodensystem)}}
{{Normdaten|TYP=s|GND=4258859-5}}

[[Kategorie:Gruppe des Periodensystems]]