Kohlenstoffgruppe Eigenschaften

Die 14. Gruppe (4. Hauptgruppe) im Periodensystem der chemischen Elemente




Die Kohlenstoffgruppe, auch Kohlenstoff-Silicium-Gruppe genannt ist die 4. Hauptgruppe im Periodensystem der chemischen Elemente. Sie beinhaltet die Elemente Kohlenstoff, Silicium, Germanium, Zinn, Blei, sowie das radioaktive Element Ununquandium.

In der Kohlenstoff-Silicium-Gruppe ist mit dem Kohlenstoff ein Nichtmetall und mit Silicium und Germanium zwei Halbmetalle vertreten. Die weiteren Elemente in der Gruppe zählen zu den Metallen.

Silicium ist das zweithäufigste Element in der Erdkruste nach dem Sauerstoff. Insgesamt besteht über ein Viertel der Erde aus der Kohlenstoff-Silicium-Gruppe.

Kohlenstoffgruppe

Kohlenstoffgruppe

Als Kohlenstoffgruppe, manchmal auch Kohlenstoff-Silicium-Gruppe, wird die 14. Gruppe im Periodensystem benannt. Da sie nach der alten Nomenklatur die 4. Hauptgruppe bildete, trägt sie auch den Namen „Tetrele“.




Über die chemischen Elemente der Gruppe:

In der Kohlenstoffgruppe finden sich insgesamt 6 Elemente, nämlich Kohlenstoff (C), Silicium (Si), Germanium (Ge), Zinn (Sn), Blei (Pb) und Flerovium (Fl). Kohlenstoff ist als einziges Element der Gruppe ein Nichtmetall. Silicium und Germanium sind dagegen Halbmetalle und die übrigen Elemente sind Metalle. Dieser Unterschied führt auch dazu, dass es innerhalb der Kohlenstoffe nur wenige einheitliche Eigenschaften zu finden gibt. So liegen fast alle Elemente als Feststoffe vor und haben hohe Siede- und Schmelzpunkte. Die Elektronegativität nimmt – von oben nach unten betrachtet – ab, sodass Kohlenstoff eine Elektronegativität von 2,5 hat, während es bei Blei nur noch 1,6 sind. Die Ausnahme hiervon ist das Element Silicium, das direkt unter Kohlenstoff im Periodensystem steht, aber dennoch eine deutlich niedrigere Elektronegativität mit 1,7 aufweist. Das letzte Element der Gruppe, Flerovium, ist ein Transactinoid und somit radioaktiv. Seine Halbwertszeit beträgt nur bis zu 5 Sekunden, bevor es zerfällt. Darum konnten bisher auch keine Untersuchungen der weiteren chemischen Eigenschaften dieses Elements gemacht werden.

Besonderheiten der Kohlenstoffgruppe:

In der Kohlenstoffgruppe besitzen alle Elemente (mit Ausnahme von Flevorium) die Eigenschaft, längere Ketten zu bilden, bei denen jeweils die Atome eines Elements jeweils mit Wasser- und Sauerstoffen verbinden lassen. Diese Eigenschaft nimmt von oben nach unten ab, sodass bei Blei beispielsweise nur die Wasserstoffverbindung PbH4 bekannt ist, die allerdings als sehr instabil gilt. Beim elementaren Kohlenstoff ist die Fähigkeit zur Kettenbildung dagegen sehr ausgeprägt und bildet einen eigenen Teilbereich in der Chemie, nämlich die organische Chemie. Diese beschäftigt sich unter anderem mit den Gasverbindungen von Kohlenstoff wie Kohlenstoffdioxid (CO2), mit Alkoholen und ihren Derivaten, mit den Aromen und den chemischen Verbindungen, welche Benzol enthalten.
Zu den größten Unterschieden innerhalb der Kohlenstoffgruppe zählt dagegen ihre Verträglichkeit und das mögliche Gefahrenpotential der Elemente. Kohlenstoff und Zinn sind völlig ungefährlich und können theoretisch einfach so in die Hand genommen werden. Silicium ist dagegen reizend und sein Pulver ist leicht entzündlich, ebenso wie Germanium. Am gefährlichsten sind aber die Elemente Blei und Flevorium, die als giftig und umweltschädlich eingestuft sind und nur unter entsprechenden Schutzmaßnahmen überhaupt verwendet werden dürfen.

Verwendung der Elemente dieser Gruppe:

Wie bereits erwähnt, ist Kohlenstoff aufgrund seiner Eigenschaft zur Bildung langer Ketten ein vielseitig einsetzbares Element. Er findet sich in Form von Fruchtzucker (C6H1206) oder Stärke ((C6H12O5)n) in vielen Lebensmitteln wieder, ist Hauptbestandteil der Alkohole und Aromen und bildet Erdöl und Erdgas. Aber auch reiner Kohlenstoff, der in der Natur beispielsweise als Grafit oder Diamant vorkommt, wird verwendet, um Stifte oder Filter herzustellen, Schneidwerkzeuge zu erstellen oder zur Produktion von Schmuck. Silicium, Germanium und Zinn sind ebenso lebenswichtig und sind in kleinen Mengen in Nahrungsmitteln enthalten. Weit größere Anwendung finden sie dagegen in der Industrie bei der Produktion von Leitern bzw. Halbleitern, was unter anderem bei der Entwicklung von Computern eine große Rolle spielt. Blei war früher einmal einer der wichtigsten Metalle zur industriellen Fertigung. Als seine gesundheitsschädlichen Eigenschaften allerdings entdeckt wurden, wurde die Verwendung des Metalls nahezu komplett eingestellt. Heutzutage findet man Blei hauptsächlich noch in Schutzumantelungen gegen Strahlungsquellen. Aber auch in Form von Gewichten oder als Grundstoff für militärische Geschosse wird heutzutage noch Blei angewendet. Nur das Element Flevorium hat aufgrund seiner kurzen Halbwertszeit keinen realen Nutzen. Es wird lediglich zu Forschungszwecken produziert, wobei der Aufwand zur Produktion selbst geringer Mengen so groß ist, dass das Element nur selten erzeugt wird.

Wichtige Erfolge in der Forschung der Kohlenstoffgruppe:

Ein wichtiger Moment mit durchaus globalem Effekt war die Entdeckung des Benzols. Zum ersten Mal soll die Verbindung in der Mitte des 17. Jahrhunderts von Johann Rudolph Glauber durch die Destillation von Steinkohleteer entdeckt worden sein. Später erzeugten andere Forscher wie Michael Faraday die Verbindung unter anderem durch die Verbrennung von Gasen. Obwohl man im Laufe der Zeit ermitteln konnte, dass es sich bei Benzol um ein Verbindung mit der Summenformel C6H6 handeln musste, konnten die Wissenschaftler keine gültige Strukturformel aufstellen, in der alle Kohlenstoff-Atome mit ihren korrekten elektronischen Ladungen dargestellt wurden. Erst 1865 kam der Wissenschaftler August Kekule auf die richtige Lösung. Er erklärte, dass die Kohlenstoff-Atome einen Ring bilden würden und im Inneren dieses Rings eine Art ständige Elektronen-Wanderung stattfinden würde. Dieser – damals noch rein theoretische – Ansatz einer Strukturformel mit einer Elektronenwolke konnte 1925 von den Forschern Armit und Robinson unter einem Elektronenmikroskop zum ersten Mal beobachtet werden und stellte eine bahnbrechende Entdeckung in der Erforschung von Benzol und den Aromaten dar.

Elemente der Kohlenstoffgruppe

Kohlenstoff

Name  Kohlenstoff
Symbol  C
Ordnungszahl  6
Aussehen  schwarz / farblos (z.B. Diamanten)
CAS-Nummer  7440-44-0
Serie  Nichtmetall

Kohlenstoff wird im Periodensystem der Elemente mit „C“ abgekürzt, was für carboneum steht. Dieser Begriff leitet sich wiederum vom lateinischen Wort für Kohle, carbo, ab. Kohlenstoff gehört zur 4. Hauptgruppe, die auch Kohlenstoffgruppe genannt wird, und hat die Ordnungszahl 6. Seine atomare Masse beträgt 12,011 g/mol. Der Schmelzpunkt liegt bei 3.550°C, der Siedepunkt bei 4.827 °C. Das Element ist geruchlos und hat eine Dichte von 3,51 g/cm^3.

Kohlenstoff ist den Menschen seit Urzeiten bekannt. Schon in der Altsteinzeit, circa 300.000 vor Christus, verwendeten Menschen Kohlenstoff in Form von Holzkohle um Feuer zu machen. Bis zum Jahr 1775 war jedoch nicht bekannt, dass es sich beim Kohlenstoff um ein eigenständiges Element handelt. Der französische Chemiker und Rechtsanwalt A. L. Lavoisier erkannte dies und gab dem Element seinen heutigen Namen.

 

Silicium

 Name  Silicium
Symbol  Si
Ordnungszahl  14
Aussehen  dunkelgrau, bläulich
CAS-Nummer  7440-21-3
Serie  Halbmetall

Silicium ist ein chemisches Element und wird mit „Si“ abgekürzt. Die Ordnungszahl ist die vierzehn. Im Periodensystem steht das Element in der 4. Gruppe, die zu den Kohlenstoffen zählt, und in der 3. Periode. Es wird vermutet, dass Silicium 1787 das erste Mal von Antoine Lavoisier entdeckt wurde. Später wurde es von verschiedenen Chemikern hergestellt. Im Jahre 1824 reinigte Jöns Jakob Berzelius die damals noch amorphe Form und gab dem Element seinen Namen. Mittels Elektrolyse kann reines, kristallines Silicium hergestellt werden.

Germanium

 Name  Germanium
Symbol  Ge
 Ordnungszahl  32
Aussehen  gräulich weiß
CAS-Nummer  7440-56-4
Serie  Halbmetalle

Der deutsche Chemiker Clemens Alexander Winkler, isolierte aus dem Mineral Argyrodit, im Jahre 1886, erstmals das chemische Element Germanium. Diese Entdeckung fand in Freiberg, an der Bergakademie, in Sachsen statt. Durch Theodor Hieronymus und Julius Lothar Meyer, wurde das Element als „Elka- Silicium“, einem chemischen Element der 4. Hauptgruppe bekannt. Clemens Alexander Winkler, gab dem Element den Namen „germania“, dies stellte für ihn eine Ehrung seiner Heimat dar.

 

Zinn

 Name  Zinn
Symbol  Sn
Ordnungszahl  50
Aussehen  silbrig glänzend grau
CAS-Nummer  7440-31-5
Serie  Metalle

Das chemische Element Zinn mit der Ordnungszahl 50 steht in der vierten Hauptgruppe der fünften Periode im Perioden-System. Zinn ist ein äußerst weiches, silbrig-weiß glänzendes Schwermetall mit extrem niedrigem Schmelzpunkt.

 

Blei

 Name  Blei
Symbol  Pb
Ordnungszahl  82
Aussehen  bläulich weiß
CAS-Nummer  7439-92-1
Serie  Metalle

Der Name des chemischen Elements Blei ist vermutlich indogermanischen Ursprungs. Er entwickelte sich aus Wort „*bhlěi–“ und bedeutet so viel wie leuchten, schimmern oder glänzen. Damit steht Blei in engem Zusammenhang mit den Worten Blech, Blick und bleich. Der Ursprung ist nicht hundertprozentig geklärt, es werden auch germanische und nicht-indogermanische Ableitungen in Betracht gezogen.
Das Elementsymbol Pb leitet sich aus dem lateinischen „plumbum“ ab, welches sich wiederum von „plumbeus“ – bleischwer, stumpf, bleiern – herleiten lässt und vermutlich ursprünglich aus dem iberischen stammt.

Ununquadium

 Name  Ununquadium
Symbol  Uuq
Ordnungszahl  114
Vorkommen  künstlich erzeugt
CAS-Nummer  –
Serie  Metalle

Das Ununquadium wurde 1998 in Dubna (Russland) von Wissenschaftlern endeckt. Bestätigt wurde diese Entdeckung aber erst 2011 von der IUPAC (Internationale Union für reine und angewandte Chemie) bestätigt.

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