Kohlenstoffgruppe:
Was haben die Elemente der Kohlenstoffgruppe mit Bergkristallen zu tun? Die Auflösung findest du im Text.
Definition:
Unter der Kohlenstoffgruppe versteht man die Elemente der 4. Hauptgruppe des Periodensystems (neu Gruppe 14).
Sie wird auch Kohlenstoff-Silicium-Gruppe genannt.
Zur Kohlenstoffgruppe gehören die 5 stabilen Elemente: Kohlenstoff (C), Silicium (Si), Germanium (Ge), Blei (Pb), Zinn (Sn) und das radioaktive Element Flerovium (Fl).
Vorkommen:
27,7% der Erdkruste bestehen aus Elementen der Kohlenstoffgruppe, die bis auf Germanium auch natürlich in gediegener Form vorkommen.
99,7% davon entfallen auf Silicium, welches in der Natur vor allem als Oxid (Sand, Quarz) und in Form der vielfältig strukturierten Silicate vorkommt.
Von den übrigen 0,2% sind 99,1% Kohlenstoffe oder Kohlenstoffverbindungen.
Kohlenstoff ist u.a. auch in den fossilen Energieträgern Erdöl und Erdgas zu finden.
In gebundener Form ist es Bestandteil vom Calciumcarbonat, Kalkstein, Marmor und Kreide.
Tropfsteine bestehen hauptsächlich aus Calciumcarbonat.
Zusätzlich ist es Bestandteil von allen Organismen, alles Leben der Erde ist auf Kohlenstoffverbindungen aufgebaut.
In reiner Form kommt Kohlenstoff als Diamant und Grafit vor.
Blei (als Bleiganz), Zinn (als Zinnstein) und Germanium kommen im Verhältnis zu Silicium und Kohlenstoff nur in geringen Mengen vor.
Anorganische Kohlenstoffverbindungen:
Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid sind zwei wichtige gasförmige Molekülverbindungen des Kohlenstoffs.
Beide Kohlenstoffverbindungen sind anorganisch und stellen Verbindungen zwischen Kohlenstoff- und Sauerstoffatomen dar.
Kohlenstoffdioxid entsteht bei einer vollständigen Verbrennung von Kohlenstoff.
Kohlenstoffmonoxid hingegen entsteht bei einer unvollständigen Verbrennung von Kohlenstoff.
Kohlensäure, eine schwach saure Lösung entsteht, wenn Kohlenstoffdioxid im Wasser unter leichten Druck gesetzt wird.
Kohlenstoffmonoxid ist für den Menschen lebensgefährlich, weil es den Sauerstofftransport im Blut verhindert.
Elemente der Kohlenstoffgruppe:
Folgende Elemente sind der Kohlenstoffgruppe zugeordnet.
| Bezeichnung | Symbol | OZ |
| Kohlenstoff | C | 6 |
| Silicium | Si | 14 |
| Germanium | Ge | 32 |
| Zinn | Sn | 50 |
| Blei | Pb | 82 |
| Flerovium | Fl | 114 |
Hinsichtlich Schmelzpunkt, Siedepunkt und Dichte ergibt sich folgendes Bild:
SZ = Schmelzpunkt in °C, SI = Siedepunkte in °C, Dichte = kg/m³
| Element | SZ | SI | kg/m³ |
| Kohlenstoff | 3500* | Sublimation | 3510** |
| Silicium | 1414 | 2355 | 2330 |
| Germanium | 938,2 | 2820 | 5323 |
| Zinn | 231,9 | 2601 | 7310 |
| Blei | 327,5 | 1750 | 11340 |
*Graphit
**Diamant
Eigenschaften:
Die Elemente der Kohlenstoffgruppe ist in drei Bereiche Nichtmetall, Halbmetalle und Metalle zu trennen, voraus sich jeweils sehr unterschiedliche Eigenschaften ergeben.
a) Nichtmetall: Kohlenstoff
Elementarer Kohlenstoff kommt in den kristallinen Formen Diamant und Grafit vor.
Seine Dichte beträgt 3,51 g/cm³ bei Diamanten und 2,25 g/cm³ bei Grafit.
Während Grafit einer der weichsten Stoffe ist, ist Diamant eines der härtesten Stoffe.
Kohlenstoff in elementarer Form ist in Wasser, verdünnten Säuren, Basen und organischen Lösungsmittel unlöslich.
Die Anzahl der Kohlenstoffverbindungen ist größer als die Gesamtheit der Verbindungen, die ohne Kohlenstoff gebildet werden.
b) Halbmetalle: Silicium und Germanium
Silicium ist ein harter und spröder Feststoff von dunkelgrauer, glänzender Farbe.
Es ist ein Halbleiter, weil sich erst bei höheren Temperaturen Elektronen lösen.
Silicium ist wenig reaktiv und reagiert erst bei hohen Temperaturen mit Stickstoff, Kohlenstoff etc.
Das Element Germanium wiederum zeigt als einer von wenigen Stoffen eine Dichteanomalie.
Seine Dichte in festem Zustand ist niedriger als in flüssigem.
Während es in kompakter Form nicht brennbar ist, ist es in Pulverform leicht entzündbar.
c) Metalle: Zinn, Blei und Flerovium
Die Dichte von Zinn beträgt 7,28 g/cm³.
Der Schmelzpunkt, für das Element mit der Ordnungszahl 50, liegt bei 232°C, der Siedepunkt bei 2.430°C.
Blei, ein unedles Metall, ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 82.
Der Schmelzpunkt des giftigen Schwermetalls mit der Dichte von 11,3 g/cm³ liegt bei 327,5°C.
Das Element Flerovium mit der Ordnungszahl 114 und dem Elementsymbol Fl ist radioaktiv.
Bisher wurden nur wenige Atome hergestellt, die jeweils nur einige Sekunden existierten.
Verwendung:
Kohlenstoff- und Kohlenstoffverbindungen erfahren eine breite Verwendung:
Diamanten werden aufgrund ihrer Härte bei Bohrspitzen und Schneidegeräten verwendet.
Aktivkohle hingegen dient der Trinkwasserreinigung und zur Adsorption von giftigen Gasen.
Ruß wird in Druckerfarben verwendet, während fossile Kohlenstoffverbindungen (Steinkohle, Koks, etc.) als Heizmaterial verwendet werden.
Graphit ist in Bleistiftminen, in Schmiermitteln, etc. enthalten, deren Fasern finden wiederum eine Anwendung im Fahrzeugbau und bei Implantaten.
Die Kohlenstoffverbindung Kohlendioxid wird in Feuerlöschern, als Trockeneis und in Getränken verwendet.
Das elementare Silicium findet je nach Reinheitsgrad Verwendung in der Photovoltaik (Solarzellen) und als Halbleiter in Computerchips.
Siliciumdioxid als Quarz wird als Schmuckstein verwendet, z.B. Bergkristall, Tigerauge, Achat und Opal.
Das Halbmetall Germanium kommt u.a. in Wärmebildkameras zum Einsatz.
Das Metall Blei wird für Akkumulatoren in der Automobilindustrie, in der Herstellung von Legierungen und im Strahlenschutzbereich eingesetzt.
Das Metall Zinn wiederum ist bei Metall-Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt unersetzbar.
Auch als Korrosionsschutzschicht und als Lötmetall wird es verwendet.
Tests:
10 Fragen zur Kohlenstoffgruppe
Kohlenstoffgruppe Vorkommen Test
Kohlenstoffverbindungen anorganisch Test
Periodensystem Kohlenstoffgruppe Test
Kohlenstoffgruppe Verwendung Übung
PDF-Übungsblätter:
Kohlenstoffgruppe 10 Fragen Übungsblatt
Kohlenstoffgruppe Eigenschaften Übungsblatt
Kohlenstoffgruppe Überblick Übungsblatt 1