Kohlenstoff-Gruppe

GIBB Cla Kohlenstoff-Gruppe AnC 6.1. 

6 Kohlenstoff-Gruppe 

6.1 Gruppeneigenschaften 

6.1.1 Übersicht 

C Si Ge Sn Pb 

Name Kohlenstoff Silizium Germanium Zinn Blei 

OZ 6 14 32 50 82 

mM [u] 12,011 28,0855 72,59 118,89 207,2 

mp [°C] 3727 1410 937 232 327 

bp [°C] 4830 2680 2830 2270 1725 

ρ [kg/m 3 ] 2620 2330 5320 7300 11‘400 

Metallcharakter 

Nichtmetall Halbmetall Halbmetall Metall Metall 

EN 2,55 1,90 2,01* 1,96 2,33** 

6.1.2 Stellung im PSE, allgemeines Verhalten 

* Abschirmeffekt der d-Elektronen 

** Abschirmeffekt der f-Elektronen 

- Elektronenkonfiguration: n s 2 p 2 

- Oxidationsstufen: · C -IV ÷ + IV (alle Stufen) 

· Si, Ge +IV 

· Sn, Pb +II und +IV 

- Beständigkeit der Oxidationsstufe +II: Zunehmend von C → Pb 

- Tendenz zur Kettenbildung: Abnehmend von C → Pb 

6.2 Kohlenstoff 

Seit dem Altertum bekannt 

6.2.1 Vorkommen 

- Isotope: C-12 (99,89%), C-13 (1,11%), C-14 (in Spuren, radioaktiv) 

- Vorkommen in grossen Mengen in gebundener Form (ca. 10 16 t): 

· CO2 (Atmosphäre) ca. 6 · 10 11 t 

· CO2 (Hydrosphäre) ca. 1,6 · 10 13 t 

· Corg (Biosphäre) ca. 7 · 10 11 t 

· Kohle, Erdöl ca. 5,8 · 10 12 t 

· Carbonate ca. 9,9 · 10 15 t


6.2.2 Verwendung 

- Energieträger: Holz, Kohle, Erdöl, Erdgas 

- Werkstoff: · Ausgangsmaterial für Kunststoffe (Erdöl) 

· Elektrotechnik (Graphit) 

6.2.3 Modifikationen 

- Hauptmodifikationen: 

Bezeichnung Graphit Diamant 

Kristallform 

Vorkommen 

Aspekt 

Härte 

Ceylon, Madagaskar 

Künstlich aus Kohle bei hohen 

Temperaturen 

Schwarz-grau, undurchsichtig, metallischer 

Glanz 

Sehr weich, MOHS-Skala: 1 

Spaltbarkeit parallel zu den Schichten gut 

Afrika, Brasilien, Sibirien 

1 kg Diamant in 10‘000 - 15‘000 t Gestein 

(= 0,1 - 0,15 ppm) 

Farblos, klar, n = 2,42 (→ stark lichtbrechend) 

Härtester Stoff, MOHS-Skala: 10 

→ nur in eigenem Pulver schleifbar 

Leitfähigkeit Elektrisch und thermisch leitend Schlechte Leitfähigkeit 

Chem. Eigenschaften 

Verwendung 

Umwandlung 

Schwerflüchtig, schwerlöslich, reaktionsträge, 

brennbar, reduziert Metalloxide 

Elektroden, Tiegel, Bleistiftminen, 

Schmiermittel, Farbstoff 

100‘000 bar, 2400°C, Cr/Mn 

Luftabschluss, 1500°C 

Schwerflüchtig, schwerlöslich, reaktionsträge, 

verbrennt bei ϑ > 800°C 

Schmuck (5-20%), Rest für Bohrkronen, 

Glasschneider, Schleif- und Trennscheiben

GIBB Cla Kohlenstoff-Gruppe 

- Fullerene: · Sphärische phärische Kohlenstoff Kohlenstoff-Modifikation, z.B. C60 

· Erste rste theoretische Vorhersage 1970 1970, erste Herstellung 

1985 (Nobelpreis 1996) 

· Braun-schwarzes schwarzes Pulver mit metallischem Glanz 

· Löslich öslich in vielen organischen Lösungsmitteln 

· Natürliches atürliches Vorkommen in Kristallen (Shungit) 

· Herstellung aus Graphit (Verdampfung im Lichtbogen 

in He-Atmosphäre) 

Atmosphäre) 

· Verwendung u.a. zur Herstellung von Nanotubes 

6.2.4 Reaktionen des Kohlenstoffs 

+ HClO4/H2SO4 (heiss) → CO, CO2, Carbonsäuren 

+ Luft/O2 

+ H2 (Katalysator) 

C + Metalle 

+ Metalloxide 

+ F2 

+ S8 

6.3 Anorganische Kohlenstoffverbindungen 

6.3.1 Kohlenmonoxid (Kohlenstoffmonoxid) 

- Struktur: CO 

C O 

→ CO, CO2 (→ Synthesegas) 

→ CnHm 

→ Carbide (z.B. CaC2) 

→ Metalle 

→ CF4 

→ CS2 

C O C O 

- Eigenschaften: · Farb-, geruch- 

und geschmackloses Gas (bp = -191,5°C) 

· Reaktionsträge eaktionsträge und hitzestabil 

· Verbrennt erbrennt mit bläulicher Farbe zu CO CO2 

· Vereinigt sich katalytisch mit Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffen oder Methanol 

· Mit fein verteilten Metallen enstehen flüchtige, brennbare, giftige Carbonyle 

z.B. Ni(CO)4 

· Höchst giftig (LC (LC100 = 500 ppm, MAK-Wert = 30 ppm) 

Mechanismus: Konkurrenzreaktion zu OO2 

im Hämoglobin (bindet ca. 300x stärker) 

· An Aktivkohle (Schutzmaskenfilter) nicht absorbierbar 

- Vorkommen: Verbrennungsvorgänge unter Sauerstoffmangel (Verbrennungsmotoren) 

- Verwendung: · In der Metallurgie als Re Reduktionsmittel (Hochofenprozess) 

· Zur Gewinnung von reinen Metallen über die Carbonyle ( (MOND OND-Prozess für Ni) 

· Ausgangsstoff zur Synthese von organischen Grundstoffen (z.B. Methanol) 

AnC 6.3.


6.3.2 Kohlendioxid (Kohlenstoffdioxid) 

- Struktur: CO2 

O 

C 

O 

- Eigenschaften: · Farb-, , geschmackloses, leicht säuerlich riechendes Gas 

· Sublimiert unter Atmosphärendruck bei ϑ = -78,5°C (feste, gepresste Form: Trockeneis) 

· Lässt sich unter Druck verflüssigen ( (z.B. ϑ = 20°C, p = 50 bar) 

· Kritischer Punkt: Tc = 304 K, pc = 73,75 bar; darüber superkritische Flüssigkeit 

· Bildet in Wasser die schwache Kohlensäure: 

CO2 + H2O 

→ 

← H2CO3 (pKA = 3,16) 

· BOUDOUARD--Gleichgewicht 

(Hochofenprozess): 

C + CO2 → 

← 2 CO ΔH = 172,4 kJ/mol 

- Vorkommen: · Gär- und Verbrennungsprozesse 

· In der Atmosphäre (ca. 400 ppm) 

- Ökologie: Bedeutendes, anthropogenes Treibhausgas 

- Verwendung: · Trockeneis als Kältemittel (z.B. mit Aceton) 

· Feuerlöschmittel 

· Getränkeindustrie 

6.3.3 Carbonate, Hydrogencarbonate 

- Definition: Die Kohlensäure bildet zwei Salzreihen Salzreihen: 

· Carbonate [CO [CO3] 2- · Hydrogencarbonate [HCO 

O 

O 

- Eigenschaften: · Carbonate häufig schwerlöslich 

· Carbonate reagieren in Wasser basisch 

· Carbonate und Hydrogensarbonate zerfallen beim Erhitzen in CO CO2 und Metalloxide: 

CaCO3 → CO2 + CaO 

- Beispiele: · CaCO3 

· CaCO3 · MgCO MgCO3 

· Ca(HCO3)2 

· Na2CO3 

· K2CO3 

- Verwendung: · Herstellung von CO CO2 im Labor durch Freisetzung mit Säure: 

CaCO3 + 2 HCl → CO2 + CaCl2 + H2O 

· CaCO3 als Mörtel 

· K2CO3 als Trocknungsmittel für basische Stoffe (→ K2CO3 · 2 HH2O) 

· Na2CO3 als Waschmittelzusatz und Neutralisationsmittel 

6.3.4 Phosgen 

C O 

- Struktur: COCl2 

Dichlorid der Kohlensäure 

2- 

Cl 

Cl 

C 

O 

O 

C 

OH 

O 

- 

[HCO3] - 

AnC 6.4. 

Calciumcarbonat (Kalkstein, Marmor, Kreide) 

Dolomit 

Calciumhydrogencarbonat (löslich → Härtebildner im Wasser) 

Natriumcarbonat (Soda) 

Kaliumcarbonat (Pottasche)


- Eigenschaften: · Farbloses, , leicht zu verflüssigendes Gas (bp = 7,4°C) 

· Heuartiger euartiger Geruch 

· Gut löslich in organischen Lösungsmitteln 

· Hoch toxisch sch (Lungenödem) 

· Kann sich bei der Verbrennung von chlorhaltigen organischen Substanzen bilden 

- Verwendung: Wichtiger Grundstoff der technischen organischen Chemie (z.B. Kunststoffe) 

6.4 Silizium 

1824 von BERZELIUS entdeckt 

silex, lat - Kieselstein 

6.4.1 Vorkommen 

- 3 stabile Isotope: Si-28 28 (92,23%), Si Si-29 (4,67%), Si-30 30 (3,1%) + zahlreiche instabile Isotope 

- Neben dem Sauerstoff das am weitesten verbreitete Element der Erdkruste (25,7%) 

- Wichtigstes Element des Mineralreichs 

- Tritt im m Gegensatz zu Kohlenstoff nur in unbedeutenden Mengen elementar auf (höhere Reaktionsfähigkeit) 

- Hauptvorkommen: · Siliziumdioxid 

· Silikate 

6.4.2 Eigenschaften 

- Dunkelgraue, metallisch glänzende Kristalle Kristalle; Diamantstruktur 

- Härter als Stahl, sehr spröde 

- Halbmetall 

- Ist - wie der Kohlenstoff - zur Selbstbindung fähig: Silane SinH2n+2 (n < 15) 

6.4.3 Gewinnung 

- Technische Qualität: Reduktion von SiO SiO2 mit C oder CaC2 

SiO2 + C → Si + CO2 

- Reinst-Silizium: Für elektrotechnische Zwecke (Elektronik) wird der Gehalt an Verunreinigungen 

durch das Zonenschmelzverfahren auf


6.4.4 Reaktionen des Siliziums 

Bei Raumtemperatur reagiert Silizium nur mit HF und F2. 

+ Säuren → keine Reaktion 

+ N2 → Si3N4 (Si-Nitrid) 

+ Mg/H3PO4 → SiH4 (Monosilan) 

Si + Halogen → SiX4 

6.4.5 Verwendung 

+ O2/Luft → SiO, SiO2 

+ Metalle → Silicide 

+ NaOH → [Na4SiO4]x (Wasserglas) 

- Legierungsbestandteil 

- Ausgangsstoff für siliziumorganische Verbindungen 

- Halbleitertechnk: Reinst-Silizium mit Al, Sb, As, B oder P dotiert 

6.5 Siliziumverbindungen 

6.5.1 Siliziumdioxid 

- Struktur: (SiO2)n 

Tetraedrische dreidimensionale Gitterstruktur 

- Trivialnamen: · Quarz (kristallin) 

· Achat, Opal (wasserhaltig, amorph) 

· Kieselgur (erdig) 

- Eigenschaften: · Hart, diamantartig, mp = 1705°C 

· Piezoelektrischer Effekt 

· Optisch aktiv (Spiegelbildisomerie) 

· Unlöslich in Wasser und Säuren 

· Reaktionsträge; wird nur von HF oder F2 und geschmolzenen Alkalihydroxiden 

angegriffen: 

SiO2 + 4 HF → SiF4(g) + 2 H2O 

SiO2 + 4 NaOH → Na4SiO4 + 2 H2O 

- Verwendung: · Quarzsand (Mörtel, Beton) 

· Gläser (SiO2 + CaO, Al2O3, Na2O, B2O3) 

· Quarzglas (UV-durchlässig → Küvettenmaterial, hoher Schmezpunkt, gute 

Temperaturwechselbeständigkeit) 

· Schwingquarz 

· Kieselgur (Adsorptionsmaterial) 

O 

O 

Si 

O 

O


6.5.2 Kieselsäure und Silikate 

OH 

- Struktur: [H4SiO4]n = Orthokieselsäure (SiO2 · 2 H2O) 

Tetraedrische dreidimensionale Ketten- und Gitterstruktur 

Si 

OH 

- Salze: V.a. Alkali- und Erdalkali-Silikate, z.B. 

HO 

Na4SiO4 

OH 

- Eigenschaften: · Unter Wasserabspaltung Kondensation zu Polykieselsäuren 

. Hochkondensierte Polykieselsäure nennt man Kieselgel, in entwässerter Form Silicagel 

· In den Silikaten sind SiO4-Tetraeder über gemeinsame Ecken verknüpft 

· Bildung von Ketten- und Schichtsilikaten 

· Silikate bilden den Hautbestandteil der Erdkruste 

z.B. Feldspat (K2O · Al2O3 · 6 SiO2), Tone, Kaolin, Asbest (faserige Silikate der Formel 

[Mg,Fe,Ni]3Si2O5[OH]4) 

- Verwendung: · Adsorptionsmittel (Silicagel, Kieselgel) 

· Wasserglas ([Na4SiO4]x als Flammschutzmittel, Klebstoff für Porzellan) 

· Glas, Porzellan (Ca- und Alkali-Silikate) 

· Keramische Massen (Kaolinit, Al4[SiO10][OH]8) 

· Zement, Beton (Ca-Alumo-Silikate → Si statistisch durch Al ersetzt) 

· Talk (Mg3[Si4O10][OH]2) → weichstes bekanntes Mineral 

· Meerschaum (Mg4[Si6O15][OH]2 + Fe, Al, H2O) → weiches Mineral 

6.5.3 Weitere Siliziumverbindungen 

Formel Name Eigenschaften, Verwendung 

SinH2n + 2 Silane Analoge zu den KWS mit Si-Si-Bindungen 

R 1 

Si 

R 2 

O 

n 

Silikone Ketten- und Netzstruktur → Silikonfett, Silikongummi 

SiC Siliziumcarbid Harte Kristalle → Schleif- und Poliermittel (Carborund)

Kohlenstoff-Gruppe

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