Stellung und Modifikationen des Kohlenstoffs
Die Elemente der Gruppe 14 im Periodensystem und die reinen Erscheinungsformen des Kohlenstoffs: Diamant, Graphit, Fullerene und Nanoröhren.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Gruppe 14 reicht vom Nichtmetall Kohlenstoff über die Halbmetalle Silicium und Germanium bis zu den Metallen Zinn und Blei, alle mit der Valenzkonfiguration \(ns^2 np^2\).
- Silicium (Ordnungszahl 14, 3. Periode) steht direkt unter Kohlenstoff (\(1s^2 2s^2 2p^2\)), alle Gruppenelemente sind bei Raumtemperatur fest.
- Zinn ist ein unedles Hauptgruppenmetall, Germanium ein Halbmetall der Hauptgruppe und kein Übergangsmetall.
- Allotrope Modifikationen des Kohlenstoffs sind Diamant, Graphit, Fullerene und Nanoröhren, Ruß ist mikrokristalliner Graphit.
- Carbide, Carborund \(\ce{SiC}\), Benzo[a]pyren und \(\ce{CO2}\) enthalten weitere Elemente und sind Verbindungen.
- Buckminsterfulleren \(\ce{C60}\) besteht aus 12 Fünf- und 20 Sechsringen, ist farbig und entsteht bei der Rußbildung.
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Kohlenstoff im Überblick
Kohlenstoff führt die Gruppe 14 an und kommt als Element in ganz verschiedenen Gestalten vor, vom harten Diamanten bis zur weichen Graphitmine und zur Medizinischen Kohle aus der Apotheke.
| Merkmal | Ausprägung |
|---|---|
| Stellung im Periodensystem | Gruppe 14 (Kohlenstoffgruppe), 2. Periode, Ordnungszahl 6 |
| Elektronenkonfiguration | \(1s^2 2s^2 2p^2\), 4 Valenzelektronen |
| Wichtige Oxidationsstufen | −4 (in \(\ce{CH4}\)), +2 (in \(\ce{CO}\)), +4 (in \(\ce{CO2}\)) |
| Vorkommen | elementar als Graphit und Diamant, gebunden in Carbonaten, \(\ce{CO2}\) und organischer Materie |
| Modifikationen | Diamant, Graphit, Fullerene, Nanoröhren |
| Wichtige Verbindungen | \(\ce{CO}\), \(\ce{CO2}\), Carbonate, Carbide |
Elemente der Gruppe 14
Zur Gruppe 14 gehören Kohlenstoff, Silicium, Germanium, Zinn und Blei. Kohlenstoff steht in der 2. Periode. Silicium folgt direkt darunter in der 3. Periode und hat die Ordnungszahl 14. Alle Elemente der Gruppe besitzen vier Valenzelektronen in der Anordnung \(ns^2 np^2\). Für Kohlenstoff lautet die Konfiguration \(1s^2 2s^2 2p^2\), für Silicium auf der Valenzschale \(3s^2 3p^2\). Wie man solche Konfigurationen aufstellt, steht unter Elektronenkonfiguration.
Von oben nach unten nimmt der Metallcharakter zu. Die Atome werden größer, die Valenzelektronen sitzen lockerer und lassen sich leichter abgeben. So reicht die Gruppe vom Nichtmetall Kohlenstoff über die Halbmetalle Silicium und Germanium bis zu den Metallen Zinn und Blei. Bei Raumtemperatur sind alle fünf Elemente fest.
| Element | Ordnungszahl | Periode | Valenzkonfiguration | Charakter |
|---|---|---|---|---|
| C | 6 | 2 | \(2s^2 2p^2\) | Nichtmetall |
| Si | 14 | 3 | \(3s^2 3p^2\) | Halbmetall |
| Ge | 32 | 4 | \(4s^2 4p^2\) | Halbmetall |
| Sn | 50 | 5 | \(5s^2 5p^2\) | Metall |
| Pb | 82 | 6 | \(6s^2 6p^2\) | Metall |
Zinn ist ein Hauptgruppenelement und ein unedles Metall. Es löst sich in heißer Salzsäure unter Wasserstoffentwicklung:
\[\ce{Sn + 2 HCl -> SnCl2 + H2 ^}\]
Ein Edelmetall würde das nicht tun. Mehr zu den Oxidationsstufen der schweren Elemente steht bei Zinn und Blei, zum Silicium bei Silicium und Silanen.
Germanium steht in der 4. Periode rechts hinter den Übergangsmetallen. Seine Valenzelektronen liegen aber in 4s und 4p, deshalb ist es ein Hauptgruppenelement und kein Übergangsmetall.
Allotrope Modifikationen
Kommt ein Element in mehreren Strukturen vor, die nur aus seinen eigenen Atomen bestehen, spricht man von Allotropie. Kohlenstoff bildet mehr als zwei solcher Modifikationen. Sie unterscheiden sich darin, wie die Atome verknüpft sind. Bei Raumtemperatur können mehrere davon nebeneinander vorliegen, denn Diamant wandelt sich trotz geringerer Stabilität praktisch nicht in Graphit um.
| Modifikation | Bauprinzip | Bindung | Typische Eigenschaft |
|---|---|---|---|
| Diamant | dreidimensionales Netz aus Tetraedern | \(sp^3\) | sehr hart, farblos, Isolator |
| Graphit | gestapelte Schichten aus Sechsringen | \(sp^2\) | weich, schwarz, leitet in der Schicht |
| Fullerene | geschlossene Käfigmoleküle, z. B. \(\ce{C60}\) | gekrümmtes \(sp^2\) | farbig, molekular gebaut |
| Nanoröhren | zu Röhren aufgerollte Graphitschicht | \(sp^2\) | sehr zugfest, leitfähig |
Kohlenstoff kommt in der Natur auch elementar vor. Graphit wird ebenso wie Diamant in Lagerstätten abgebaut. Fullerene und Nanoröhren stellt man dagegen überwiegend künstlich her. Warum Diamant und Graphit so verschieden sind, erklärt die Einheit zu Diamant und Graphit.
Ruß und andere Formen von amorphem Kohlenstoff bilden keine eigene Modifikation. Sie bestehen aus mikrokristallinem Graphit, also aus winzigen, ungeordnet gelagerten Graphitbereichen. Man kann sich das wie einen Haufen zerbrochener Schieferplättchen vorstellen. Auch Aktivkohle, etwa als Medizinische Kohle gegen Vergiftungen, gehört dazu.
Der Prüfstein für eine Modifikation ist einfach: Sie enthält nur Kohlenstoffatome. Carbide wie Calciumcarbid \(\ce{CaC2}\) sind dagegen Verbindungen mit elektropositiveren Elementen. Carborund \(\ce{SiC}\) besitzt zwar ein diamantähnliches Gitter, enthält aber zur Hälfte Silicium. Benzo[a]pyren \(\ce{C20H12}\) entsteht zwar zusammen mit Ruß, ist aber ein polycyclischer aromatischer Kohlenwasserstoff mit Wasserstoffatomen. Auch \(\ce{CO2}\) ist eine Verbindung und keine Erscheinungsform des Kohlenstoffs.
Wird im Examen gerne gefragt: Diamant, Graphit, Fullerene und Nanoröhren sind allotrope Modifikationen des Kohlenstoffs. Carbide, Carborund \(\ce{SiC}\), Benzo[a]pyren und \(\ce{CO2}\) enthalten weitere Elemente und zählen deshalb als Verbindungen.
Fullerene
Fullerene sind die jüngste der klassischen Kohlenstoffmodifikationen. Ihr bekanntester Vertreter ist \(\ce{C60}\).
Ein Fulleren ist ein geschlossenes Käfigmolekül \(\ce{C_n}\), das nur aus Kohlenstoffatomen in Fünf- und Sechsringen besteht.
\(\ce{C60}\) heißt Buckminsterfulleren, nach dem Architekten Richard Buckminster Fuller und seinen Kuppelbauten. Das Molekül besteht zu 100 % aus Kohlenstoff. Es enthält 12 Fünfringe und 20 Sechsringe. Jeder Fünfring ist ringsum von Sechsringen umgeben, genau wie die schwarzen Flecken auf einem Fußball.
Die Fünfringe sind der Schlüssel zur Form. Ein Netz nur aus Sechsringen bleibt flach wie eine Graphitschicht. Erst die Fünfringe krümmen es und schließen es zur Kugel. Deshalb besitzt \(\ce{C60}\) weder Graphit- noch Diamantstruktur. Es bildet einzelne Moleküle, die sich im Festkörper zu einem Molekülkristall packen.
Aus dem molekularen Bau folgen besondere Eigenschaften. \(\ce{C60}\) ist farbig: Der Feststoff ist schwarzbraun, eine Lösung in Toluol leuchtet violett. Anders als Graphit und Diamant löst es sich in unpolaren organischen Lösungsmitteln, denn zwischen den Käfigen wirken nur schwache Van-der-Waals-Kräfte.
Fullerene entstehen bei der Rußbildung. Verdampft man Graphit im Lichtbogen unter Helium, enthält der entstehende Ruß einige Prozent \(\ce{C60}\) und daneben \(\ce{C70}\). In Spuren bilden sie sich auch in rußenden Flammen.
Quiz
Aussage 1
Carborund (\(\ce{SiC}\)) zählt wegen seines diamantähnlichen Gitters zu den Modifikationen des Kohlenstoffs.
Carborund enthält Silicium und ist deshalb eine Verbindung. Eine Modifikation besteht ausschließlich aus Kohlenstoffatomen.
Aussage 2
Silicium steht in der 3. Periode direkt unter Kohlenstoff und hat die Ordnungszahl 14.
Kohlenstoff steht in der 2. Periode, Silicium folgt direkt darunter mit der Ordnungszahl 14 und der Valenzkonfiguration \(3s^2 3p^2\).
Aussage 3
\(\ce{C60}\) ist eine farbige Substanz, die bei der Rußbildung entsteht.
Festes \(\ce{C60}\) ist schwarzbraun, seine Lösung in Toluol violett. Es bildet sich etwa im Ruß, der beim Verdampfen von Graphit im Lichtbogen entsteht.
Aussage 4
Ruß besteht im Wesentlichen aus mikrokristallinem Graphit.
Amorpher Kohlenstoff wie Ruß besteht aus winzigen, ungeordneten Graphitbereichen und bildet keine eigene Modifikation.
Aussage 5
Buckminsterfulleren \(\ce{C60}\) besitzt eine Graphitstruktur aus reinen Sechsringen.
\(\ce{C60}\) ist aus 12 Fünfringen und 20 Sechsringen aufgebaut. Die Fünfringe krümmen das Netz zum Käfig, daher liegt weder Graphit- noch Diamantstruktur vor.
Aussage 6
Germanium gehört als Element der 4. Periode zu den Übergangsmetallen.
Germanium steht zwar hinter den Übergangsmetallen der 4. Periode, seine Valenzelektronen liegen aber in 4s und 4p. Es ist ein Halbmetall der Hauptgruppe 14.
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